儀商訊：水資源作為重要的能源介質(zhì)在冶金項(xiàng)目中占有重要的位置， 隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，水資源短缺成為冶金企業(yè)日益突出的難題。目前要從根本上解決水資源浪費(fèi)及短缺問題，必須實(shí)現(xiàn)水系統(tǒng)的信息化和現(xiàn)代化，建立水系統(tǒng)的信息管理、調(diào)度系統(tǒng)，方能完成對鋼鐵企業(yè)工業(yè)用水的宏觀和微觀上的調(diào)度，從而提高企業(yè)生產(chǎn)效率和競爭力。
為了加強(qiáng)能源管理、合理利用，濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)總公司（以下簡稱濟(jì)鋼）投入大量資金建成了能源中心項(xiàng)目，水資源作為重要的能源介質(zhì)在該項(xiàng)目中占有重要的位置。在該項(xiàng)目中建立了先進(jìn)的水調(diào)度管理監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對全廠的供水管網(wǎng)、新水補(bǔ)水系統(tǒng)、軟水系統(tǒng)供水量、環(huán)水系統(tǒng)、一二級用戶使用量、水源井系統(tǒng)、廠區(qū)外排水系統(tǒng)等能源管理、計(jì)量、調(diào)度數(shù)據(jù)的自動采集、實(shí)時(shí)監(jiān)視、管理與調(diào)度，及時(shí)進(jìn)行供水系統(tǒng)平衡與調(diào)整，提高了企業(yè)能源綜合管理水平。
流量計(jì)的選型技術(shù)要求
濟(jì)鋼是一家具有50多年歷史的老廠，由于歷史的原因，水計(jì)量儀表配置不足，能源中心的建設(shè)要求建立完善的水流量計(jì)量系統(tǒng)，結(jié)合濟(jì)鋼實(shí)際情況，為滿足不停水在線安裝的要求，在流量計(jì)選型上提出了如下要求：
①具備在線不停水安裝的特點(diǎn)。檢測裝置可實(shí)現(xiàn)在線不停產(chǎn)安裝及維護(hù)。
②可適合不同水質(zhì)的檢測要求。濟(jì)鋼水系統(tǒng)有新水（地下水）、軟水、純水、環(huán)水等不同水質(zhì)。
③適合不同管道安裝方式的檢測要求。如架空、地表、立管、橫管、地下、掩埋等。
④能滿足多種管道材質(zhì)的檢測要求。在濟(jì)鋼水系統(tǒng)中管道材質(zhì)有碳鋼、不銹鋼、鑄鐵等多種材質(zhì)。
⑤能適合多種管道壓力情況的測量。
⑥具有較強(qiáng)的抗電磁、變頻等干擾性能。
⑦結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)要求流量計(jì)應(yīng)為智能儀表，并具有數(shù)字通信功能和標(biāo)準(zhǔn)電流（4～20mA）輸出。
針對上述技術(shù)要求，經(jīng)過比較超聲波、電磁、多普勒、渦輪等適合水流量測量的各種流量計(jì)的特點(diǎn)，我們選用了TDS-100系列超聲波流量計(jì)作為濟(jì)鋼能源中心水系統(tǒng)的檢測儀表。該流量計(jì)除具有測量范圍廣、測量方式多、安裝方便、測量精度高等一般超聲波流量固有的特點(diǎn)外，還采用了高可靠設(shè)計(jì)、故障率低，特別適合于大口徑的測量，且具有數(shù)字通信功能，適合冶金企業(yè)的遠(yuǎn)程監(jiān)視和惡劣的工作環(huán)境。
TDS-100超聲波流量計(jì)檢測原理
TDS-100流量計(jì)由換能器、電子線路、流量顯示及累計(jì)部分組成。它是測速式流量計(jì)的一種，是基于時(shí)差法來測量的檢測儀表[4]，即當(dāng)超聲波速在液體中傳播時(shí)，液體的流動將使傳播時(shí)間產(chǎn)生微小變化，其傳播時(shí)間的變化正比于液體的流速。超聲波流量計(jì)檢測原理如下圖所示。
超聲波流量計(jì)檢測原理
即時(shí)間變化與流速關(guān)系符合下面表達(dá)式：
式中：θ為聲束與液體流動方向的夾角；M為聲束在液體的直線傳播次數(shù)；D為管道內(nèi)徑；Tup為聲束在正方向上的傳播時(shí)間；Tdown為聲束在逆方向上的傳播時(shí)間；ΔT為Tup-Tdown。
傳感器安裝方法
超聲波流量計(jì)傳感器按照其在管道上的固定形式可分為外縛式和插入式；從聲波傳輸方式上可分為：V、Z、N和W法[5]。
由于鋼鐵行業(yè)一般水管道直徑大于DN50，插入式精度優(yōu)于外縛式。因此，我們優(yōu)先選用插入式且較理想的Z法和V法[6]。在安裝調(diào)試過程中經(jīng)常出現(xiàn)的問題與處理方法如表1所示。
從表1中可以看出，造成流量計(jì)檢測不穩(wěn)定的因素很多，較突出的有以下3點(diǎn)：
①選擇的檢測部位直管段不夠；
