基于嵌入式MCGS的涡轮流量
摘要
随着工业自动化的飞速发展和生产规模的不断扩大，流量测量仪表的市场需求量日益增加，而由于硬件条件的限制，目前的涡轮流量计不能提供网络功能，无法进行远程实时监控。
为了解决流量测量系统无法被远程实时监控的问题，本文设计了基于嵌入式MCGS的涡轮流量测量系统，运用组态软件的特点和优势实现了对流量测量系统的实时监控。下位机是以STC89C52单片机为核心，对流量进行实时采集；编写Modbus通信协议程序，实现上下位机之间的通信；以MCGS为上位机监控平台，对流量信息进行实时监控。经测试，本系统可以精确、实时地现场采集、存储和显示流量数据，并传输到上位机进行显示和实时监控。为了用户能够更加方便地监控，本设计设有流量变化实时曲线，实时数据查询和历史数据查询，并可以自由设置流量上下限报警等功能。
本课题综合运用了单片机技术，自动控制技术，电力电子技术，计算机技术，实现了对流量数据的精确采集、传输、处理和保存，并且实现了对流量测量系统的实时监控，为实际的工业自动化生产提供了很好的参考价值，对同类产品的开发具有一定的借鉴作用。
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关键字:MCGS,STC89C52,Modbus通信协议,监控平台
目录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景和意义 1
1.2 课题研究的现状和发展趋势 2
1.2.1 涡轮流量计研究现状和发展趋势 2
1.2.2 现场总线研究现状 2
1.2.3 国内外主要产品介绍 3
1.3 本文研究的主要内容 4
1.4本章小结 5
第二章 系统分析与设计 6
2.1 涡轮流量计的基本原理 6
2.2 组态软件选型 7
2.3 基于嵌入式MCGS的涡轮流量测量系统需求分析 8
2.4 系统总体设计 8
2.5 本章小结 9
第三章 硬件设计 10
3.1 单片机最小系统设计 10
3.2 电源设计 11
3.3 液晶显示设计 13
3.4 信号处理电路设计 14
3.5 通信电路设计 15
3.6 本章小结 16
第四章 软件设计 17
4.1 下位机软件设计 17
4.1.1 主程序设计 17
4.1.2 信号处理程序设计 18
4.1.3 累计流量功能设计 20
4.1.4 液晶显示程序设计 21
4.1.5 Modbus通信协议程序设计 24
4.2 MCGS组态软件设计 28
4.2.1 监控窗口设计 29
4.2.2 实时数据库设计 29
4.2.3 报表输出设计 30
4.2.4 实时曲线窗口设计 31
4.2.5 运行策略设计 31
4.3 本章小结 32
第五章 系统调试 33
5.1 下位机模块调试 33
5.1.1 电源模块调试 33
5.1.2 信号处理模块调试 33
5.1.3 液晶显示模块和最小系统调试 34
5.2 上位机调试 35
5.3 系统综合调试 36
5.4 本章小结 37
第六章 总结与展望 38
6.1 总结 38
6.2 展望 38
参考文献 39
致 谢 40
附录一 外文翻译 41
附录二 主要程序 54
附录三 实物图 65
第一章 第二章 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
随着工业控制技术的不断发展和应用，PC技术相对于以前传统专用的控制系统保持了较快的发展速度。PC技术开发成本低，相关的各种技术已经非常成熟，软硬件资源极为丰富且交互操作性强，易于学习和使用等优势越来越明显。组态软件在PC技术向工业控制领域渗透的过程中扮演了非常重要的角色。传统的工业控制软件开发周期长，且不利于修改，已完善的工控软件大多只能控制制定的控制项目，重复利用率低，价格昂贵，修改源程序时必须是原先的程序人员。传统的工业控制软件已无法满足用户对工业自动化日益增长的需求。通用工业自动化组态软件能够轻松地解决传统工业控制软件存在的各种问题，用户能够根据自己的需求任意组态控制对象，以完成预期的自动化控制工程。
组态就是将工程模块化，再由用户任意组合，以灵活多样的组态方式为用户提供了良好的开发界面以及便捷的使用方法，很好地解决了系统不能通用的问题。各个软件模块支持各类计算机以及各类I/O产品，能够非常轻松地实现实时监控功能。
由于组态软件作为新生事物正处于高速发展时期，所以还没有研究机构对其进行研究总结以及探讨，以致于没有形成独立的、专门的研究机构。近几年来，譬如现场总线、OPC-XML等与组态软件相关的技术取得了飞速发展，为监控组态软件的发展提供了强有力的支撑[1]。
