一種高性能流量計算機(jī)的研制*

吳富偉　陶朝建　孫治鵬

(天信儀表集團(tuán)有限公司，蒼南 325800)

0　引言

流量計算機(jī)是一種對多個流量測量點集中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、高精度補(bǔ)償運算、數(shù)據(jù)顯示存儲以及運用網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通信功能的新一代以工業(yè)微型計算機(jī)為內(nèi)核的計量儀表，與體積修正儀相比，它的數(shù)據(jù)采集頻率高、運算速度快、更準(zhǔn)確，可廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力及城市燃?xì)狻⒐岬刃袠I(yè)的重要貿(mào)易計量場合和工廠計量管理網(wǎng)絡(luò)。

隨著國家天然氣輸送管道的大量建設(shè)，國家能源貿(mào)易用氣體流量計算機(jī)的需求量增大。目前國內(nèi)天然氣行業(yè)用于貿(mào)易交接的流量計算機(jī)一般為進(jìn)口產(chǎn)品，不僅價格昂貴，而且維護(hù)響應(yīng)時間長。

再者，天然氣貿(mào)易結(jié)算采用能量單位是發(fā)展的趨勢，各地區(qū)天然氣熱值差異較大，采用體積結(jié)算對消費者而言存在不公平。所以研制一種完全具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、新型的、實現(xiàn)體積計量同時可選能量計量的高性能流量計算機(jī)，不僅由于價格相對國外同類產(chǎn)品低廉而便于推廣，而且由于準(zhǔn)確計量將更大程度地推動社會節(jié)約能源。

1　數(shù)學(xué)模型及關(guān)鍵技術(shù)

當(dāng)前國內(nèi)天然氣壓縮因子的計算方法廣泛使用GB/T 17747.1～GB/T 17747.3提供的以摩爾組成數(shù)據(jù)(見GB/T 17747.2—1999)和物性值數(shù)據(jù)(見GB/T 17747.3—1999)為基礎(chǔ)進(jìn)行計算的兩個方程，以及AGA NX—19方程。GB/T 17747.2—1999中給出了用已知氣體的詳細(xì)摩爾組成計算壓縮因子的方法，又稱為AGA 8-92DC計算方法；GB/T 17747.3—1999中給出了用包括可獲得的高位發(fā)熱量、相對密度、CO2含量和H2含量等非詳細(xì)的分析數(shù)據(jù)計算壓縮因子的方法，又稱為SGERG-88計算方法[1]。

當(dāng)天然氣計量系統(tǒng)符合GB/T 18603—2001中表A1準(zhǔn)確度為A、B級要求時，應(yīng)按AGA8-92DC方法和SGERG-88方法計算壓縮因子；非貿(mào)易計量系統(tǒng)和貿(mào)易計量系統(tǒng)屬于GB/T 18603—2001中表A1準(zhǔn)確度為C級要求時，允許按AGA NX-19方程計算[2]。

流量計算機(jī)壓縮因子的計算模型包括上文中提到的AGA NX-19、AGA8-92DC和SGERG-88。由于需要進(jìn)行多通道的流量測量，所以要求微處理器輪流對多個通道進(jìn)行計算，為了保證計算精度的同時使單個通道的計算時間縮短，需要對計算過程中的各個部分進(jìn)行優(yōu)化以盡量減少計算量。

天然氣能量為天然氣體積量與對應(yīng)發(fā)熱量的乘積。流量計算機(jī)配置的輸入檢測通道可采集流量、溫度、壓力信號并計算壓縮因子，修正成標(biāo)況狀態(tài)的體積量；同時，可直接通過配置的RS485通信接口或GPRS通信接口接收氣相色譜儀的組分分析結(jié)果，包含發(fā)熱量數(shù)據(jù)，也可在流量計算機(jī)手工輸入天然氣組分?jǐn)?shù)據(jù)計算出發(fā)熱量。計算公式如下：

E=Hs×Q[3]