②檢測介質(zhì)有脈動流，出現(xiàn)這種情況需要在轉(zhuǎn)換器部分通過阻尼設(shè)定增加相應(yīng)時(shí)間以消除測量值的波動[7]；
③選擇的檢測部位附近裝有泵、閥或其他測量裝置等干擾流動的因素存在。
數(shù)據(jù)通信
由于TDS-100為智能儀表，具有數(shù)字通信功能，因此，在信號采集上我們采用了數(shù)字通信技術(shù)。采用MOXRTU作為數(shù)據(jù)采集器，與TDS-100進(jìn)行通信，開發(fā)了流量計(jì)檢測數(shù)據(jù)的串口通信讀取程序，通過高速以太網(wǎng)上傳至能源中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。
1.1 TDS-100超聲波流量計(jì)通信
TDS-100超聲波流量計(jì)轉(zhuǎn)換器部分帶有RS2232接口，通過RS2232/RS2485轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成RS2485，數(shù)據(jù)的傳輸采用應(yīng)答方式，即采集器發(fā)出命令請求，流量計(jì)做出相應(yīng)的回答。基本命令采用數(shù)據(jù)字符串表示，特點(diǎn)是數(shù)據(jù)長度隨意，通信數(shù)據(jù)格式如表2所示。
1.2 數(shù)據(jù)采集器
由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)各子站比較分散，I/O數(shù)據(jù)采集量大，我們選用了前面所述的MOXRTU作為采集單元，它綜合了數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)通信等功能。各子站數(shù)據(jù)可通過EtherNet與I/OServer連接，將本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞到能源中心，通過監(jiān)控站實(shí)現(xiàn)對全廠數(shù)據(jù)的監(jiān)控。數(shù)據(jù)采集器編程如圖所示。
數(shù)據(jù)采集器編程框圖
1.3 數(shù)據(jù)采集器通信程序
根據(jù)TDS-100超聲波流量計(jì)特有的通信協(xié)議格式，編制了流量計(jì)采集通信程序，其流程如圖所示。
通信程序流程圖
監(jiān)控系統(tǒng)
監(jiān)控系統(tǒng)平臺采用Citect的工業(yè)控制軟件CitectSCADA來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控。CitectSCADA是一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境開發(fā)的工業(yè)控制平臺，它具有的網(wǎng)絡(luò)連接能力，可以輕易地組織足夠龐大的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)全廠數(shù)據(jù)集中監(jiān)控的目的，在中央機(jī)房安置兩種類型的CitectSCADA軟件。一種是FullVersion，這種CitectSCADA軟件負(fù)責(zé)和生產(chǎn)現(xiàn)場的子系統(tǒng)進(jìn)行自己的連接采集生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，根據(jù)編程的邏輯進(jìn)行報(bào)警、趨勢和報(bào)表的處理，同時(shí)它也是所有操作員站的數(shù)據(jù)來源。另外一種是DisplayVersion的CitectSCADA即操作員站所采用的監(jiān)控軟件，它采用了和FullVersion完全相同的軟件，唯一不同的地方是它只有顯示和操作的功能，其顯示或者操作的數(shù)據(jù)都是來自于FullVersion的。在本系統(tǒng)中，超聲波流量計(jì)大多通過RS2485總線通信方式（個(gè)別采用通信方式比較困難的采用4～20mA）。其接入方式如圖所示。
超聲波流量計(jì)接入方式圖
總結(jié)：
超聲波流量計(jì)以其安裝簡便、運(yùn)行可靠、無壓損以及符合現(xiàn)代要求的數(shù)據(jù)通信等特點(diǎn)較好地滿足了濟(jì)鋼惡劣環(huán)境中水流量的計(jì)量需求。另外，在數(shù)據(jù)采集中采用數(shù)據(jù)通信方式實(shí)現(xiàn)對超聲波流量計(jì)的采集，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無誤差傳輸并且便于集中監(jiān)視儀表的運(yùn)行狀態(tài)，便于系統(tǒng)的擴(kuò)充發(fā)展，減少了故障點(diǎn)，提高了工作效率。
