流量積算儀自動(dòng)標(biāo)定測(cè)試系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

馮東石

（中國(guó)石油化工股份有限公司 天津分公司，天津 300271）

0 引言

流量積算儀依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，適用于蒸汽、單一或混合氣體及各種液體的流量（熱量）顯示、積算、控制，可廣泛應(yīng)用于石化、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)易結(jié)算和工廠計(jì)量管理網(wǎng)絡(luò)?？蓽y(cè)量的介質(zhì)包括：過(guò)熱蒸汽、飽和蒸汽、通用氣體、混合氣體、水、熱水、液體（油品、化工產(chǎn)品）等。適用的流量傳感器有：節(jié)流式流量計(jì)（包括各類孔板、ISA1932噴嘴、長(zhǎng)徑噴嘴、文丘里噴嘴、經(jīng)典文丘里管）、V 型錐流量計(jì)、彎管流量計(jì)、渦街流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)等。流量積算儀功能復(fù)雜，硬件接線端子繁多，一臺(tái)流量積算儀需要對(duì)多種類型的輸入和輸出信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定和測(cè)試。如果人工逐項(xiàng)手動(dòng)接入信號(hào)源對(duì)端口進(jìn)行標(biāo)定和測(cè)試，需要耗費(fèi)大量的操作時(shí)間，并且無(wú)法保證穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，基于OCS控制器的流量積算儀標(biāo)定測(cè)試系統(tǒng)可以有效地解決上述問(wèn)題，提高工作效率[1]。

圖1 流量積算儀正視圖Fig.1 Front view of flow totalizer

圖2 流量積算儀硬件接線圖Fig.2 Hardware wiring diagram of flow totalizer

1 流量積算儀

流量積算儀屏幕具有128×64點(diǎn)陣帶背光的單色液晶LCD顯示，儀表為 3 通道輸入，儀表測(cè)量周期為 1 s，具有小信號(hào)切除與慣性濾波功能，支持?jǐn)嗑€處理，支持以下信號(hào)類型[2]：

1）流量信號(hào)：直流電流信號(hào)4mA～20mA，輸入阻抗≤250Ω，頻率信號(hào)0Hz～9999Hz，矩形、正弦波和三角波的電壓幅度大于2V。

2）溫度信號(hào)：工業(yè)熱電阻傳感器PT100，溫度范圍-50.0℃～650℃。

3）壓力信號(hào)：直流電流信號(hào)4mA～20mA，輸入阻抗≤250Ω。

積算儀輸出信號(hào)，包括RS485，繼電器輸出、直流電流輸出和兩線制饋電輸出。RS-485波特率：1200，2400，4800，9600；校驗(yàn)方式：無(wú)校驗(yàn)、奇校驗(yàn)、偶校驗(yàn)；數(shù)據(jù)位：8；停止位：1。直流電流信號(hào)4mA～20mA，負(fù)載電阻≤500Ω。繼電器輸出具有回差邏輯功能，繼電器為交流AC 250V/5A，直流DC 30V/5A（阻性負(fù)載）。兩線制儀表進(jìn)行直流24V供電時(shí)，直流DC 24V，負(fù)載≤100mA，直流DC 12V，負(fù)載≤200mA。

