基于現場浮子流量計組的監控系統設計

針對工業現場廣泛使用的浮子流量計組，設計了一種基于現場的監控系統。該系統以STM32 為核心控制器，集通信、采集和存儲為一體，為實現對現場的實時監測本系統采用嵌入式操作系統μCOS－II 來完成任務的調度和管理。分別給出了浮子流量計的應用、監控系統的總體方案設計、硬件及軟件設計。實際應用表明，該系統具有較好的可靠性、實時性、穩定性，同時也能有效地對現場的浮子流量計進行監測。

工業現場一般使用多組浮子流量計對現場各管道流體流量進行測量， 在制藥化工等工業控制系統中流量參數起到十分重要的作用，在浮子流量計組運行過程中需要對當前管道壓力、介質溫度、浮子主體是否卡死、流量是否超限等信息進行監測。

本文主要根據工業現場對浮子流量計測量要求設計開發了用于浮子流量計組工作狀態的監測系統，該系統具有成本低、生產調試簡單、人機接口友好等特點，同時能夠有效地對現場浮子流量計進行監測。

1、浮子流量計

浮子流量計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行測量的體積流量儀表。浮子流量計起源于19世紀60 年代，因其結構簡單，工作可靠，壓損小且穩定，可測低速流速介質等優點一直廣泛應用于氣體、液體的流量測量和自動控制系統中。其中常用的孔板型浮子流量計如圖1所示。

2、監控系統總體結構

浮子流量計監控系統主要功能是模擬量采集輸出， 數字量采集輸出，由核心模塊進行分析、處理、存儲并和上位機通信。工業上常用的監控系統，從組成結構來看主要分為PLC為核心的監控系統、現場總線為核心的監控系統、單片機為核心的監控系統。本設計主要采用以單片機為核心的監控方法，該系統使用廣泛，體積小、功耗低、操作方便、設計簡便、成本低，是許多小型監控系統的*選。單片機為核心的監控系統結構如圖2所示。本監測系統主要包括現場浮子流量計組、485總線、主控制板MCU 以及模擬數字輸出控制模塊。

3、監控系統硬件設計

現場浮子流量計監控系統的總體結構如圖2所示。其中硬件系統主要功能是模擬量（溫度、儀表信號）的采集，模擬量（4～20mA 電流）的輸出，開關量的輸入輸出以及遠距離RS485串行通訊和數據存儲。其中監測系統硬件結構如圖3 所示。為增強監測系統的抗干擾能力， 本設計采用帶隔離的電源模塊以及數字隔離器確保系統能夠高效穩定工作。

4、監控系統軟件實現

分析本系統軟件設計需求：在對浮子流量計組運行狀態過程中，通過模擬量的采集和分析對系統進行監控，如果發現某一數據值超過預設值后必須立即處理，與此同時需將信息傳輸至上位機。可見系統對軟件的實時性要求較高， 而且在很短的時間內需要處理的任務較多，普通的前后臺程序難以滿足設計的要求。因此系統軟件選擇帶有操作系統的嵌入式平臺進行開發和設計。本設計采用基于STM32 的μC／OS－II 對監測系統的任務進行調度。

5、監測系統與上位機測試

上位機觸控屏軟件是利用觸控屏供應商的組態軟件設計的，作為一個將運用于工業現場的監控設備，其實用性和易用性是使用者比較重視的。當下位機的通訊任務接收到信號量， 主控制模塊就會開始和上位機通信。下位機將采集到處理完整的數據傳輸到上位機內，上位機將其顯示到觸控屏上，使用者可以通過上位機了解空壓機組的實時狀態。圖5 和圖6 就是模擬量和數字量各個通道的實時值顯示畫面。

6、結束語

本系統能有效地監控空壓機組運行時的各個狀態，具有結構簡單、功能完善、安裝調試方便、維護成本低等優點，可根據需要支持諸如USB、CAN 等接口。本系統的設計方案和實現技術可以廣泛地適用于其他工業生產的監控領域。