质量流量计

科里奥利质量流量计通信接口软硬件的设计方法

高准科氏质量流量计除了提供传统的4~20 mA模拟信号和脉冲信号输出接口外,还可提供HARTModbusFOUNDATIONTMFieldbusProfibus-PA等数字信号通信接口。该文简要介绍了高准科里奥利质量流量计的通信接口,分析了Modbus(RTU/ASCII)HART协议及其消息帧格式,详细介绍了通过Bell202接口实现HART通信协议的软硬件设计方法,以及通过RS485接口实现MobdusHART通信协议的软硬件设计方法。

  质量流量计,电磁流量计,靶式流量计

1977年科氏质量流量计首次推出,确立了液体质量流量测量的新标准,它是第以个提供直接、精却、在线的质量流量测量的仪表。高准科氏质量流量计以其性能可靠、准确度高、多参数测量、具有多种通信接口等优点,且在一定条件下不受温度、压力、黏度、密度的影响,作为过程或贸易结算仪表,已在石油化工、制药、食品等企业大量使用。目前已在全球销售了超过50万台高准科氏流量计,其销售量超过了竞争对手的总和。

高准科氏质量流量计除了提供传统的4~20mA模拟信号和脉冲信号输出接口外,还提供了多种数字信号接口[1](HART,Modbus, Profibus, Devi-ceNe,t FOUNDATIONTMFieldbus,W irelessHART)。数字信号输出的优势在于:

①可以同时输出很多信息,高准科氏质量流量计提供了瞬时流量、总量、温度、密度、过程参数、设备组态、校准、诊断等信息,便于计算机监控、管理和维护;

②可以随时修改流量系数、压力修正系数等参数;

③没有信号传输误差;

④双向传输信息。

下面主要介绍高准科氏质量流量计的数字信号接口及通信软件设计。

1 信号输出接口

高准科氏质量流量计的标准配置提供4种方式的输出信号接口(也可根据需要配置ProfibusDevi-ceNetFoundation),用户可以根据自己的需要采用一种或多种:

1路传统4~20 mA模拟信号和1路脉冲信号输出接口,其检测输出的信号是一个单一的值,不能满足多信号输出的要求;

②基于标准HART协议(4~20 mA模拟信号输出接口作为物理层)的数字信号输出,可以同时传输多个信号(瞬时流量、总量、温度、密度等);

③以RS485作为物理层基于HART协议的数字信号输出,可以同时传输多个信号;

④以RS485作为物理层的Modbus协议数字信号输出,可以同时传输多个信号,分为RTUASCII方式。

由于传统的4~20 mA模拟信号和脉冲信号输出接口使用比较简单,在这里不作介绍。下面主要介绍基于Modbus协议和HART协议的3种数字通信方式。

2 基于RS485接口的M odbus协议通信软硬件设计

2. 1 M odbus协议简介[2]

Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其他设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。控制器通信使用主从技术,即仅一设备(主设备)能初始化传输(查询)。其他设备(从设备)根据主设备查询提供的数据作出相应反应。主设备可单独和从设备通信,也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信,从设备返回一消息作为回应,如果是以广播方式查询的,则不作任何回应(见图1)。控制器可以设置为两种传输模式(ASCIIRTU)中的任何一种在标准的Modbus网络通信。

(1)ASCII模式

1ASCII消息帧。使用ASCII模式,消息以冒号(: )字符(ASCII3AH)开始,以回车换行符结束(ASCII码为0DH, 0AH)。其他域可以使用的传输字符是十六进制的0~9,A~F。网络上的设备不断侦测“:”字符,当有一个冒号接收到时,每个设备都解码下个域(地址域)来判断是否发给自己的。

2RTU消息帧。使用RTU模式,消息发送至少要以3. 5个字符时间的停顿间隔开始。在网络波特率下多样的字符时间,这是容易实现的(如表2中的T1-T2-T3-T4所示)。传输的第一个域是设备地址。可以使用的传输字符是十六进制的0~9,A~F。网络设备不断侦测网络总线,包括停顿间隔时间内。当第一个域(地址域)接收到,每个设备都进行解码以判断是否发往自己的。在后一个传输字符之后,一个至少3. 5个字符时间的停顿标定了消息的结束。一个新的消息可在此停顿后开始。

2.2 硬件连接

根据RS485电气规定,在两线制传输方式下,RS485驱动器可带32个接收器,实现多点半双工通信,波特率9 600 bps时通信距离可达1 200 m。如图2所示, PC机通过RS232接口,RS232/RS485转换模块与多台流量计仪表相连接,一条总线上多可接32,每台仪表被赋予各自的通信地址码用以识别身份,这样上位PC机能通过RS485总线对挂在总线上的每个仪表进行通信。实现对流量计的远程数据采集与监控。

