计算机流量计量以及管理系统
2002-5-12

水力、火力发电厂、炼油厂及石油化工企业的原料和产品大部分都是气体和液体，其计量类别都归属于流量计量。大部分企业都建立了较完善的流量计量系统，一般是以各种标准气液计量仪表作为计量装置。但不少企业的计量数据采集，以及统计汇总仍处于人工处理状态，大体可以分为两种形式，一种是由人工定时到各个计量仪表安装地点抄记计量数据，然后进统计工定时到各个计量仪表安装地点抄记量数据，然后进统计汇总，另一种是建立了集中式计量管理中心，将二次仪表集中安装在计量管理中心，一次计分表信号通过电缆集中到计量管理中心同二次仪表相连，由人工定时读取二次仪表计量数据，然后进行统计汇总。这两种方法都存在费时费力，容易造成人为数据错误的缺点，特别是前一种方法，由于大部分热电厂、石油炼厂和石油化工企业的生产装置较多，其生产厂区规模大，装置分散，距离远，现场生产数据采集的工作量大。另外，目前企业在市场经济规律的环境下，要求能够快速及时的信息综合，并以此做正确的生产经营决策，企业信息网（Intranet）的建设日显重要，而生产数据的自动采集及汇总上网，是企业住处网建设中最基础和最重要的部分之一。因此，热电厂、石油炼厂及石油化工企业实现计量数据自动采集与管理，也是实现企业现代化管理所需要的。
1.计算机数据自动采集的实现及系统构成

目前，热电厂、石油化工生产企业内原料、产品以及其它生产控制参量的计量大部分是使用标准常规仪表，一般情况下，一次仪表输出信号为标准的4~20mA或1~5V模拟电信号，或者是标准的脉冲信号。一次仪表的输出信号可以经调理后使用计算机构成自动采集控制系统。其中，如果是模拟信号，要经过A/D转换后变为数字信号，而脉冲信号经整型后可直接使用。所使用的计算机系统可以用单片机构成，也可以使用工控机构成。工控机在系统构成简单、性能稳定、可采集的路数多、编程容易等方面，具有明显的优势。数据采集计算机要对输入信号进行实时采集，为保证数据计量的精度，要求足够高的采样频率，当输入数据路数较多时，没有时间同时完成数据计算和管理的任务。因此，数据采集与管理系统一般选用上下位机的结构，上位机负责数据采集及转换计算等任务，下位机负责计算、汇总统计、形成报表、显示打印以及将计量数据送往企业计算机网络等任务。上下位机采用通讯的方式传送数据，一般使用RS-232串行口由上位机将采集的数据传向下位机。实现这种方法时，必须将需要采集的一次表信号首先集中到数据采集计算机，即上位机。一种可行方法是将一次仪表信号通过屏蔽电缆集中到计量管理中心，在计量管理中心安置上位机和下位机。对于已经建立起计量管理中心的企业，只需用计算机数据采集系统替换下二次计量仪表。按照以上技术方案，我们为《中国水电城》三峡、葛州坝周边企业建立和实现了流量计量计算机管理系统，系统由上下位机构成，用于宜昌热电厂全厂蒸气输出和用户使用量计量。系统上位机负责对一次表数据进行累积和传送，下位机负责数据处理，上下位机各使用一台工控机。由于该厂的一次仪表输出信号都是脉冲信号，信号经放大整形处理后接入IPC-821PGL隔离板，然后送入IPC-821PGL数据采集板，下位机定时从采集板中取数据，并将数据传送到下位机进行计算统计。整个系统可对255路流量进行计量，能够对全厂成品设以分钟流量收率、班小时量、班量收率、日量收率、旬量收率、月量收率等形式进行报表显示和打印。系统的组成框图如图1所示。图示中的IPC-821PGL数据采集板在实际系统中直接插在上位机的母板上。系统的下位机除负责采集数据并送往上位机外，在上位机因某种原因不能接受数据时，还可以将采集的数据暂存储于本机中，直到上位机恢复正常工作。
2.计算机计量数据管理系统软件设计

