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    1. <pre id="zbc4s"></pre>

      質量流量計

      科里奧利質量流量計通信接口軟硬件的設計方法

      高準科氏質量流量計除了提供傳統的4~20 mA模擬信號和脈沖信號輸出接口外,還可提供HART、Modbus、FOUNDATIONTMFieldbus、Profibus-PA等數字信號通信接口。該文簡要介紹了高準科里奧利質量流量計的通信接口,分析了Modbus(RTU/ASCII)、HART協議及其消息幀格式,詳細介紹了通過Bell202接口實現HART通信協議的軟硬件設計方法,以及通過RS485接口實現Mobdus、HART通信協議的軟硬件設計方法。

        質量流量計,電磁流量計,靶式流量計

      1977年科氏質量流量計首次推出,確立了液體質量流量測量的新標準,它是第以個提供直接、精卻、在線的質量流量測量的儀表。高準科氏質量流量計以其性能可靠、準確度高、多參數測量、具有多種通信接口等優點,且在一定條件下不受溫度、壓力、黏度、密度的影響,作為過程或貿易結算儀表,已在石油化工、制藥、食品等企業大量使用。目前已在全球銷售了超過50萬臺高準科氏流量計,其銷售量超過了競爭對手的總和。

      高準科氏質量流量計除了提供傳統的4~20mA模擬信號和脈沖信號輸出接口外,還提供了多種數字信號接口[1](HART,Modbus, Profibus, Devi-ceNe,t FOUNDATIONTMFieldbus,W irelessHART)。數字信號輸出的優勢在于:

      ①可以同時輸出很多信息,高準科氏質量流量計提供了瞬時流量、總量、溫度、密度、過程參數、設備組態、校準、診斷等信息,便于計算機監控、管理和維護;

      ②可以隨時修改流量系數、壓力修正系數等參數;

      ③沒有信號傳輸誤差;

      ④雙向傳輸信息。

      下面主要介紹高準科氏質量流量計的數字信號接口及通信軟件設計。

      1 信號輸出接口

      高準科氏質量流量計的標準配置提供4種方式的輸出信號接口(也可根據需要配置Profibus、Devi-ceNet、Foundation),用戶可以根據自己的需要采用一種或多種:

      1路傳統4~20 mA模擬信號和1路脈沖信號輸出接口,其檢測輸出的信號是一個單一的值,不能滿足多信號輸出的要求;

      ②基于標準HART協議(4~20 mA模擬信號輸出接口作為物理層)的數字信號輸出,可以同時傳輸多個信號(瞬時流量、總量、溫度、密度等);

      ③以RS485作為物理層基于HART協議的數字信號輸出,可以同時傳輸多個信號;

      ④以RS485作為物理層的Modbus協議數字信號輸出,可以同時傳輸多個信號,分為RTUASCII方式。

      由于傳統的4~20 mA模擬信號和脈沖信號輸出接口使用比較簡單,在這里不作介紹。下面主要介紹基于Modbus協議和HART協議的3種數字通信方式。

      2 基于RS485接口的M odbus協議通信軟硬件設計

      2. 1 M odbus協議簡介[2]

      Modbus協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議,控制器相互之間、控制器經由網絡(例如以太網)和其他設備之間可以通信。它已經成為一通用工業標準??刂破魍ㄐ攀褂弥鲝募夹g,即僅一設備(主設備)能初始化傳輸(查詢)。其他設備(從設備)根據主設備查詢提供的數據作出相應反應。主設備可單獨和從設備通信,也能以廣播方式和所有從設備通信。如果單獨通信,從設備返回一消息作為回應,如果是以廣播方式查詢的,則不作任何回應(見圖1)??刂破骺梢栽O置為兩種傳輸模式(ASCIIRTU)中的任何一種在標準的Modbus網絡通信。

      (1)ASCII模式

      1ASCII消息幀。使用ASCII模式,消息以冒號(: )字符(ASCII3AH)開始,以回車換行符結束(ASCII碼為0DH, 0AH)。其他域可以使用的傳輸字符是十六進制的0~9,A~F。網絡上的設備不斷偵測“:”字符,當有一個冒號接收到時,每個設備都解碼下個域(地址域)來判斷是否發給自己的。

      2RTU消息幀。使用RTU模式,消息發送至少要以3. 5個字符時間的停頓間隔開始。在網絡波特率下多樣的字符時間,這是容易實現的(如表2中的T1-T2-T3-T4所示)。傳輸的第一個域是設備地址??梢允褂玫膫鬏斪址鞘M制的0~9,A~F。網絡設備不斷偵測網絡總線,包括停頓間隔時間內。當第一個域(地址域)接收到,每個設備都進行解碼以判斷是否發往自己的。在后一個傳輸字符之后,一個至少3. 5個字符時間的停頓標定了消息的結束。一個新的消息可在此停頓后開始。