2 自動(dòng)化標(biāo)定裝置

2.1 功能描述

流量積算儀應(yīng)用物理探針夾緊端子，當(dāng)采用AC220V供電時(shí)，通過(guò)L和N給積算儀供電。此時(shí)，24V電源可以測(cè)試到24V直流電壓。當(dāng)直流電源DC24供電時(shí)，交流端子L、N和PE處于NC閑置狀態(tài)。將控制器OCS的485端子連接積算儀的485A端子和485B端子，積算儀的直流電流4mA～20mA輸出AO+端子和AO-端子，與OCS的AI功能連接。OCS通過(guò)設(shè)置積算儀的電流輸出模式寄存器，令流量積算儀分別輸出固定的4mA和20mA電流，OCS分別記錄下對(duì)應(yīng)的4mA電流值和20mA電流值，再通過(guò)Modbus-RTU協(xié)議將電流值回寫至流量積算儀。由于積算儀電流輸出通道是線性PWM輸出，4mA和20mA兩個(gè)點(diǎn)的電流值即可實(shí)現(xiàn)直流4mA～20mA的整個(gè)量程標(biāo)定。標(biāo)定之后，OCS控制器置流量積算儀電流輸出寄存器至固定電流輸出模式，分別令積算儀AO輸出4mA、8mA、12mA、16mA和20mA，并記錄OCS控制器AI所采集到的電流值[3]。

2.2 繼電器和頻率標(biāo)定

流量積算儀為了方便現(xiàn)場(chǎng)流量、溫度、壓力的閾值告警，多具備繼電器控制輸出功能，如圖3所示繼電器R1和繼電器R2，針對(duì)繼電器的吸合測(cè)試，可以將直流DC 24V連接繼電器的一端，另一端連接OCS的DI輸入端子，OCS通過(guò)485串口發(fā)送Modbus-RTU協(xié)議置繼電器R1和繼電器R2的標(biāo)志位，檢測(cè)OCS的DI狀態(tài)。繼電器斷開時(shí)，DI應(yīng)檢測(cè)到低電平；繼電器吸合時(shí)，DI應(yīng)檢測(cè)到高電平。這樣可以實(shí)現(xiàn)流量積算儀的繼電器DO測(cè)試功能。如圖3脈沖輸入型流量計(jì)連接示意圖所示，積算儀給所連接的流量計(jì)提供直流DC24V或直流DC12V的供電電壓，流量計(jì)的脈沖輸出一般為OC門集電極開路，根據(jù)測(cè)量瞬時(shí)流量的大小調(diào)整PWM輸出的頻率，流量積算儀F+和流量積算儀F-分別連接流量計(jì)的脈沖輸出正端子和負(fù)端子[4]。針對(duì)DC24V檢測(cè)可以直接接入OCS的DI輸入端子，由于DI檢測(cè)電壓輸入范圍9V～30V，DI的高電壓閾值為8V，DI的低電平閾值為3V。DC24V輸入時(shí)DI檢測(cè)為高電平，為了保證電壓幅值滿足24V，需要另外引一路進(jìn)行二分之一分壓處理，DC24V二分壓之后是DC12V也滿足OCS的DI檢測(cè)為高電平；如果DC12V電壓則直接輸入OCS的DI端子檢測(cè)為高電平，但是進(jìn)行二分壓之后的DI端子檢測(cè)為低電平。綜上所述，采用電壓一拖二輸入兩路OCS的DI端子的檢測(cè)方法，可以準(zhǔn)確地判斷出流量積算儀的頻率供電電壓幅值。針對(duì)脈動(dòng)輸入型流量計(jì)輸入F+端子和F-端子，將OCS的PWM輸出端子作為頻率信號(hào)源，OCS調(diào)整PWM的輸出頻率值，分別輸入0Hz、100Hz、200Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz、6000Hz和 8000Hz。此時(shí)流量積算儀的頻率實(shí)時(shí)采樣值隨著頻率源變化而變化，OCS通過(guò)485讀取對(duì)應(yīng)流量積算儀的頻率值，比對(duì)計(jì)算得出流量積算儀的頻率計(jì)量誤差，頻率的計(jì)量采樣誤差在±1Hz，在高頻部分采用固定時(shí)間間隔內(nèi)讀取脈沖個(gè)數(shù)的方法，在低頻部分采用計(jì)算相鄰脈沖時(shí)間間隔的方法[5]。