式中：E為天然氣能量，kWh；Hs為段時間內(nèi)的天然氣平均發(fā)熱量，kWh/m3；Q為天然氣標(biāo)況體積量，m3。

由于流量計算機(jī)需要長期穩(wěn)定運行，而且它的工作環(huán)境比較復(fù)雜，在保證計算精度的同時，也需要著重考慮系統(tǒng)的可靠性。在硬件上對各輸入輸出接口信號(4～20mA電流信號、脈沖頻率信號、HART通信接口、RS485通信接口等)進(jìn)行電氣隔離，實現(xiàn)抗浪涌、脈沖群、靜電放電、工頻磁場等電磁干擾性能；提高軟件的正確性和健壯性，要達(dá)到這一目標(biāo)，要求程序在語法、語義和邏輯上都沒有錯誤，在硬件發(fā)生故障或用戶輸入數(shù)據(jù)不合理等意外條件下，系統(tǒng)仍能進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓ぷ鱗4]。

2　硬件設(shè)計

流量計算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。流量計算機(jī)采用模塊化的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，數(shù)據(jù)采集模塊采用可插拔的板卡形式，每張板卡都配置有單獨的微控制器，最多可配置4路溫度、壓力修正通道和2路脈沖信號輸入通道。數(shù)據(jù)顯示模塊采用4.3英寸的TFT液晶顯示屏，不僅數(shù)據(jù)顯示量大而且清晰直觀，能很方便讀取各個通道當(dāng)前的流量、壓力和溫度數(shù)據(jù)以及查詢各個通道的歷史流量數(shù)據(jù)。

圖1　流量計算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1　主板硬件設(shè)計

主板上設(shè)計有嵌入式工控板的接口以及多個PCI插槽用于連接數(shù)據(jù)采集卡。嵌入式工控板以LPC3250芯片為核心，該CPU內(nèi)核采用哈佛結(jié)構(gòu)的5級流水處理，還具有一個完整的存儲器管理單元(MMU)，以提供支持現(xiàn)代操作系統(tǒng)多程序設(shè)計所需的虛擬存儲器功能。主板通過串行總線接收數(shù)據(jù)采集卡的流量信號等數(shù)據(jù)并傳送至處理器計算處理。將各種信息送顯示器顯示，也可以通過以太網(wǎng)接口遠(yuǎn)程傳送數(shù)據(jù)。

2.2　數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計

數(shù)據(jù)采集卡硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。多種類型的數(shù)據(jù)采集卡可以靈活配置，滿足多種流量信號、壓力信號和溫度信號的采集。數(shù)據(jù)采集卡由PIC單片機(jī)、隔離脈沖信號輸入、隔離電流信號輸入、放大電路以及HART信號輸入等部分組成，數(shù)據(jù)采集卡通過隔離的串行總線與主板通信。

圖2　數(shù)據(jù)采集卡硬件結(jié)構(gòu)圖

為了提高數(shù)據(jù)采集卡的抗干擾能力和可靠性，輸入信號都設(shè)計有相應(yīng)的隔離電路。脈沖隔離使用光耦來滿足設(shè)計要求；電流檢測電路對輸入信號的精度、線性度有較高的要求，因此電流隔離電路采用高線性度光耦HCNR201隔離輸入信號；為了消除導(dǎo)線電阻的影響，熱電阻測溫電路廣泛采用平衡電橋式三線制接法，這種方法使溫度誤差得到一定的補(bǔ)償，但線路電阻的影響依然存在，本設(shè)計中采用基于恒壓分壓式三線制導(dǎo)線電阻補(bǔ)償方法，電路簡單，實現(xiàn)方便，可完全消除導(dǎo)線電阻的影響[5]。

2.3　通信接口設(shè)計

通信接口組成如圖3所示。為了滿足用戶對管理實現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡(luò)化的要求，開發(fā)了多種網(wǎng)絡(luò)通信接口，如RS485通信接口、GPRS通信接口、采用TCP/IP技術(shù)的以太網(wǎng)接口、USB接口等，具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)傳輸功能。

圖3　通信接口組成圖

采用的TCP/IP技術(shù)，通過系統(tǒng)內(nèi)建的Web服務(wù)以及對每一臺流量計算機(jī)分配的IP地址，能實現(xiàn)對流量計算機(jī)前面板的遠(yuǎn)程操作以及實現(xiàn)對流量計和變送器的遠(yuǎn)程組態(tài)和診斷。