计量数据管理系统完善的功能实现，良好的容错能力，友好的界面及易操作性，都要靠软件设计实现。根据目前企业生产数据的管理方式，计量数据管理系统应该完成包括：

数据采集及通讯；

数据计算统计；

报表形成及显示，包括分、时、班、日、旬、月报表；

报表打印；

计量回路最大最小流量设置；

各计量回路仪表系统、管道比重等常数设置；

数据修改后记录备查；

异常状态报警；

数据备份，数据恢复等基本功能。

为了使系统高效可靠地工作，数据采集及通讯一般选用某种高级编程语言为好，而其它功能的实现选用某种数据库语言更方便。我们在编程时分别选用了C语言和LFOX-PRO。除完成以上基本功能外，一个功能完善的系统还需要一些附加功能，包括设置各报表是否定时自动打印、许量回路序号修改、修改系统标准时间日期、计量公式及常数修正、机器时钟偏差自动调整、工艺流程图绘 制显示、趋势曲线绘制显示、仪表模拟等。另外，在生产实际中，可能需要添加或删除生产装置或产品类别以及添加或删除计量回路的功能，这种自适应式的工作方式，是当前先进计算机工业控制管理系统的突出优点。我们按照组态的方式实现了生产装置或产品类别以及计量回路的自由添减速，从而大大提高了系统的灵活性，减少了系统维护运行的工作量和费用。

蒸汽计量管理系统特点

（1）高可靠性的开放系统: 该系统为分布式计量管理系统。用户点数（即一、二次仪表）是增减的任意的，不受仪表台数、距离远近限制。用户通过方便灵活的组态就可以实现。（注：本套方案按最小系统配置为16用户）。用户变送单元的故障不会殃及整个系统，只对局部当时的数据有影响。用户管理计算机主机的故障也不会破坏、丢失原始数据，只要排除故障恢复正常就对整个系统无影响。

（2）适用面广、社会经济效益显著：本系统适用于压缩空气、饱和蒸汽、过热蒸汽。冷却水、工厂电网电量以及质量流量、体积流量等系统的能源计量管理，能对整个能源网的负荷实行统一计量、统一管理、统一调度，保证能源系统安全、经济运行，使用有限的能源发挥更好的社会效益，大大提高和降低了在过程控制中的损耗问题。 （3）设计合理、价格便宜：本系统在设计上，充分考虑与用户现有仪器设备的兼容问题。用户现有的流量、压力、温度变送器单元，均可保留继续使用。改造、安装均很方便，投入费用也相当低。

（4）自动化程序高 ： 人是最不稳定和可靠的因素，采用本系统后，可以彻底抛弃几十年沿袭下来的人工抄表，人工统计，能耗手工分摊的落后工作方式。全部由计算机自动完成。并能按内容自动生成各种生产和财务报表，自动化程度很高。 （5）缩短办公与现场的距离: 采用大屏幕数字显示之后，职能主管部门可以实时了解各用汽点的能源使用情况，以便进行监测、比较、决策，调整控制方案，确保生产安全可靠，提高产品质量，产生良好的经济效益。

系统软件、硬件

（1）本系统软件部分由网络通讯、远程监控软件、热网系统管理操作软件组成。该系统硬件部分由PC、现场多点数据采集器、智能通讯装置、一起组合成一套计量、记录、显示、远程操作的监控系统，并可提供主机冗余，从而增强了系统可靠性。可运行于WIN98/ME/2000/NT系统平台上。

（2）PC与监控软件主要实现网络管理功能，用于监视和管理现场设备装置。网络通讯热网管理操作软件是数据转换、数据运算的人机界面功能，同时也是动态数据交换，它是通过数据采集器收集分布系统中各现场装置的实时数据，真正32位应用系统，精度比一般的8位或16位单片机高的多。采样频率：10HZ、45KS/S采样率。采用以太网或远程控制软件可以远距离操纵计算机。

（3）系统软件中增加了设备配置对话栏，用户只需要按照对话栏的提示就可以完成终端设备的配置工作。在系统运行的过程中，软件通过内嵌的设备管理程序负责与终端设备的实时数据交换。并在实时画图中显示配置的终端设备，用户可以随时查询和修改。（注：本套方案按最小系统配置为16个用户）

（4）系统数据报表既能反映生产过程中的数据、状态等，并对数据进行记录的一种重要形式。是生产过程必不可少的一个部分。它既能反应系统实时的生产情况，也能对长期的生产过程进行统计、分析，使管理人员能够实时掌握和分析生产情况。软件中提供内嵌式报表系统，工程人员提供了丰富的报表函数，实现各种运算、数据转换、统计分析、报表打印等。既可以制作实时报表，也可以制作历史报表。