2.3 通信参数设置[4,5]

(1)流量计通信参数设置

流量计需要设置的通信参数为:地址、通信波特率、奇偶校验、数据位数、停止位位数、通信协议(ASCII/RTU/HART)

高准科氏质量流量计的出厂默认设置为: 9600,odd, 8, 1,RTU,地址为1

RS485网络中的所有流量计的通信波特率、奇偶校验、数据位数、停止位位数、通信协议的设置必须相同。参数设置方法:①流量计键盘(旋钮);②专用软件Prolink II[3];③手持终端;④第三方软件(组态软件);⑤自编软件。

如果采用自编软件进行参数设置,由于流量计的默认地址都为1,所以可以通过广播方式统一对所有的流量计进行相同的参数设置(地址除外)。然后对流量计地址进行单个设置(相互连线必须断开)

(2)上位机通信参数设置

计算机的通信波特率、奇偶校验、数据位数、停止位位数、通信协议必须与流量计一致。端口号:即串口号,按照与上位机实际连接通信端口设置。常见的微机标准配置COM1COM2,其他的端口号则是由PCIUSB接口转换来的。

2.4 软件设计

下面以读取高准科氏质量流量计的瞬时质量流量、密度、温度、瞬时体积流量、压力、累计质量流量、累积体积流量等7个参数为例。高准科氏质量流量计上述7个参数的寄存器地址映射关系[3]如表3所示,瞬时质量流量、密度、温度、瞬时体积流量、压力、累计质量流量、累积体积流量等7个参数分别映射到地址为247~262之间7个寄存器对(8个寄存器对,其中1个寄存器对没有定义,每个浮点数占用2个寄存器, 1个寄存器为2个字节,地址按寄存器编址)Modbus协议中的寄存器和线圈地址从0开始,而设备说明书中通常从1开始,编程时地址应减1

每个浮点参数为4字节IEEE574标准浮点数(占用2个寄存器)。浮点数的4个字节排列顺序与寄存器521有关,如表4所示,寄存器521默认值为1,对应的顺序为2-3-0-1(IEEE574标准的顺序为0-1-2-3),可以通过改变寄存器521的值来改变顺序。

按照消息帧的格式要求进行编码,采用3号功能连续读取16个寄存器。编码后的数据帧通过串口发送给流量计,流量计接收到查询信息后,返回相应的回应数据帧,计算机接收到回应数据帧后,进行解码。图3是串口通信流程图。

3 基于Bell 202接口的HART协议通信软硬件设

3. 1 HART协议简介[6]

HART(Highway Addressable Remote Transduc-er),可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议,是美国Rosemen公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。通过HART协议通信可以访问测量、过程参数、设备组态、校准、诊断等信息,也可以进行参数修改。HART协议参考ISO/OSI(开放系统互连模型),采用了它的简化三层模型结构,如表5所示。

第一层为物理层。标准的HART协议规定了信号的传输方法、传输介质,为了实现模拟通信和数字通信同时进行而又互不干扰,HART协议采用频移键控技术FSK,即在4~20 mA模拟信号上叠加一个频率信号,频率信号采用Bell202国际标准,数字信号的传送波特率设定为1 200 bps, 1 200 Hz代表逻辑“0, 2 200 Hz代表逻辑“1,信号幅值0. 5A,由于FSK信号的平均值为0,不影响传送给控制系统模拟信号的大小,保证了与现有模拟系统的兼容性。

通信介质的选择视传输距离长短而定。通常采用双绞同轴电缆作为传输介质时,大传输距离可达到1 500 m。线路总阻抗应在230~1 100Ω之间。

第二层为数据链路层。规定了HART协议的数据帧格式,实现建立、维护、终结链路通信功能。HART协议根据冗余检错码信息,采用自动重复请求发送机制,消除由于线路噪音或其他干扰引起的数据通信出错,实现通信数据无差错传送。现场仪表要执行HART指令,操作数必须合乎指定的大小。由于数据的有无和长短并不恒定,所以HART数据的长度也是不一样的,长的HART数据包含25个字节。表6所示是HART协议的数据帧格式。

第七层为应用层。为HART命令集,用于实现HART指令。命令分为3,即通用命令、普通命令和专用命令。

3.2 硬件连接

HART通信采用的是半双工主从的通信方式,只有在主站呼叫时,现场设备(从站)才传送信息。在一个HART网络中,两个主站(主和副)可以与多个从设备通信,如图4所示。副主站,如手持终端,几乎可以连接在网络任何地方,不影响主站通信的情况下与任何一个现场设备通信。