      2.2 硬件連接

      根據RS485電氣規定,在兩線制傳輸方式下,RS485驅動器可帶32個接收器,實現多點半雙工通信,波特率9 600 bps時通信距離可達1 200 m。如圖2所示, PC機通過RS232接口,RS232/RS485轉換模塊與多臺流量計儀表相連接,一條總線上多可接32,每臺儀表被賦予各自的通信地址碼用以識別身份,這樣上位PC機能通過RS485總線對掛在總線上的每個儀表進行通信。實現對流量計的遠程數據采集與監控。

      2.3 通信參數設置[4,5]

      (1)流量計通信參數設置

      流量計需要設置的通信參數為:地址、通信波特率、奇偶校驗、數據位數、停止位位數、通信協議(ASCII/RTU/HART)。

      高準科氏質量流量計的出廠默認設置為: 9600,odd, 8, 1,RTU,地址為1。

      RS485網絡中的所有流量計的通信波特率、奇偶校驗、數據位數、停止位位數、通信協議的設置必須相同。參數設置方法:①流量計鍵盤(旋鈕);②專用軟件Prolink II[3];③手持終端;④第三方軟件(組態軟件);⑤自編軟件。

      如果采用自編軟件進行參數設置,由于流量計的默認地址都為1,所以可以通過廣播方式統一對所有的流量計進行相同的參數設置(地址除外)。然后對流量計地址進行單個設置(相互連線必須斷開)。

      (2)上位機通信參數設置

      計算機的通信波特率、奇偶校驗、數據位數、停止位位數、通信協議必須與流量計一致。端口號:即串口號,按照與上位機實際連接通信端口設置。常見的微機標準配置COM1COM2,其他的端口號則是由PCIUSB接口轉換來的。

      2.4 軟件設計

      下面以讀取高準科氏質量流量計的瞬時質量流量、密度、溫度、瞬時體積流量、壓力、累計質量流量、累積體積流量等7個參數為例。高準科氏質量流量計上述7個參數的寄存器地址映射關系[3]如表3所示,瞬時質量流量、密度、溫度、瞬時體積流量、壓力、累計質量流量、累積體積流量等7個參數分別映射到地址為247~262之間7個寄存器對(8個寄存器對,其中1個寄存器對沒有定義,每個浮點數占用2個寄存器, 1個寄存器為2個字節,地址按寄存器編址)。Modbus協議中的寄存器和線圈地址從0開始,而設備說明書中通常從1開始,編程時地址應減1。

      每個浮點參數為4字節IEEE574標準浮點數(占用2個寄存器)。浮點數的4個字節排列順序與寄存器521有關,如表4所示,寄存器521默認值為1,對應的順序為2-3-0-1(IEEE574標準的順序為0-1-2-3),可以通過改變寄存器521的值來改變順序。

      按照消息幀的格式要求進行編碼,采用3號功能連續讀取16個寄存器。編碼后的數據幀通過串口發送給流量計,流量計接收到查詢信息后,返回相應的回應數據幀,計算機接收到回應數據幀后,進行解碼。圖3是串口通信流程圖。

      3 基于Bell 202接口的HART協議通信軟硬件設

      3. 1 HART協議簡介[6]

      HART(Highway Addressable Remote Transduc-er),可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協議,是美國Rosemen公司于1985年推出的一種用于現場智能儀表和控制室設備之間的通信協議。通過HART協議通信可以訪問測量、過程參數、設備組態、校準、診斷等信息,也可以進行參數修改。HART協議參考ISO/OSI(開放系統互連模型),采用了它的簡化三層模型結構,如表5所示。

      第一層為物理層。標準的HART協議規定了信號的傳輸方法、傳輸介質,為了實現模擬通信和數字通信同時進行而又互不干擾,HART協議采用頻移鍵控技術FSK,即在4~20 mA模擬信號上疊加一個頻率信號,頻率信號采用Bell202國際標準,數字信號的傳送波特率設定為1 200 bps, 1 200 Hz代表邏輯“0, 2 200 Hz代表邏輯“1,信號幅值0. 5A,由于FSK信號的平均值為0,不影響傳送給控制系統模擬信號的大小,保證了與現有模擬系統的兼容性。

      通信介質的選擇視傳輸距離長短而定。通常采用雙絞同軸電纜作為傳輸介質時,大傳輸距離可達到1 500 m。線路總阻抗應在230~1 100Ω之間。

      第二層為數據鏈路層。規定了HART協議的數據幀格式,實現建立、維護、終結鏈路通信功能。HART協議根據冗余檢錯碼信息,采用自動重復請求發送機制,消除由于線路噪音或其他干擾引起的數據通信出錯,實現通信數據無差錯傳送?,F場儀表要執行HART指令,操作數必須合乎指定的大小。由于數據的有無和長短并不恒定,所以HART數據的長度也是不一樣的,長的HART數據包含25個字節。表6所示是HART協議的數據幀格式。