（5）趋势曲线系統趋势分析是控制软件必不可少的功能，本软件对该功能提供了强有力的支持和简单的控制方法。趋热曲线有实时趋势曲线和历史趋势曲线两种。趋势曲线的外形类似于坐标纸，X轴代表时间，Y轴代表变量值。主要用于观察变量的变化趋势。对于实时趋势曲线最多可显示四条曲线；而历史趋势曲线最多可显示八条曲线，而一个画面中可定义数量不限的趋势曲线（实时趋势曲线或历史趋势曲线）。在趋势曲线中工程人员可以规定时间间距，数据的数值范围。软件运行时，实时趋势曲线可以自动卷动，以快速反映变量随时间的变化。历史趋势曲线并不自动卷动，它一般与功能按钮一起工作，共同完成历史数据的查看工作。这些按钮可以完成翻页、设定时间参数、启动/停止记录等复杂的功能。

（6）报警系統　运行报警和事件记录是控制软件必不可少的功能，当变量的数值或数值的变化异常时，将产生报警，以便操作者采取必要的措施。本软件中提供强有力的报警和事件系统，并且操作方法简单。报警和事件主要包括变量报警事件、操作事件、用户登录事件和工作站事件。通过这些报警和事件，用户可以方便地监视和查看系统的报警、操作和各个工作站的运行情况。当报警和事件发生时，系统软件把这些事件存于内存中的缓冲区中，报警和事件在缓冲区中是以先进先出的队列形式存储，所以只有最近的报警和事件在内存中。当缓冲区达到一定数目或记录定时时间到时，系统自动将报警和事件信息写到报警存储文件或数据库中（请注意：要先定义是否存储到文件、数据库或直接输出到打印）。报警和事件在报警窗中会按照设置的过滤条件实时显示出来。

（7）SQL访问功能是为了实现系统和其他ODBC数据库之间的数据传输。它为用户提供了方便的数据访问功能，而无需掌握结构化查询语言SQL语言。SQL访问管理器用来建立数据库和系统变量之间的联系。通过表格模板在数据库中创建表格，表格模板信息存储在SQL.DEF文件中；通过记录体建立数据库表格和系统之间的联系，允许系统通过记录体直接操纵数据库中的数据。这种联系存储在BNID.DEF文件中。

（8）软件升级方便更新周期短 随着本公司组态软件的不断更新，用户可不断更新更全、功能强大的组态软件。
（9）一次仪表旋涡流量计是通过测试流量管道中旋涡发生体所产生的旋涡速率来对过程流体进行流量测试的。它有二种类型：流量计和转换器成一体的组合型；流量计远离转换器的分离型。后一种主要检测传感器不能接近的场合或用来测量高温流体、气体和蒸汽的流量。这二种传换器均可输出4～20mA DC的二进制信号（或电压脉冲，三线制）的信号给二次智能仪表或数据采集卡(I/O)模拟量模块再发送上位机。

一次元件（涡街流量计） 一次元件（温度传感器）
基本技术规格：

通径: 15，25，40，50，80，100，150，200，250，300 mm
精确度: 指示值的 ±1.0 %
重复性: 0.2 %
流体温度: - 40 ~ + 300 ℃ ( 一般型 )， - 40 ~ + 400 ℃ ( 高温型 )，
环境温度: - 40 ~ + 80 ℃
电源电压: 20 ~ 42 V DC
流体压力: - 0.1 ~ 4 Mpa
输出信号: 4 ~ 20 mA ( 模拟 ) 二线制，电压脉冲，三线制。
通信: BRAIN 或 HART 通信
可选择隔爆型和本安型。
基本性能：

精确度: 液体 : ±1 %
气体或蒸汽: ±1 % ( 流速 35 m / s 以内 ) ;
±1.5 % ( 流速在 35 ~ 75 m / s 范围以内 )。
重复性: 0.2 % ( 15 ~ 150 mm 口径 )
精确度的 1/3 ( 200mm , 250mm , 300mm 口径 )
主要技术指标：
测量介质：液体、气体、蒸汽（不能测量多相流和高粘度流体）
精度范围：液体：指示值的±1.0％
气体：指示值的±1.0％ （速度为35m/s以下）
蒸汽：指示值的±1.0％ （速度为35m/s～80m/s）
注：以上为脉冲输出的精度，如为模拟输出时，则在上述的各值上加上满刻度值±0.1％（本安型的则加上± 0.2％）
重复型：指示的值的0.2％
流体温度：－40～＋300℃
如果流体温度高于300℃，建议使用高温型（HTTP：400℃）
如果流体温度低于－40℃，建议使用低温型（LPT：－200℃）
流体压力：－1kgf/cm2（－0.1Mpa）～法兰额定值
环境温度：－40～＋80℃

