超声波明渠流量计系统的设计方案

超声波明渠流量计系统的设计方案

1. 系统总体设计方案 1.1系统设计原则：

设计中应充分考虑对计量仪的数据采集及传输要求，始终坚持以下原则：

(1)可靠性：在实现无人值守的情况下，系统能够长时间稳定可靠的工作； (2)先进性：系统采用组态软件和计算机网络通信技术结合的方式实现在线实时查询功能；

(3)易用性:数据采集软件尽可能达到直观形象，易于操作。 1.2 总体方案

本系统可分为管理层、操作层和工业现场3个层级。系统总的示意图如图1：

环

保部门

以太网交换机

超声波流量计

图1 系统总框图

1.3 主要功能

管理层可提供工厂领导浏览现场实时工况画面，也可进行如使用权限、系统配置等高级设置,同时环保站也可通过管理层对污水排量实施监控；以太网交换机作中间站将下层数据送入上层管理网络；万一计算机系统发生故障时，仪表操作人员可依传统仪表使用方法直接操作仪表；工业现场提供各种控制信号，如模拟输入/输出和开关量的输入/输出至仪表。

简明起见，我们将系统分为两大块分步设计，一块是从工业现场到交换机，即现场数据采集和通信块；另一块是从交换机到管理层，即局域网通信块。

1.4 数据传输途径

污水排量经流量计检测，经记录仪数据采集后以厂家自定义协议通过RS485现场总线送入EL-100P（即RS485与TCP/IP转换器），以TCP/IP 协议进入以太网交换机，上层网络可以通过以太网交换机访问各种数据。

2 系统各模块设计 2.1现场数据采集和通信块

本块由以太网交换机、流量计和记录仪及RS485与TCP/IP转换器三部分所组成。流量计为超声波明渠流量计,流量计和记录仪将传输管线上的模拟信号转换为数字信号,提供一个485数据输出口;记录仪对数字信号进行实时采集、集中显示,并根据要求作好数据的保存,便于事后查询。本块的原理示意图如图2所示：

图2 现场数据采集和通信块原理图

在图2中，记录仪采用无笔无纸记录仪（每四个超声波明渠流量计配一台无笔无纸记录仪，装在现场保护箱内，系统中一共用3台。）它可以利用RS485通讯接口和厂家自定义协议与计算机通讯。

RS485与TCP/IP转换器：该转换器将RS485协议转换为TCP/IP 协议，数据直接传入以太网，此转换器选用EL-100P型数据传输器。

EL-100P的介绍：该转换器支持高效而简洁方便的联网操作方式，不但可以保证现有的硬件资源，更确保未来网络的扩充可能性。通过简单的设置，就可以将现有的串口设备立即联网。再者EL-100P可以在串口和以太网络界面之间轻易的执行双向数据传输。它具有如下特点：

（1）简单易用的基于MAC搜索操作界面，可用于设置IP地址、串口参数等

（2）内置软件、硬件双重看门狗、可保证长期稳定运行 （3）10Mbps Ethernet界面

（4）支持RS-232、RS-485、RS-422，可选RTS/CTS数据流控 （5）全透明双向数据传输，保障最高限度的易用性和兼容性 （6）支持TCP Server，TCP Client，UDP模式

（7）可靠的系统核心适用于安全性和长期运行的系统应用 （8）支持易用的WINDOWS DLL远程控制和管理 以太网交换机：将现场传输过来的数据送入上层管理网络。

在此采用型号为F-engine S3101的三层以太网交换设备。它基于高性能的ASIC，采用模块化的结构设计，最大提供24个10/100M以太网接口和2个1000M以太网接口。通过模块的配置可构成全光交换机。该交换机的高性能、易管理性、可扩展性和强大的数据处理能力，为实现网络的可管理、稳定和安全提供了可靠的保障