3　軟件設(shè)計

流量計算機(jī)的軟件包括數(shù)據(jù)采集卡的程序、各種壓縮因子的數(shù)學(xué)模型程序和各種功能模塊的程序。這些模塊包括顯示程序、通信協(xié)議、Web服務(wù)的服務(wù)端和客戶端程序等。

3.1　數(shù)據(jù)采集卡程序

數(shù)據(jù)采集卡程序的主要工作就是檢測輸入信號并傳送至處理器。上電完成初始化后，數(shù)據(jù)采集卡判斷自身流量、壓力和溫度傳感器的類型，然后處于等待接收命令的狀態(tài)。當(dāng)接收到主板發(fā)送過來的讀取傳感器數(shù)據(jù)的命令后，數(shù)據(jù)采集卡檢測各傳感器的信號并發(fā)送回主板。

3.2　壓縮因子計算程序

本設(shè)計中使用的壓縮因子計算模型有AGA NX-19、AGA8-92DC和SGERG-88。在適用范圍和計算精確性等方面，AGA NX-19都不如其它兩個計算方法[6]。AGA8-92DC和SGERG-88主要運用于正常進(jìn)行輸氣和配氣條件范圍內(nèi)的管輸干氣，包括交接計量或其它用于結(jié)算的計量。通常輸氣和配氣的操作溫度為263～338K(-10～65℃)，操作壓力不超過12MPa。在此范圍內(nèi)，如果不計包括相關(guān)的壓力和溫度等輸入數(shù)據(jù)的不確定度，則兩種計算方法的預(yù)期不確定度大約為0.1%[1]。表1中的“標(biāo)準(zhǔn)值”為GB/T 17747.2—1999附錄C中表C2 (4#氣樣)壓縮因子Z的計算結(jié)果[1]，“計算值”為流量計算機(jī)的計算結(jié)果。同樣，表2中的“標(biāo)準(zhǔn)值”為GB/T 17747.3—1999附錄C中表C2 (4#氣樣)壓縮因子Z的計算結(jié)果[1]，“計算值”為流量計算機(jī)的計算結(jié)果。從兩個表中的“偏差”可以看出，兩種計算方法的誤差均在±10-5以內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

3.3　Web服務(wù)程序

Web服務(wù)程序可以實現(xiàn)操作面板的遠(yuǎn)程接入，包括服務(wù)端程序和客戶端程序。服務(wù)端程序采用C++語言實現(xiàn)，系統(tǒng)啟動后，服務(wù)端程序處于監(jiān)聽端口的狀態(tài)，當(dāng)有客戶端請求連接時，服務(wù)端與客戶端建立連接并定時發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)到客戶端。為了避免Web服務(wù)占用過多的系統(tǒng)資源，服務(wù)端最多只能與8個客戶端建立連接。

表1　AGA8-92DC計算結(jié)果對比

表2　SGERG-88計算結(jié)果對比

客戶端采用Java Applet實現(xiàn)，使用網(wǎng)絡(luò)瀏覽器輸入流量計算機(jī)的IP地址后，彈出流量計算機(jī)的前面板界面，在流量計算機(jī)的前面板能實現(xiàn)的操作包括查看當(dāng)前流量數(shù)據(jù)、查看歷史流量數(shù)據(jù)、設(shè)置參數(shù)等，且都可以遠(yuǎn)程實現(xiàn)。

4　結(jié)語

流量計算機(jī)可與氣體渦輪流量計、腰輪(羅茨)流量計、差壓式流量計等相配套，并可同時進(jìn)行各通道的測量溫度、壓力、差壓等多種信號，具有體積量和能量的指示、累計、存儲等功能，可廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、輕工、醫(yī)藥及城市燃?xì)?、供熱等行業(yè)的貿(mào)易計量和工廠計量管理網(wǎng)絡(luò)。

[1]GB/T 17747天然氣壓縮因子的計算[S]

[2]GB/T 21446—2008用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計測量天然氣流量[S]

[3]GB/T 22723—2008天然氣能量的測定[S]

[4]董惠麗.提高軟件可靠性的措施[J].青海大學(xué)學(xué)報，1998，16(4)：73-75

[5]甘英俊，周宏平.基于三線制的高精度熱電阻測量電路設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2010，18(12)：31-33，37

[6]張福元.用于計量的天然氣壓縮因子計算方法比較[J].天然氣工業(yè)，2000，20(5)：73-76