圖4 OCS控制器MJ串口接線圖Fig.4 OCS Controller MJ serial port wiring diagram

2.3 電流和熱電阻標(biāo)定

流量積算儀針對(duì)差壓輸入型流量計(jì)需要采集兩線制差壓變送器、兩線制壓力變送器和兩線制溫度變送器或三線制熱電阻RTD，如圖1流量積算儀的接線端子所示。Q24端子、P24端子和T24端子仍采用一路引入DI端子，另一路二分壓引入DI端子的方法，判斷直流DC24V的電壓幅值。Q+端子和Q-端子是流量差壓輸入，P+端子和P-端子是壓力輸入，T+端子和T-端子是溫度輸入。將OCS控制器的AO作為電流信號(hào)源，流量差壓輸入：AO0+端子連接Q+端子，AO0-端子連接Q-端子；壓力輸入：AO1+端子連接P+端子，AO1-端子連接P-端子；溫度輸入：AO2+端子連接T+端子，AO2-端子連接T-端子。OCS控制器依次控制AO0、AO1和AO2作為電流信號(hào)源輸出4mA和20mA，逐次標(biāo)定積算儀流量差壓4mA～20mA輸入、壓力4mA～20mA輸入和溫度4mA～20mA輸入，具體的操作過(guò)程類似上述的流量積算儀電流輸出標(biāo)定功能，完成標(biāo)定之后，分別控制OCS控制器調(diào)整AO輸出4mA、8mA、12mA、16mA和20mA完成3個(gè)電流輸入通道的計(jì)量精度測(cè)試。溫度輸入通道同時(shí)具有三線制RTD采集功能，即實(shí)現(xiàn)電流和熱電阻兼容輸入，標(biāo)定熱電阻輸入通道時(shí)，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)電阻箱分別置100Ω電阻和250Ω電阻，OCS發(fā)送指定進(jìn)行相應(yīng)采集的保存，完成標(biāo)定之后，進(jìn)行80Ω、100Ω、150Ω、200Ω和250Ω的計(jì)量精度測(cè)試[6]。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)報(bào)表

OCS控制器自身具有COM口和CAN口，流量積算儀自動(dòng)標(biāo)定測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用兩個(gè)串口，MJ1和MJ2物理接口安裝在一起，1端子和2端子分別對(duì)應(yīng)RS485A和RS485B，6端子是RS232串口的TXD、7端子是RS232串口的RXD、8端子是RS232串口的GND。RS232串口可以連接上位機(jī)或者工業(yè)觸摸屏HMI，針對(duì)圖1中流量積算儀的端子測(cè)試數(shù)據(jù)，如：直流DC 4mA～20mA輸出、直流DC 4mA～20mA輸入、頻率輸入、三線制熱電阻RTD輸入、繼電器輸出。OCS控制器通過(guò)RS485讀取實(shí)時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)輸出至上位機(jī)或HMI，進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)報(bào)表，便于流量積算儀的標(biāo)定溯源和計(jì)量誤差數(shù)據(jù)查看[7,8]。

4 結(jié)論

本文闡述了應(yīng)用OCS控制器實(shí)現(xiàn)流量積算儀的出廠自動(dòng)化標(biāo)定和計(jì)量性能測(cè)試。應(yīng)用OCS控制器的DI輸入測(cè)試積算儀繼電器輸出，二分壓之后DI輸入測(cè)試積算儀的直流DC24V和DC12V電壓，PWM頻率輸出測(cè)試積算儀的頻率輸入，AO輸出標(biāo)定并測(cè)試積算儀的電流輸入，AI輸入測(cè)試積算儀的電流輸出，OCS控制繼電器組合電阻箱輸入標(biāo)定和測(cè)試流量積算儀的熱電阻輸入。經(jīng)應(yīng)用測(cè)試，所研發(fā)的積算儀綜合標(biāo)定測(cè)試系統(tǒng)具有良好的顯示界面，方便用戶進(jìn)行交互式設(shè)置，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)讀取，可以穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)流量積算儀批量標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化，減少了現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)保證了測(cè)試的準(zhǔn)確性。