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基于磁致伸縮液位計的油罐液位網絡節點設計

來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2021-06-07 10:11

  

       油罐液位測量是油田集輸過程和油庫等部門的一項重要工作。油罐液位測量的準確性、便捷性反映了油田集輸和油庫運營及管理水平。隨著計算機、微電子、傳感器等高新技術的發展,各種新型的液位測量儀,如電容式、超聲波式和光導式等儀表已經廣泛應用到油罐測量領域。但這些液位儀絕大多數不具有總線接口功能,并且測量精度受環境等多方面因素影響,很難滿足油料儲存對日益提高的精度和自動化水平的要求。國外的一些先進液位儀雖然具有總線接口功能,測量精度能達到要求,但十幾萬乃至幾十萬的價格另絕大多數用戶望而興嘆。磁致伸縮液位計是近幾年發展起來的一種新型高精度液位計,將該液位計與CAN總線技術兩者優勢相結合,設計了基于磁致伸縮液位計測量油罐液位的網絡節點。該網絡節點適應能力強、穩定性好、結構簡單、聯網方便,在測量精度上達到了高級儀表的準確度,在使用上安全可靠,在成本上能為大多數用戶所接受。使用該網絡節點和CAN總線可以實現油罐液位網絡測量系統,進一步提高油罐液位測量系統的自動化管理水平。
2、CAN總線與液位測量原理
2.1CAN總線簡介
       CAN 即控制器局域網絡。是應用于生產現場,在網絡化測量控制設備之間實現雙向串行多節點數字通信的系統,又被稱為開放式、數字化、多點通信的低層控制網絡。它具有實時性好、可靠性高、系統構成容易以及系統開發價格低等特點,非常適合用于系統分布比較分散、環境比價惡劣的工業現場。CAN總線用于油管液位網絡測量,為液位測量系統提供了強大的通信功能,如:實現了網絡節點不分主從可以發送信息、多個網絡節點同時發送信息按優先權高低排隊發送、最遠通信距離為10KM(速率5Kbps以下)、單節點對多節點及全局廣播等幾種方式傳送接收數據、網絡節點可達110個等功能。
2.2液位測量原理
       磁致伸縮液位計由測量頭、波導管、磁致伸縮波導絲,以及內含磁鐵的浮子組成。測量頭中包含了脈沖發射、回波接收以及計數等電路。傳感頭安裝在灌頂,波導管連同波導絲從灌頂插圖罐內液體中,浮子沿不銹鋼保護管隨液面上生活下降。測量時,傳感頭中的脈沖發射電路定時在磁致伸縮波導絲上施加一個低電流的詢問脈沖信號,即起始脈沖T1,該詢問脈沖伴隨自身所產生的一個環形磁場,以光速沿著磁致伸縮波導絲向下傳遞。當環形磁場遇到磁鐵中產生的軸向磁場時,便會進行矢量疊加而形成一個螺旋形磁場,從而使波導絲發生扭曲并產生一個應變機械波脈沖信號。應變脈沖沿波導絲以固定的聲音速度很快返回到傳感頭中的回波接收電路,并被轉換為技術終止脈沖T2,詢問脈沖和返回脈沖之間的時間間隔為:T=T1-T2
       由于電流的速度接近光速,所以詢問脈沖的發出到返回脈沖發生的時間很短,在測量中忽略不計,對測量精度幾乎沒有影響,因此,T可作為返回脈沖從磁性浮子位置傳播到傳感頭中的回波接收電路所需時間。如果返回脈沖傳播速度(固定聲速)為V,則磁性浮子到傳感頭的距離為S=T*V,因此,只要測量出詢問脈沖和返回脈沖時間差T,就能測量出油罐液位高度。由于檢測過程連續不斷且響應時間極短,每當浮子隨液位移動時,浮子新位置隨之被檢測出來,從而可獲得高精度、高重復性的液位值。
3、網絡節點硬件設計
       網絡節點硬件以AT87C52單片機作為控制核心,設置了數據采集模塊、CAN總線通信接口以及鍵盤和顯示模塊。各模塊之間通過握手信號協調時序關系,液位采集模塊將采集到的油罐液位信號轉換為數字信號,送入單片機中存儲,然后根據現場情況的需要,對液位數字信號進行處理和CAN協議信號幀打包,并經過CAN總線通信接口發送到CAN總線上,同時CAN總線通信接口也可以從外部總線接收數據包并根據協議要求進行相應處理。鍵盤用于對液位儀測量參數的設置、測量方式的控制以及顯示內容的切換控制等。顯示單元顯示液位儀的實時測量結果以及與上位機或其他節點的通信情況。
3.1液位采集模塊
       針對某油庫共有12個油罐,高度均為9m~15m等情況,同時考慮到信號傳輸的可靠性、系統電源的容量以及節點的兼容性和可擴展性,一個節點設置了3路也為模擬信號輸入,即使用個磁致伸縮液位計份別對各油罐的液位進行測量,節點通過尋址可對單罐或多罐液位巡回檢測。
       為了提高液位信號的抗噪聲、抗衰減能力以及不受線電阻的影響,應選擇具有電流傳輸方式的液位計。我們選擇了拿度公司的TH型磁致伸縮液位計。該液位計采用符合工業標準的4-20mA電流環信號傳輸方式,三線制,24V工作電壓,絕對位置輸出,測量范圍0-15m,非線性誤差為±0.05%FS分辨率優于0.01%FS,工作溫度為-25℃~+85℃,具有分辨率高、重復性好、穩定可靠、非接觸式測量、壽命長、安裝方便、環境適應性強等特點,非常適合用于大型油罐液位的測量。
