許 衛(wèi)，張 乾，毛 嵐

（長江科學院武漢長澳大地工程有限公司，武漢 430010）

940流量計在污水計量管理系統(tǒng)中的應用

許 衛(wèi)，張 乾，毛 嵐

（長江科學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程計量和管理問題。系統(tǒng)采用940本安型流量計作為污水計量儀表，通過串口無源收發(fā)器實現(xiàn)將流量計信號遠傳至車間，在車間配置端口服務器，使流量計具有了實時響應、遠程管理及數(shù)據(jù)訪問能力，通過廠級網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)了有關(guān)管理部門對污水數(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、組成，工作原理等，重點是基于MODBUS通信協(xié)議下無源隔離遠傳的網(wǎng)絡(luò)通信。經(jīng)過2年來的實際運行，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，得到了用戶的肯定和好評。

數(shù)據(jù)采集；Modbus ASCII協(xié)議；流量計

1 概 述

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

中石化武漢分公司一直采用American Sigma 940防爆面積流量計對各個車間污水流量計量，American Sigma 940每次自動記錄水位和流速參數(shù)各1個，用戶在一定的時間內(nèi)使用便攜式計算機到流量計現(xiàn)場通過隨機配售的RS-232電纜完成數(shù)據(jù)的采集與保存。該流量計的數(shù)據(jù)儲存容量為：306 d（每15 min記錄2個水位和2個流速值，每周取一次數(shù)據(jù)），數(shù)據(jù)類型為水位和流速，儲存方式為先進先出型或者存滿為止型，因此，用戶必須在一定的時間間隔內(nèi)去現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)。此種工作方式，用戶無法實時獲得數(shù)據(jù)，因此對數(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Fig.1 940 Flow Meter

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對實際使用中的問題，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如下：

（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，以解決因數(shù)數(shù)據(jù)采集由間隔取數(shù)變?yōu)閷崟r取數(shù)引起的原蓄電池電能不足的問題。

（2）采用串口無源遠程收發(fā)器實現(xiàn)將流量計的RS-232信號無源隔離遠傳至車間（安全地方）?？紤]到防爆需要，傳輸信號通過RS232隔離安全柵進入系統(tǒng)。

（3）在車間（安全地方）配置以太網(wǎng)轉(zhuǎn)RS-232端口服務器，將流量計的RS-232信號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)管理部門配置一臺數(shù)據(jù)服務器和相應的軟件（WINDOWS SERVER 2003、Microsoft SQL server 2000及應用軟件），完成對流量計數(shù)據(jù)的實時采集、顯示、分析和數(shù)據(jù)入庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。對于流量監(jiān)測采用B／S架構(gòu)，在服務器端采用WEB技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計、分析等功能。

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

數(shù)據(jù)傳輸拓撲結(jié)構(gòu)見圖2。

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

3 通信協(xié)議及其實現(xiàn)

3.1 940通信協(xié)議

940流量計支持兩種通信協(xié)議：一種為其內(nèi)部自定義協(xié)議，能夠支持流量計安裝管道計算公式、通訊參數(shù)、采樣時間等設(shè)置，并具有歷史數(shù)據(jù)查詢等強大功能，但其并不對外公開；另一種協(xié)議為標準Modbus ASCII協(xié)議，直接通過RS-232通訊。Modbus協(xié)議是應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)議定義了一個控制器能認識使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡(luò)進行通信的。它描述了控制器請求訪問其它設(shè)備的過程和如何回應來自其它設(shè)備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。

當在Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時，此協(xié)議決定了每個控制器須要知道它們的設(shè)備地址，識別按地址發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動。如果需要回應，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)換也擴展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)解決節(jié)地址、路由路徑及錯誤檢測的方法。

為了能成功地使用Modebus ASCII協(xié)議與940流量計通信，通信參數(shù)必須設(shè)置成7位數(shù)據(jù)位、偶校驗和一個停止位。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，但不能對流量計進行參數(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)安裝位置情況對每臺表進行各種參數(shù)的初始設(shè)置，然后使用本系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)定時采集入庫，并進行WEB發(fā)布。

940流量計包含有一個小型的通訊握手協(xié)議。當流量計識別到一個外部的RS232數(shù)據(jù)源連接時，即外部的RS232數(shù)據(jù)源的DTR線為高電平時，940流量計將從休眠狀態(tài)喚醒，并發(fā)送字符“X”表示940流量計已經(jīng)準備好可以通訊，并維持RS232硬件處于通信活動狀態(tài)，此時數(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的最大超時時間。

3.2 通信的實現(xiàn)

設(shè)置在廠信息中心的數(shù)據(jù)服務器軟件采用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)服務器通過廠內(nèi)局域網(wǎng)、以太網(wǎng)到RS-232端口服務器及串口無源遠程收發(fā)器訪問940流量計的通信端口，通信采用Modbus ASCII協(xié)議，其中數(shù)據(jù)服務器為主機，940流量計為從機，通過主機定時對從機的污水數(shù)據(jù)采集、整理、入庫，實現(xiàn)了對全廠污水流量數(shù)據(jù)的采集和管理。數(shù)據(jù)服務器軟件由于需要采集20多臺儀表，并且一個串口對應一臺流量計，為加快采集速度程序采用多線程技術(shù)進行通信，一臺儀表對應一個線程，多臺儀表同時采集。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，標準值都使用零。因而，寄存器0000表示的是一個在標準表示中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】【停止位】

例如，數(shù)據(jù)服務器要讀取940流量計的水位通道，則發(fā)出的查詢指令應如表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)服務器通過查詢940流量計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，從機號為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個寄存器來保存浮點類型的數(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

流量計回應的信息中包含有從機（流量計即為從機）地址號和指令，這些信息表明了主機和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8位的數(shù)據(jù)。在Modbus ASCII協(xié)議中，這是實際返回的ASCII信息字符數(shù)目的一半。40 007寄存器的內(nèi)容用2個16進制字節(jié)00 00顯示，40008寄存器中則用2個16進制字節(jié)41 70顯示。合起來，這些值就返回了940流量計中的水位信息，水位信息格式采用IEEE浮點數(shù)標準，每條命令都采用LRC校驗保證數(shù)據(jù)的準確性。

由于延時的問題，返回的數(shù)據(jù)信息可能在發(fā)出查詢命令12 s后才會響應請求。因此我們在系統(tǒng)中設(shè)計了一個12 s延時來適應這個潛在的問題。就是流量計通過RS-232由給定的Modbus請求響應時間。在實際使用過程中正常通訊時間一般在200 ms左右，為了加快查詢速度，可以根據(jù)實際情況在采集程序中調(diào)整通訊超時時間。

4 結(jié) 語

通過增加相應的設(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)有流量計的相關(guān)數(shù)據(jù)遠程傳送等改造工作，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時顯示，并且將數(shù)據(jù)保存到相應的數(shù)據(jù)庫，達到了數(shù)據(jù)的共享，保證了相關(guān)管理部門對全廠污水數(shù)據(jù)的管理和分析。經(jīng)過2年的運行，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。

［1］ GB／T 19582-2008，基于Modbus協(xié)議的工業(yè)自動化網(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，高級工程師，主要從事計算機監(jiān)測及工業(yè)自動化工作，（電話）13507187509（電子信箱）wuhanxu＠126.com。