通讯连线：RS485接口应采用双绞线连接,干扰很强的场合可用工业专用的带屏蔽的双绞线.长距离传输则需要采用光纤。

2.2 现场数据采集和通信块硬件示意图及软件流程图

图3 现场数据采集和通信块硬件示意图

现场数据采集和通信块的主程序流程图如下：

图4 现场数据采集和通信块的主程序流程

2.2局域网通信块

2.2.1 通信实现

通过转换器的数据由以太网交换机接入局域网，使得该系统很容易与其他生产管理部门联网，便于统一调度和管理。并配备组态软件，可方便快捷设计功能丰富的计算机软件。

我们选用国产软件组态王6.5编写上位机程序。

组态王6.5介绍：组态王6.5的Internet版本立足于门户概念，采用最新的JAVA 2核心技术，功能更丰富，操作更简单。整个企业的自动化监控将以一个门户网站的形式呈现给使用者，并且不同工作职责的使用者使用各自的授权口令完成各自的操作，这包括现场的操作者可以完成设备的起停、中控室的工程师可以完成工艺参数的整定、办公室的决策者可以实时掌握生产成本、设备利用率及产量等数据。组态王6.5的Internet功能逼真再现场画面，使您在任何时间任何地点均可实时掌控企业每一个生产细节得以实现，现场的流程画面、过程数据、趋势曲线、生产报表(支持报表打印和数据下载)、操作记录和报警等均轻松浏览。当然您必须要有授权口令才能完成这些。用户还可以自己编辑发布的网站首页信息和图标，成为真正企业信息化的Internet门户。因为用户需要一个实时的、记录准确地、高效的、可节约用户硬件成本的工业过程数据存储方案。组态王6.5顺应用户的期望，提供支持毫秒级高速历史数据的存储和查询功能的工业过程数据库。真正的企业级生产过程数据仓库。采用最新数据压缩和搜索引擎技术，数据压缩比优于20%，节约用户硬件成本；一个月内数据(单点，记录间隔10秒)按照每小时间隔，在百毫秒内即可完成查询。真正实现历史库数据的数据追记、数据合并。可以将特殊设备中存储的历史数据片段通过组态王驱动程序完整的合并到历史数据服务器中；也可以将远程站点上的组态王历史数据片段合并到历史数据服务器上。它的画面具有如下特点：

1.支持大画面、导航图：用户可以制作任意大小的画面，利用滚动条和导航图控制画面显示内容；绘制、移动、选择图素时，画面自动跟踪滚动。 2.方便的变量替换：可以单独替换某个画面中的变量，也可以在画面中任意选中的图素范围内进行变量替换。 3.自定义菜单：支持二级子菜单。

4.丰富的提示文本：系统提供丰富的图素提示条文本，包括简单图素和组合图素。

5.任意选择画面中的图素：在画面中使用键盘和鼠标结合可以任意选择多个图素进行组合、排列等操作 其中参数变量的特点为：

1.定义结构成员时可以定义基本属性，例如变量属性、报警属性和记录属性等。

2.定义结构变量时自动继承结构成员的属性。 3.结构变量可整体赋值。

4.结构变量可作为自定义函数的参数。

5.在数据词典中可以任意选择多个变量集中修改变量共有属性。

组态王软件是通用组态软件，支持研华、西门子、欧姆龙等厂商生产的底层硬件设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡等）。利用软件提供的控件加入用户的动画连接后，可实现数据在主控界面上的实时显示、报警以及实时趋势曲线和历史趋势曲线等显示功能，每个下位机节点的数据不但能自己存储，还可以传输到计算机中。数据在组态王内部是以变量形式存在，用户通过在数据词典中定义变量以及与变量相对应的设备来实现组态王与底层硬件设备的数据交换。

图5 组态软件的结构

组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，有不同的特性。

可根据以下软件框图设定界面：

图6 上层管理端软件总框图

初始化完成后，进入系统主界面，在主界面中选择进入的画面并对参数进行设置，数据流量可以按用户要求格式自动存储在数据库，可以按年、月、日进行查询、打印报表等。

服务器端设备控制模块提供控制界面，技术人员可以通过该界面输入对远程设备的控制命令，命令先被存入数据库中，等待监控主程序的定时查询，查到后通过网络通信模块传递给记录仪。

2.2.3 通信模块扩展

如果用户要求较快的数据访问速度和较大的存储容量，则在以太网上接入一服务器便可实现。

3. 总系统软件流程图

图7 总系统流程图

4.经费概算 3.1 硬件

无笔无纸记录仪 3个

RS485与TCP/IP 协议转换器 3个 500.00元/个 以太网交换机 1个 5000.00元 屏蔽双绞线及网线 2500米 12500.00元 光纤（可选） PC机

打印机 1台 3.2 软件

组态软件 1套 15000.00元 WINDOWS 操作系统 1套 500.00元

数据库软件平台 1套 10000.00元 协议转换器应用软件 1套 3000.00元 3.3 耗材 2000.00元 3.4安装及调试费 20000.00元

3.5管理费（10%）及税率（5%） 10425.00元 3.6 网络系统总价 79925.00元 4.进度安排

2005.12.09----2005.12.29 系统安装 2005.12.30-----2006.01.10 调试及验收