* NEPSI
/NF1：－40～＋60℃
/NF1：组合型：－40～＋50℃
分离型：转换器：－40～＋50℃
传感器：－40～＋80℃
环境湿度：相对湿度5％～100％（无凝露）
电源电压和负载要求：
模拟输出：20～40V DC（在250Ω时）
脉冲输出：14～30V DC（输入电源电压Vs）
最大线路电容：0.22μF（如果输出频率大于2.5kHz时为0.1μF）
最大导线电阻：50Ω
输出信号（转换器）
模拟：4～20mA DC，二进制（延迟0.5秒）
脉冲：电压脉冲，三进制（延迟0.5秒）
低电平：0～2V
高电平：Vs～Vd（Vs输入电源电压，Vd电压降）
占空比：50％（最大－1～2或2～1）
通信信号：FOUNDATION现场总线，BRAIN或HART通信信号（叠加在4～20mA DC的模拟信号上）
通信条件：负载电阻：250～600Ω（包括电缆电阻）
* BRAIN通信：范围：2KM（本安型800M）
负载电容：0.22μF最大
最大负载电感：3.3mll
* HART通信
通信条件：
电源：一般型和防爆型：16.4～42V DC
最小电缆尺寸：24AWG（直径0.51mm）
电缆类型：有外套屏蔽的当绞或多绞的屏蔽电缆
双绞电缆最大长度：3048m（10000ft）
多绞电缆最大长度：1524（5000ft）
* BRAIN和HART
通信电缆距电源线的间距必须大于15cm，且避免平行布线。
接受仪表的输入阻抗：输入阻抗10KΩ以上（在2.4kHz时）
时间常数：4Sec（带模拟输出）
安装：流量计可水平、垂直或任意角度安装。如果是测量液体的，则管道中应充满液体。
旋涡流量传感器：法兰安装或依靠管道附近的法兰加持安装。
旋涡流量转换器（分离型转换器）：50mm管子安装。
接线口：JIS G1/2内螺纹或ANSI1/2内螺纹
阻泥调节：可设定0，2，4，8，32，或64秒。
信号电缆：用于连接分离型流量计与转换器。
远程重调功能：流量指示表头上的积算值可重调。
压力损失：测量水时，流速10m/s时，△P=1.1kgf/cm2。测量常压空气时，流速为80m/s
时，ΔP=910mmH2O
ΔP=1.1×10-5×Pf×V2
ΔP=1.377×Pf×（Q/D4）
其中：ΔP：压力损失
Pf：在使用条件下的介质密度
V：流速
Q：实际流量
D：内径
其他校准功能：雷诺数校准，领近管道影响的校准，气体膨胀系数的校准。
* 气穴：
需确认管路中的压力足够高，以致不会产生气穴。可以用公式：P=2.7·ΔP＋1.3·P0 。其中P：管道压力指流量计下游壳体内径的2~7倍处的表面压力（㎏f/㎝2）ΔP：压力损失（㎏f/㎝2）P0 ：在使用温度下液体的饱和蒸汽压力。

（10）温度、压力传感器分别选用SBW-2480，EJA-430A主要是测试管道中的温度压力。作为对蒸汽计算质量流量（M）的补偿值（T、P），输出信号为4~20mA DC、二进制。

(11)智能仪表主要技术指标：

准确度：
0.1级
测量范围：
流量：
压力0.0-7.0Mpa，温度0℃-460℃，差压任意，频率：0-37768Hz

电量：
模拟量输入：任意，频率：0-37768Hz
检测速度：
每秒刷新一次
显示方式：
交换式显示
显示内容：
自动按编程后的计量方式进行
报警方式：
上、下限指示灯报警和开关量（OC）输出触点
定值控制：
定值量控制功能，带开关量输出触点
处罚功能：
通过参数设定，能自动实行补足量和超额量的处罚功能。
通讯功能：
标准RS-485接口、RS-232
掉电保护：
断电一年，RAM数据不丢失，UPS不间断电源
工作环境：
温度：0℃-＋50℃，湿度：＜95％RH （指仪表、工控计算机）
电源：
AC220V±10％ 50HZ±5％
波特率:
300 ~ 9600bps

