許 衛(wèi)，張 乾，毛 嵐

（長江科學(xué)院武漢長澳大地工程有限公司，武漢 430010）

940流量計(jì)在污水計(jì)量管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

許 衛(wèi)，張 乾，毛 嵐

（長江科學(xué)院武漢長澳大地工程有限公司，武漢 430010）

介紹了在易燃易爆場合下，如何通過網(wǎng)絡(luò)通信的方法解決中石化武漢分公司各車間污水遠(yuǎn)程計(jì)量和管理問題。系統(tǒng)采用940本安型流量計(jì)作為污水計(jì)量儀表，通過串口無源收發(fā)器實(shí)現(xiàn)將流量計(jì)信號(hào)遠(yuǎn)傳至車間，在車間配置端口服務(wù)器，使流量計(jì)具有了實(shí)時(shí)響應(yīng)、遠(yuǎn)程管理及數(shù)據(jù)訪問能力，通過廠級(jí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了有關(guān)管理部門對(duì)污水?dāng)?shù)據(jù)的采集、分析、保存以及在局域網(wǎng)內(nèi)發(fā)布等要求。敘述了系統(tǒng)的特點(diǎn)、組成，工作原理等，重點(diǎn)是基于MODBUS通信協(xié)議下無源隔離遠(yuǎn)傳的網(wǎng)絡(luò)通信。經(jīng)過2年來的實(shí)際運(yùn)行，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，得到了用戶的肯定和好評(píng)。

數(shù)據(jù)采集；Modbus ASCII協(xié)議；流量計(jì)

1 概 述

American Sigma 940流量計(jì)（圖1）是美國Sigma公司專為在危險(xiǎn)或潛在危險(xiǎn)環(huán)境下監(jiān)測(cè)廢水長期流量的儀表。American Sigma 940采用先進(jìn)的超聲波1 MHz多普勒傳感器，避免了信號(hào)失落，在低流量、滿管流、逆流條件下均能提供很高的精度，能自動(dòng)校正溫度對(duì)水位測(cè)量的影響，專利技術(shù)“水位降修正”可以糾正速度對(duì)水位測(cè)量的影響。

中石化武漢分公司一直采用American Sigma 940防爆面積流量計(jì)對(duì)各個(gè)車間污水流量計(jì)量，American Sigma 940每次自動(dòng)記錄水位和流速參數(shù)各1個(gè)，用戶在一定的時(shí)間內(nèi)使用便攜式計(jì)算機(jī)到流量計(jì)現(xiàn)場通過隨機(jī)配售的RS-232電纜完成數(shù)據(jù)的采集與保存。該流量計(jì)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存容量為：306 d（每15 min記錄2個(gè)水位和2個(gè)流速值，每周取一次數(shù)據(jù)），數(shù)據(jù)類型為水位和流速，儲(chǔ)存方式為先進(jìn)先出型或者存滿為止型，因此，用戶必須在一定的時(shí)間間隔內(nèi)去現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)。此種工作方式，用戶無法實(shí)時(shí)獲得數(shù)據(jù)，因此對(duì)數(shù)據(jù)的管理和數(shù)據(jù)的分析帶來了較大的困難。

圖1 940流量計(jì)Fig.1 940 Flow Meter

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)實(shí)際使用中的問題，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：

（1）在車間（安全地方）采用防爆本安電源變換器，將12 VDC直流電源，通過電纜傳送到現(xiàn)場流量計(jì)，以解決因數(shù)數(shù)據(jù)采集由間隔取數(shù)變?yōu)閷?shí)時(shí)取數(shù)引起的原蓄電池電能不足的問題。

（2）采用串口無源遠(yuǎn)程收發(fā)器實(shí)現(xiàn)將流量計(jì)的RS-232信號(hào)無源隔離遠(yuǎn)傳至車間（安全地方）?？紤]到防爆需要，傳輸信號(hào)通過RS232隔離安全柵進(jìn)入系統(tǒng)。

（3）在車間（安全地方）配置以太網(wǎng)轉(zhuǎn)RS-232端口服務(wù)器，將流量計(jì)的RS-232信號(hào)連接到工廠已有的以太網(wǎng)絡(luò)中，使連接到網(wǎng)絡(luò)中的RS-232設(shè)備具有了遠(yuǎn)程管理及數(shù)據(jù)訪問的能力。

（4）在廠相關(guān)管理部門配置一臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器和相應(yīng)的軟件（WINDOWS SERVER 2003、Microsoft SQL server 2000及應(yīng)用軟件），完成對(duì)流量計(jì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、顯示、分析和數(shù)據(jù)入庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。對(duì)于流量監(jiān)測(cè)采用B／S架構(gòu)，在服務(wù)器端采用WEB技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)、分析等功能。

（5）在廠安環(huán)處配置一臺(tái)管理計(jì)算機(jī)，安裝C／S架構(gòu)的流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理軟件（數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)，來自數(shù)據(jù)服務(wù)器），完成數(shù)據(jù)管理功能（備份、恢復(fù)、整理等）。有關(guān)車間辦公室或儀表操作室的管理計(jì)算機(jī)上，通過瀏覽器可以直接訪問流量監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，