HART通信可以采用单从设备和多从设备两种方式通信。采用单从设备模式时,主变量(过程变量)可以以模拟形式输出,也可以以数字通信方式读出,以数字方式读出时,轮询地址始终为0,也就是说,单站模式时数字信号和4~20 mA模拟信号同时有效;采用多从设备模式时, 4~20 mA的模拟输出信号不再有效(输出设在4 mA使功耗),

系统以数字通信方式依次读取并联到一对传输线上的多台现场仪表的数据,如图4所示。

3.3 通信参数设置

(1)流量计通信参数设置

由于HART协议规定了固定的通信参数, 1200(波特率)O(奇校验)8(数据位)1(停止位),所以对于流量计的通信参数已经默认,不需要设置。

(2)上位机通信参数设置

设置为1200O81,还必须根据与上位机的连接端口设置相应的端口号。

3.4 软件设计

下面以读取高准科氏质量流量计的数据为例。

(1)利用0号命令读仪器轮询地址(仪器标识)

利用0号命令通过轮询(pollnum)查询变送器的地址,其目的是为后续通信程序提供变送器地址值。除了0号命令以外,其余命令都要用到变送器地址。

编码发送命令的数据帧

①序文: 5个全1字节;

②起始字符: 02,采用短帧格式时,主机给仪器信息的起始字符;

③地址:XX,轮询地址;

④命令字: 00,读仪器标识命令;

⑤字节数: 00,后边没有数据;

⑥追加校验和:采用异或逻辑运算求校验和,追加在字节数后,形成完整命令。

按异步串行通信方式发送命令并接收仪器应答的信息,对应答的信息进行解码获取仪器标识解码。0号命令仪器应答的信息格式如表7所示:12个字节数据,其中Byte[1](出厂号)Byte[2](设备类型)Byte[9][10][11](设备标识号)5个字节构成独一无二的仪器标识作为轮询地址。以后再读取变送器的其他数据时,不需要再查询变送器的址。

(2)读仪器数据

可以通过1号、2号、3号、33号等命令读取流量计的数据,下面以33命令为例。编码发送命令的数据帧

①序文: 5个全1字节

②起始字符: 130,采用长帧格式时,主机给仪器信息的起始字符;

③地址:0号命令查询到的设备地址(仪器标识符);

④命令字: 33,读仪器数据命令;

⑤字节数: 04;

⑥数据: 01020304,分别为瞬时质量流量、累计质量流量、温度、液体4个变量的代码,用于读取变送器中这4个变量值;

⑦校验和:采用异或逻辑运算求校验和,追加在字节数后,形成完整命令。

按异步串行通信方式发送命令并接收仪器应答的信息,对应答的信息进行解码获取4个变量值。应答的信息如表8所示,24个字节,其中:Byte[0]~Byte[5]分别为瞬时质量流量的变量代码(1字节)、单位代码(1字节)、数据(4字节IEEE754浮点数);

Byte[6]~Byte[11]分别为累计质量流量的变量代码(1字节)、单位代码(1字节)、数据(4字节IEEE754浮点数);

Byte[12]~Byte[17]分别为温度的变量代码(1字节)、单位代码(1字节)、数据(4字节IEEE754浮点数);

Byte[18]~Byte[23]分别为密度的变量代码(1字节)、单位代码(1字节)、数据(4字节IEEE754浮点数)

4 基于RS485HART协议通信软硬件设计

标准的HART协议的物理层采用Bell 202 FSK作为物理层,基于RS485HART协议是对标准HART协议的拓展,它采用RS485作为物理层,数据链路层(协议规则)和应用层(命令)与标准HART协议相同。高准科氏质量流量计支持基于RS485HART协议。

由于物理层采用RS485,硬件连接(如图2)、通信设置同上文所述的“基于RS485接口的Modbus协议”。

由于数据链路层(协议规则)和应用层(命令)与标准HART协议相同,软件设计同上文所述的“基于Bell202接口的HART协议”。

高准科氏质量流量计除了提供传统的4~20mA模拟信号和脉冲信号输出接口外,还提供了HARTModbusProfibusDeviceNetFOUNDATIONTMFieldbusW irelessHART等多种数字信号接口。通过通信接口,高准科氏质量流量计提供了瞬时流量、总量、温度、密度、过程参数、设备组态、校准、诊断信息等信息,可以随时在线修改流量系数、压力修正系数等参数,便于计算机监控、管理和维护。

点击次数:  更新时间:2019-05-14 09:10:00  【打印此页】  【关闭