主要运算模型：
a 电量计量系统的运算模型：
F = K × F
式中：F为功率，K为系数，F为频率量；
F = I × U
式中：I为变送单元送来的有效电流量，U为相对应的有效电压；
F = I × U × cosφ
式中：I，U为直接变送的有效值，cosφ为功率因素；
H = ∑F × △T
式中：H为电度量，△T为时间间隔。
b 流量计量系统的运算模型：
M = K √△P×ρ
M = ρ× f / ζ
M = K2 × ζ × △P / f2
M = K × △P
M = K × √△P
Q = K × √△P × P
h = M × μ
式中：ρ=常数 或 ρ= f（P，T） 查表后插值得到；
μ=常数 或 μ=g（P，T） 查表后插值得到；
式（1）到式（5）为质量计量方式，K为流量系数，△P为差压信号，ρ为密度，f为频率或脉冲量，ζ为每升所含的脉冲数，P为压力，T为温度。式（6）为体积计量方式，变量同上。式（7）为热量计量方式，μ为热焓，ρ和μ均可以编程得到，也可以通过P，T的值，查表后经过平面插值得到。

通讯接口
智能仪表采用国际上流行的标准串行接口RS-485，作为与上位机之间的通讯接口。经特殊处理，其最大有效距离可达12公里，短距离（小于己于1200米）采用双绞线传输，
a. 通讯格式：字符格为11位，一个起始位，一个控制位，八个数据位，一个停止位
b. 校验方式：CRC软件法，误码率为10-7
c. 通信约定发送格式：全部采用原码传送，主机发送格式为：
“H”的ASC-II
地址码
命令字（共有OCOH-OC8H，9个命令）
或“C”的ASC-II，后面跟秒，分，时，日，月，年，表校验码，实现计算机与仪表同步功能。
d. 通讯地址：通过对仪表通讯地址设定，网络可接256台智能仪表，超出部分要通过软件修改来扩充。

3、安装注意事项：
* 管道支架：如果管道中有震动，则应加支架。
* 安装方向：如果管道中充满液体，且雷诺数大于2×104，则管道可作垂直或任意角度安装。
* 相邻管道：建议使用管壁耐压Sch40 系列管道。如使用Sch10或Sch80系列管道可以用管道校正系数来校正。
* 阀门的位置和直管段长度：
a. 一般情况下，把流量计安装在阀门的上游。

b. 把阀门安装在流量计的上游：对于使用活塞式或罗次式鼓风机，压缩机的空气管道或使用活塞、立柱式的泵的高压液体管（大于10㎏/cm2）,可能产生液体振动，在这种情况下可将把阀门安装在流量计的上游。
c.外从安装角度看，因不可避免的原因，在流量计的上游应安装节流圈，膨胀段等减压装置。

d.活塞式或立柱式泵：将储罐安装在流量计的上游以减少流体振动。
* 流体振动强度和会出现的误差：当管道中流体发生振动时，因考虑到流速波动。
* ①流速波动率ΔV/V<20﹪, 可测量，误差小于-1﹪。
* ②流速波动率ΔV/V>40﹪，由于干扰强烈，不能测量。
* ③流速波动率ΔV/V<20﹪且V<40﹪，最大误差在-10%左右。（V：管道中流体的平均速度ΔV：流速波动率的强度）
* 管道和直段长度：如果在管道上游有一段弯管接头，那么在流量计上游至少配置20D的直管，下游为5D的直管。
* 缩、扩径管和直管长度：流量计的上游应保证10D的直管长度。下游应保证5D的直管长度。
* 测压点：取在流量计下游2D~7D间。
* 测温点：取在测压点下游1D~2D间。
* 由于T型管道引起的脉动压力时，要在流量计的上游安一个阀。
* 管道的清洗：对新安装的管道和维修过的管道，在运行前必须清洗管道，冲洗时让冲洗液从旁道流过，以免损坏流量计。
* 如果流体回结晶，并结成硬质，则也要清洗测量管和发生体杆。
* 在测量含有粘性物质的介质时，粘性物质会粘在测量管和发生体杆上，必须冲洗干净。
* 当输送高温流体的管道是隔热的时候，不要把隔热材料裹在转换器支架周围。
* 垫片：
为保证流量计读数的精确度，在安装时，应避免将垫片突出在管道内。即使流量计是夹持型的，也要使用带螺栓的垫片。当使用带螺栓的垫片时，要确认垫片的制造商急尺寸，因为对某些发兰等级，无标准件可用。

3.结束语

此计算机流量计量及管理系统建成后，已经使用了两年后，运行结果表明，系统工作稳定可靠，功能完善。由于做到了全厂计量数据实时采集、准确性，提高了工作效率和管理水平，企业及时了解生产情况和运行状态，以此做出正确的生产经营决策提供了可靠基础。