數(shù)據(jù)傳輸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 American Sigma 940流量計(jì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸示意圖Fig.2 Data in site telecommunication transmission sketch by American Sigma 940 Flow Meter

3 通信協(xié)議及其實(shí)現(xiàn)

3.1 940通信協(xié)議

940流量計(jì)支持兩種通信協(xié)議：一種為其內(nèi)部自定義協(xié)議，能夠支持流量計(jì)安裝管道計(jì)算公式、通訊參數(shù)、采樣時(shí)間等設(shè)置，并具有歷史數(shù)據(jù)查詢等強(qiáng)大功能，但其并不對(duì)外公開；另一種協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)Modbus ASCII協(xié)議，直接通過RS-232通訊。Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言，通過此協(xié)議，控制器相互之間及控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其它設(shè)備之間可以通信。此協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的。它描述了控制器請(qǐng)求訪問其它設(shè)備的過程和如何回應(yīng)來自其它設(shè)備的請(qǐng)求，以及怎樣偵測(cè)錯(cuò)誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。

當(dāng)在Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時(shí)，此協(xié)議決定了每個(gè)控制器須要知道它們的設(shè)備地址，識(shí)別按地址發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動(dòng)。如果需要回應(yīng)，控制器將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出。在其它網(wǎng)絡(luò)上，包含了Modbus協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡(luò)上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)換也擴(kuò)展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)解決節(jié)地址、路由路徑及錯(cuò)誤檢測(cè)的方法。

為了能成功地使用Modebus ASCII協(xié)議與940流量計(jì)通信，通信參數(shù)必須設(shè)置成7位數(shù)據(jù)位、偶校驗(yàn)和一個(gè)停止位。波特率能夠使用940支持的所有波特率。除波特率外，其他的通信參數(shù)都不能改變。

940流量計(jì)只支持Modbus只讀功能，能讀取各通道和全部流量信息，但不能對(duì)流量計(jì)進(jìn)行參數(shù)配置和歷史數(shù)據(jù)查詢，所獲得的數(shù)據(jù)為最近一次采樣值，并在下次采樣之前保持不變。

在實(shí)際使用中，需要首先到現(xiàn)場使用原配設(shè)置軟件，根據(jù)安裝位置情況對(duì)每臺(tái)表進(jìn)行各種參數(shù)的初始設(shè)置，然后使用本系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)定時(shí)采集入庫，并進(jìn)行WEB發(fā)布。

940流量計(jì)包含有一個(gè)小型的通訊握手協(xié)議。當(dāng)流量計(jì)識(shí)別到一個(gè)外部的RS232數(shù)據(jù)源連接時(shí)，即外部的RS232數(shù)據(jù)源的DTR線為高電平時(shí)，940流量計(jì)將從休眠狀態(tài)喚醒，并發(fā)送字符“X”表示940流量計(jì)已經(jīng)準(zhǔn)備好可以通訊，并維持RS232硬件處于通信活動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）必須建立并保持DB9連接器（儀表的DSR）的DTR線為高電平。940流量計(jì)不支持RTS／CTS硬件握手協(xié)議。注意DTE必須設(shè)置為12 s的最大超時(shí)時(shí)間。

3.2 通信的實(shí)現(xiàn)

設(shè)置在廠信息中心的數(shù)據(jù)服務(wù)器軟件采用VC6.0開發(fā)，操作系統(tǒng)為Windows SERVER 2003，WEB發(fā)布使用IIS6.0，發(fā)布頁面使用ASP.net編寫。數(shù)據(jù)服務(wù)器通過廠內(nèi)局域網(wǎng)、以太網(wǎng)到RS-232端口服務(wù)器及串口無源遠(yuǎn)程收發(fā)器訪問940流量計(jì)的通信端口，通信采用Modbus ASCII協(xié)議，其中數(shù)據(jù)服務(wù)器為主機(jī)，940流量計(jì)為從機(jī)，通過主機(jī)定時(shí)對(duì)從機(jī)的污水?dāng)?shù)據(jù)采集、整理、入庫，實(shí)現(xiàn)了對(duì)全廠污水流量數(shù)據(jù)的采集和管理。數(shù)據(jù)服務(wù)器軟件由于需要采集20多臺(tái)儀表，并且一個(gè)串口對(duì)應(yīng)一臺(tái)流量計(jì)，為加快采集速度程序采用多線程技術(shù)進(jìn)行通信，一臺(tái)儀表對(duì)應(yīng)一個(gè)線程，多臺(tái)儀表同時(shí)采集。遇到通信故障采取3次重試方式，保證通信成功率。

在Modbus ASCII信息中所有數(shù)據(jù)地址，標(biāo)準(zhǔn)值都使用零。因而，寄存器0000表示的是一個(gè)在標(biāo)準(zhǔn)表示中40001寄存器的地址。由于功能代碼指定了寄存器的類型，因此，4XXXX就已經(jīng)暗示了它的類型。表1、表2中說明了940流量計(jì)的寄存器內(nèi)容①