      第七層為應用層。為HART命令集,用于實現HART指令。命令分為3,即通用命令、普通命令和專用命令。

      3.2 硬件連接

      HART通信采用的是半雙工主從的通信方式,只有在主站呼叫時,現場設備(從站)才傳送信息。在一個HART網絡中,兩個主站(主和副)可以與多個從設備通信,如圖4所示。副主站,如手持終端,幾乎可以連接在網絡任何地方,不影響主站通信的情況下與任何一個現場設備通信。

      HART通信可以采用單從設備和多從設備兩種方式通信。采用單從設備模式時,主變量(過程變量)可以以模擬形式輸出,也可以以數字通信方式讀出,以數字方式讀出時,輪詢地址始終為0,也就是說,單站模式時數字信號和4~20 mA模擬信號同時有效;采用多從設備模式時, 4~20 mA的模擬輸出信號不再有效(輸出設在4 mA使功耗),

      系統以數字通信方式依次讀取并聯到一對傳輸線上的多臺現場儀表的數據,如圖4所示。

      3.3 通信參數設置

      (1)流量計通信參數設置

      由于HART協議規定了固定的通信參數, 1200(波特率)、O(奇校驗)、8(數據位)、1(停止位),所以對于流量計的通信參數已經默認,不需要設置。

      (2)上位機通信參數設置

      設置為1200、O、8、1,還必須根據與上位機的連接端口設置相應的端口號。

      3.4 軟件設計

      下面以讀取高準科氏質量流量計的數據為例。

      (1)利用0號命令讀儀器輪詢地址(儀器標識)

      利用0號命令通過輪詢(pollnum)查詢變送器的地址,其目的是為后續通信程序提供變送器地址值。除了0號命令以外,其余命令都要用到變送器地址。

      編碼發送命令的數據幀

      ①序文: 5個全1字節;

      ②起始字符: 02,采用短幀格式時,主機給儀器信息的起始字符;

      ③地址:XX,輪詢地址;

      ④命令字: 00,讀儀器標識命令;

      ⑤字節數: 00,后邊沒有數據;

      ⑥追加校驗和:采用異或邏輯運算求校驗和,追加在字節數后,形成完整命令。

      按異步串行通信方式發送命令并接收儀器應答的信息,對應答的信息進行解碼獲取儀器標識解碼。0號命令儀器應答的信息格式如表7所示:12個字節數據,其中Byte[1](出廠號)、Byte[2](設備類型)、Byte[9][10][11](設備標識號)5個字節構成獨一無二的儀器標識作為輪詢地址。以后再讀取變送器的其他數據時,不需要再查詢變送器的址。

      (2)讀儀器數據

      可以通過1號、2號、3號、33號等命令讀取流量計的數據,下面以33命令為例。編碼發送命令的數據幀

      ①序文: 5個全1字節

      ②起始字符: 130,采用長幀格式時,主機給儀器信息的起始字符;

      ③地址:0號命令查詢到的設備地址(儀器標識符);

      ④命令字: 33,讀儀器數據命令;

      ⑤字節數: 04;

      ⑥數據: 01020304,分別為瞬時質量流量、累計質量流量、溫度、液體4個變量的代碼,用于讀取變送器中這4個變量值;

      ⑦校驗和:采用異或邏輯運算求校驗和,追加在字節數后,形成完整命令。

      按異步串行通信方式發送命令并接收儀器應答的信息,對應答的信息進行解碼獲取4個變量值。應答的信息如表8所示,24個字節,其中:Byte[0]~Byte[5]分別為瞬時質量流量的變量代碼(1字節)、單位代碼(1字節)、數據(4字節IEEE754浮點數);

      Byte[6]~Byte[11]分別為累計質量流量的變量代碼(1字節)、單位代碼(1字節)、數據(4字節IEEE754浮點數);

      Byte[12]~Byte[17]分別為溫度的變量代碼(1字節)、單位代碼(1字節)、數據(4字節IEEE754浮點數);

      Byte[18]~Byte[23]分別為密度的變量代碼(1字節)、單位代碼(1字節)、數據(4字節IEEE754浮點數)。

      4 基于RS485HART協議通信軟硬件設計

      標準的HART協議的物理層采用Bell 202 FSK作為物理層,基于RS485HART協議是對標準HART協議的拓展,它采用RS485作為物理層,數據鏈路層(協議規則)和應用層(命令)與標準HART協議相同。高準科氏質量流量計支持基于RS485HART協議。

      由于物理層采用RS485,硬件連接(如圖2)、通信設置同上文所述的“基于RS485接口的Modbus協議”。

      由于數據鏈路層(協議規則)和應用層(命令)與標準HART協議相同,軟件設計同上文所述的“基于Bell202接口的HART協議”。

      高準科氏質量流量計除了提供傳統的4~20mA模擬信號和脈沖信號輸出接口外,還提供了HART、Modbus、Profibus、DeviceNet、FOUNDATIONTMFieldbus、W irelessHART等多種數字信號接口。通過通信接口,高準科氏質量流量計提供了瞬時流量、總量、溫度、密度、過程參數、設備組態、校準、診斷信息等信息,可以隨時在線修改流量系數、壓力修正系數等參數,便于計算機監控、管理和維護。

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