流量是除压力和温度以外的三大检测参数之一。流量测量不仅仅是指传统意义上的管道液体，其主要研究物质的质量互变，而质量互变作为事物之间联系发展的基本规律之一，因此凡是存在质量互变的地方都有流量测量问题的存在。对于特定的流体，如果需要计算其所具有的能量，只需要对流量、压力和温度进行检测，因此在测量能量转换的过程中，检测此三个参数是必不可少的。由于能量转换是一切生产过程和科学实验的基础，因此流量应用的广泛程度并不在压力和温度之下。在21世纪的今天，过程工业、能量计量、城市公用事业对流量测量需求的急剧增长，很大程度上促使了流量测量仪表的迅速发展，而计算机技术和微电子技术的飞速发展又极大地推动了测量仪表改朝换代，新型的流量计如雨后春笋般涌现出来。时至今日，流入市场的流量计已达上百种，现场使用中的许多棘手难题有待解决[1]。
1.2 课题研究的现状和发展趋势
1.2.1 涡轮流量计研究现状和发展趋势
我国近代流量测量技术的开展要晚于欧洲和美国，前期所需的流量测量仪表均从国外进口，流量测量技术较为落后，远不能达到自给自足。如今，涡轮流量计已发展成为多品种、多规格、全系列、生产规模庞大的天然气流量计，在欧洲和美国它是继孔板流量计
目前，涡轮流量计已形成一项重要的基础产业，广泛应用于各行各业。未来的一段时间内，涡轮流量计产业将会更加成熟，具有绿色、小型、高频、高效、多元化、集成化的特点。随着信息产业的飞速发展，企业管理信息化需求越来越大，涡轮流量计的产品市场将会持续、稳定地增长，但只有将产品与客户业务全面融合才能为客户提供更高的价值，进而促使客户愿意为涡轮流量计产品支付更高的价格，涡轮流量计产业才会得到进一步的发展。
1.2.2 现场总线研究现状
现场总线技术是一项具有巨大的、潜在的市场前景的新技术，国内外的现场总线目前共计有60多种。近年来，在巨大商业利益的驱动下，现场总线国际标准的制订存在很大的争议。由于市场和技术发展需要统一，于2000年1月4日通过了IEC 61158.3～6标准。但是该标准并不算真正意义上的标准，其包含了8种类型的现场总线，采用了8种完全不同的通信协议。因此，这8种现场总线互不兼容，几乎不可能进行相互操作。这种多总线并存的局面，给系统集成带来了非常复杂的局面，所以系统集成技术的发展空间还有待开发[5]。
为了更好地解决目前所面临的复杂局面，加快新一代系统的发展，人们开始寻求新的出路，从现场总线转向Ethernet，用以太网作为高速现场总线框架的主体。如今，国际上成立了工业以太网协会，开展工业以太网关键技术的研究，目的是为了促进Ethernet在工业领域的应用[6]。随着网络技术的发展，以太网应用于工业领域所要面对的一些问题，如网络可确定性问题、环境适应性问题、包括总线供电和本征安全问题等都会迅速得到解决。
1.2.3 国内外主要产品介绍
涡轮流量计国内外主要产品类型包括基本型、智能型、引智能型、智能气体型、新版液体型和传感器型。
1、基本型涡轮流量计仪表价格低廉，集成度高，体积小巧，适合与计算机系统配合使用。但该类涡轮流量产品只具有基本功能，仅能将流量信号远程输出，本身不具备现场显示和控制功能。流量信号可分为脉冲信号或4-20mA的电流信号。
2、智能涡轮流量计采用超低功耗的涡轮流量传感器与显示积算一体化的设计，相比于基本型具有双排液晶现场显示功能，还具有抗雷击、成本低、可靠性高、结构紧凑、显示清晰、不易受外界源干扰等明显优点[7]。其具有高清晰液晶显示器能够同时显示瞬时流量和累计流量，可以对仪表系数进行现场修正。该类涡轮流量计具有防爆属性，防爆等级为ExdIIBT6，具有掉电保护功能，保证有效数据10年内不丢失。
3、引智能涡轮流量计与智能涡轮流量计类似，均采用低功耗涡轮流量传感器与显示积算一体化的设计。工作方式为通过微处理单元对信号（由温度和压力检测模拟通道、流量传感器通道采集）按照气态方程进行温度、压力补偿，然后进行压缩因子修正，在高清晰的液晶显示屏上将包括时间、温度、压力、日期、瞬时流量、日累积流量、总累积流量等全部数据直观、精确地显示出来，而且可输出RS232、RS485、IC卡信号工况和标况脉冲信号（4-20mA）等多种通讯信号。仪表采用外供24VDC双供电和内置锂电池供电方式，当用户不需要输出任何信号时仪表会自动切换到内置锂电池供电，寿命长，锂电池电量至少可连续工作3年。该类涡轮流量计的防爆等级为ExdIIBT6。
4、智能气体涡轮流量计综合了电磁学、流体力学、气体力学等理论，吸取了国内外流量测量仪表的先进技术，并经过优化设计而自行研制开发的新一代气体精密计量仪表。其具有精度高、可靠性高、非常出色的高压和低压计量性能，对流体扰动的低敏感性和多种信号的输出方式，所以被广泛适用于轻烃气、煤制气、天然气、液化气等气体的检测。该类涡轮流量测量产品价格低廉，体积小巧，集成度高，适合与计算机系统配合使用，但仅能将流量信号用脉冲信号方式远程输出，本身却不具备现场显示功能。该类涡轮流量计也是防爆等级ExdIIBT6的防爆产品。
原文链接：http://www.jxszl.com/jxgc/zdh/1870.html