表1 可讀的保持寄存器的通道地址Table 1 Channels’reading holding register addresses

表2 總流量可讀保持寄存器地址Table 2 Flow total reading holding register addresses

查詢命令遵循以下格式，即：

【開始】【從機(jī)地址】【功能碼】【開始高位地址】【開始低位地址】【數(shù)據(jù)量高位】【數(shù)據(jù)量低位】【LRC校驗(yàn)】【停止位】

例如，數(shù)據(jù)服務(wù)器要讀取940流量計(jì)的水位通道，則發(fā)出的查詢指令應(yīng)如表3所示。

表3 讀取水位通道信息查詢命令（例子）Table 3 Query to read level channel

在表3中，數(shù)據(jù)服務(wù)器通過查詢940流量計(jì)的只讀保持寄存器來查詢數(shù)據(jù)，保持寄存器的地址為4xxxx，從機(jī)號(hào)為01，從保持寄存器40 007～40 008中讀取的信息為水位信息，它使用2個(gè)寄存器來保存浮點(diǎn)類型的數(shù)據(jù)。注意寄存器是從地址0000開始存放數(shù)據(jù)的。

流量計(jì)在接收到查詢命令后，將按表4的格式返回水位數(shù)據(jù)。

表4 返回水位數(shù)據(jù)的信息Table 4 The information of return water level data

流量計(jì)回應(yīng)的信息中包含有從機(jī)（流量計(jì)即為從機(jī)）地址號(hào)和指令，這些信息表明了主機(jī)和940之間沒有通訊故障。字節(jié)數(shù)信息指明在數(shù)據(jù)段中將返回多少個(gè)8位的數(shù)據(jù)。在Modbus ASCII協(xié)議中，這是實(shí)際返回的ASCII信息字符數(shù)目的一半。40 007寄存器的內(nèi)容用2個(gè)16進(jìn)制字節(jié)00 00顯示，40008寄存器中則用2個(gè)16進(jìn)制字節(jié)41 70顯示。合起來，這些值就返回了940流量計(jì)中的水位信息，水位信息格式采用IEEE浮點(diǎn)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，每條命令都采用LRC校驗(yàn)保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

由于延時(shí)的問題，返回的數(shù)據(jù)信息可能在發(fā)出查詢命令12 s后才會(huì)響應(yīng)請(qǐng)求。因此我們?cè)谙到y(tǒng)中設(shè)計(jì)了一個(gè)12 s延時(shí)來適應(yīng)這個(gè)潛在的問題。就是流量計(jì)通過RS-232由給定的Modbus請(qǐng)求響應(yīng)時(shí)間。在實(shí)際使用過程中正常通訊時(shí)間一般在200 ms左右，為了加快查詢速度，可以根據(jù)實(shí)際情況在采集程序中調(diào)整通訊超時(shí)時(shí)間。

4 結(jié) 語

通過增加相應(yīng)的設(shè)備和必要的軟件，利用工廠已有的廠內(nèi)局域網(wǎng)，我們完成了現(xiàn)有流量計(jì)的相關(guān)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送等改造工作，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，并且將數(shù)據(jù)保存到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，達(dá)到了數(shù)據(jù)的共享，保證了相關(guān)管理部門對(duì)全廠污水?dāng)?shù)據(jù)的管理和分析。經(jīng)過2年的運(yùn)行，系統(tǒng)目前工作正常，獲得了該廠有關(guān)部門的肯定和好評(píng)。

［1］ GB／T 19582-2008，基于Modbus協(xié)議的工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)規(guī)范.［S］.

（編輯：趙衛(wèi)兵）

Application of 940 Flow Meter in Wastewater Measurement Management System

XUWei，ZHANG Qian，MAO Lan
（Wuhan Geo-Eng Yangtze Australia Co.Ltd，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The paper introduces the method concerning resolving the remote waste water measurement and management issues occurring in each workshop of China Petrochemical Co.Ltd Wuhan Branch through network communication.The 940 Intrinsically Safe Flow Meter is tomeasure thewastewater and the flow meter signal is transferred to theworkshops by serial passive transceiver.The flow meter possesses the function of real time response，remotemanagement and data access ability with installing the port server in workshops.Data acquisition，analysis，save and LAN inner release ofwastewater data could meet the requirements of the plant network system.The essay illustrates the features，structure，work principle of the system，and especially focusing on the passive isolation telemetering network communication based on MODBUS communication protocol.The system has been confirmed to be stable during the operation for two years and the system has achieved the good reputation from the clients.

data acquisition；Modbus ASCII；agreement；flow meter

TB937

A

1001-5485（2009）08-0080-04

2008-10-09；

2009-03-06

許 衛(wèi)（1957-），男，武漢市人，高級(jí)工程師，主要從事計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)及工業(yè)自動(dòng)化工作，（電話）13507187509（電子信箱）wuhanxu＠126.com。