       CC4051為八路模擬開關,可通過單片機的地址信息選擇液位信號輸入。RCV420為I/U轉換器,可以將4-20mA電流信號轉換為0-10V的電壓信號,與A/D轉換器件的電壓輸入范圍達到一致。AD1674為12位A/D轉換器,采用單極性電壓(0-10V)輸入,其功能與常用的AD574A兼容,但它的轉換速度更快,一個轉換周期只需10μs,而且自帶有采樣保持電路及三態輸出緩沖器,可直接與單片機PI口相連,轉換數據可分兩次讀入單片機。用該A/D轉換器來采集變化速度較快的液位計輸出信號是非常合適的。
磁致伸縮液位傳感器
3.2CAN總線接口模塊
       CAN總線接口器件可以分為獨立的CAN控制器和帶有CAN功能的微控制器??紤]芯片的市場普及程度、開發工具及成本等因素,在保證CAN總線接口功能的前提下,選用功能相對獨立、應用技術比較成熟以及價格低廉的芯片構成節點的CAN總線接口。單片機AT89C52既對液位采集模塊進行管理、控制又兼作CAN總線接口的核心.SJA1000為一個獨立的CAN總線控制器,他是早起的PCA82C200替代產品,它不僅與PCA82C200在管腳、電氣特性上完全兼容,而且還增加了一種新的操作模式,這種模式支持具有很多新特性的CAN2.0B協議。經過簡單連接和正確設置的SJA1000,能完成CAN總線物理層和數據鏈路層的所有功能,對于單片機來說,只要把它看成一個基本的I/O設備,就可以很方便的使用它。PCA82C250為CAN收發器,其主要功能是實現CAN控制器與通信線路的物理連接,提高CAN總線的驅動能力和抗干擾能力。由于系統傳輸距離較遠,油庫環境干擾大,選擇光電耦合芯片6N137,對SJA1000和PCA82C250進行了電流隔離連接,以防止線路間的串擾。在具體連接電路時要特別注意:在CAN總線兩端要接終端匹配電阻(R9),實現總線阻抗匹配,以消除線路的反射信號,保護PCA82C250免受過流沖擊;當SJA1000的TX1引腳懸空時,要保持RXI引腳的電位在1/2Vcc左右,以保證形成CAN協議所要去的邏輯電平;系統的工作方式(即:高速方式,斜率控制,待機方式)取決于PCA82C250第8引腳的電阻R10.該電阻稱為斜率電阻,為了降低射頻干擾,一般采用斜率控制放回寺,其上升或下降的斜率取決于R10的取值;用單片機的I/O線P2.7控制SJA1000的RST引腳,可通過軟件方便的對SJA1000進行復位控制。由于SJA1000內含數據鎖存器,其地址/數據端可以直接與單片機的PO口相連,不需再增加鎖存器。
4、軟件設計
       節點軟件設計主要包括液位采集模塊和CAN總線接口兩部分??紤]到軟件升級換代和功能擴展,軟件采用結構化的程序設計方案,使其具有較好的模塊性和可移植性。編程語言采用C51,該語言十分類似于C語言,具有書寫方便、編程效率高、可讀性好等優點,是51系列單片機開發的常用語言。
4.1液位采集程序
       液位采集程序比較簡單,主要就是單片機從P1口讀取采集的液位信號,并存放到片內數據緩沖器,供單片機進行幀打包處理,以便發送到CAN總線上。其中的關鍵是規定好多路轉換開關、I/U、A/D三個芯片的地址信號以及與單片機的握手信號,以便確定每一路液位信號采樣的開始或停止。程序流程為:①初始化相關計數器;②選擇一路信號A/D轉換;③從P1口讀取轉換數據;④判斷采樣次數到否,不到則跳轉到③步循環;⑤判斷路數采樣完否,未完則跳轉到②步循環;⑥程序結束。
4.2CAN總線接口程序
       總線接口程序的設計相對硬件比較復雜,是節點設計的重要內容。該程序主要包括CAN控制器初始化、報文接收、報文發送、CAN總線錯誤處理、報文過載處理、總線脫離處理、接收濾波處理等子程序??紤]到本系統通信任務相對簡單,并且控制系統不同,功能要求不同,CAN總線通信軟件也不盡相同,在此僅對具有一定通用性的CAN控制器SJA1000的初始化子程序進行介紹。該控制器的初始化,只能在復位模式下進行。其初始化工作主要包括設置工作方式和接收率波方式以及對接受代碼寄存器(ACR)、中斷允許寄存器(IER)、接收屏蔽寄存器(AMR)、波特率參數等進行設置。初始化后,SJA1000就可由復位模式退出而進入工作模式,完成正常的同心工作。初始化子程序的流程為:①關中斷,進入復位模式;②初始化時鐘分頻寄存器,設置CAN模式,旁路輸入寄存器,時鐘信號輸出控制;③設置總線定時器(BTR),定義總線位速率及位周期上的采樣點等;④設置輸出控制寄存器(OCR),確定TXO、TX1管腳的輸出模式及配置;⑤設置寄存器ACR、AWR,過慮信息幀;⑥退出復位模式,開中斷,進入工作模式。
5、結束語
       針對我國目前油罐液位測量的現狀,將CAN總線技術和磁致伸縮液位計兩者優勢相結合,設計了基于磁致伸縮液位計測量油罐原味的網絡節點。該節點具有測量精度高、適應能力強、穩定性后、結構簡單、成本低廉、聯網方便等特點。同時也使得磁致伸縮液位計有了CAN總線接口能力,為構建油罐液位高精度CAN網絡測量系統個,進一步以提高油罐液位測量系統的自動化管理水平奠定了基礎。


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