基于現(xiàn)場浮子流量計(jì)組的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對工業(yè)現(xiàn)場廣泛使用的浮子流量計(jì)組，設(shè)計(jì)了一種基于現(xiàn)場的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32 為核心控制器，集通信、采集和存儲為一體，為實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)測本系統(tǒng)采用嵌入式操作系統(tǒng)μCOS－II 來完成任務(wù)的調(diào)度和管理。分別給出了浮子流量計(jì)的應(yīng)用、監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)、硬件及軟件設(shè)計(jì)。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有較好的可靠性、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性，同時(shí)也能有效地對現(xiàn)場的浮子流量計(jì)進(jìn)行監(jiān)測。

工業(yè)現(xiàn)場一般使用多組浮子流量計(jì)對現(xiàn)場各管道流體流量進(jìn)行測量， 在制藥化工等工業(yè)控制系統(tǒng)中流量參數(shù)起到十分重要的作用，在浮子流量計(jì)組運(yùn)行過程中需要對當(dāng)前管道壓力、介質(zhì)溫度、浮子主體是否卡死、流量是否超限等信息進(jìn)行監(jiān)測。

本文主要根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場對浮子流量計(jì)測量要求設(shè)計(jì)開發(fā)了用于浮子流量計(jì)組工作狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有成本低、生產(chǎn)調(diào)試簡單、人機(jī)接口友好等特點(diǎn)，同時(shí)能夠有效地對現(xiàn)場浮子流量計(jì)進(jìn)行監(jiān)測。

1、浮子流量計(jì)

浮子流量計(jì)是以浮子在垂直錐形管中隨著流量變化而升降， 并以此來改變它們之間的流通面積來進(jìn)行測量的體積流量儀表。浮子流量計(jì)起源于19世紀(jì)60 年代，因其結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，壓損小且穩(wěn)定，可測低速流速介質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)一直廣泛應(yīng)用于氣體、液體的流量測量和自動控制系統(tǒng)中。其中常用的孔板型浮子流量計(jì)如圖1所示。

2、監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

浮子流量計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)主要功能是模擬量采集輸出， 數(shù)字量采集輸出，由核心模塊進(jìn)行分析、處理、存儲并和上位機(jī)通信。工業(yè)上常用的監(jiān)控系統(tǒng)，從組成結(jié)構(gòu)來看主要分為PLC為核心的監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場總線為核心的監(jiān)控系統(tǒng)、單片機(jī)為核心的監(jiān)控系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)主要采用以單片機(jī)為核心的監(jiān)控方法，該系統(tǒng)使用廣泛，體積小、功耗低、操作方便、設(shè)計(jì)簡便、成本低，是許多小型監(jiān)控系統(tǒng)的*選。單片機(jī)為核心的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。本監(jiān)測系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場浮子流量計(jì)組、485總線、主控制板MCU 以及模擬數(shù)字輸出控制模塊。

3、監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

現(xiàn)場浮子流量計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中硬件系統(tǒng)主要功能是模擬量（溫度、儀表信號）的采集，模擬量（4～20mA 電流）的輸出，開關(guān)量的輸入輸出以及遠(yuǎn)距離RS485串行通訊和數(shù)據(jù)存儲。其中監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。為增強(qiáng)監(jiān)測系統(tǒng)的抗干擾能力， 本設(shè)計(jì)采用帶隔離的電源模塊以及數(shù)字隔離器確保系統(tǒng)能夠高效穩(wěn)定工作。

4、監(jiān)控系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

分析本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)需求：在對浮子流量計(jì)組運(yùn)行狀態(tài)過程中，通過模擬量的采集和分析對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，如果發(fā)現(xiàn)某一數(shù)據(jù)值超過預(yù)設(shè)值后必須立即處理，與此同時(shí)需將信息傳輸至上位機(jī)。可見系統(tǒng)對軟件的實(shí)時(shí)性要求較高， 而且在很短的時(shí)間內(nèi)需要處理的任務(wù)較多，普通的前后臺程序難以滿足設(shè)計(jì)的要求。因此系統(tǒng)軟件選擇帶有操作系統(tǒng)的嵌入式平臺進(jìn)行開發(fā)和設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用基于STM32 的μC／OS－II 對監(jiān)測系統(tǒng)的任務(wù)進(jìn)行調(diào)度。

5、監(jiān)測系統(tǒng)與上位機(jī)測試

上位機(jī)觸控屏軟件是利用觸控屏供應(yīng)商的組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的，作為一個(gè)將運(yùn)用于工業(yè)現(xiàn)場的監(jiān)控設(shè)備，其實(shí)用性和易用性是使用者比較重視的。當(dāng)下位機(jī)的通訊任務(wù)接收到信號量， 主控制模塊就會開始和上位機(jī)通信。下位機(jī)將采集到處理完整的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)內(nèi)，上位機(jī)將其顯示到觸控屏上，使用者可以通過上位機(jī)了解空壓機(jī)組的實(shí)時(shí)狀態(tài)。圖5 和圖6 就是模擬量和數(shù)字量各個(gè)通道的實(shí)時(shí)值顯示畫面。

6、結(jié)束語

本系統(tǒng)能有效地監(jiān)控空壓機(jī)組運(yùn)行時(shí)的各個(gè)狀態(tài)，具有結(jié)構(gòu)簡單、功能完善、安裝調(diào)試方便、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)需要支持諸如USB、CAN 等接口。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)技術(shù)可以廣泛地適用于其他工業(yè)生產(chǎn)的監(jiān)控領(lǐng)域。