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企业蒸汽能源计量系统中CAN总线技术的应用

发布时间:2017-11-09
 

摘要:介绍CAN总线技术在企业蒸汽能源计量系统中的现场应用情况和计量系统基本组成模块的功能及特点。详细分析了蒸汽能源计量系统目前存在的问题和不足,同时提出了初步的改进方法和建议。
1、蒸汽计量采集与监控系统
1.1系统的基本结构
基于CAN总线技术的蒸汽能源计量系统能实现蒸汽流量、温度、压力的检测和计量,对蒸汽系统的生产、输送和使用起到协调的作用。系统的使用提高了生产效率,推进了计量与节能技术的进步。此系统主要包括:现场仪表及设备、CAN卡、CAN网络双绞线、网络通信卡、计算机、系统监控软件等。整个系统力求技术先进、性能可靠稳定、操作方便、易于维护,同时对日后的可扩充性做了充分的考虑。控制器采集现场仪表输出的各种模拟信号、脉冲信号,经过转换和运算后,根据CAN通信协议把数据传输到CAN总线上;同时可现场显示被测参数或按系统要求输出模拟或开关信号直接给现场执行仪表或设备。CAN总线上的数据通过网络通信卡进入中心操作站(计算机),操作站使用组态软件对系统的参数和网络的状态进行实时监控。基于CAN总线技术的蒸汽能源计量系统网络基本结构图如图1所示。

1.2系统各模块的功能
CAN总线(Controller Area Network—控制器局域网)属于现场总线的范畴,它是德国Bosch公司开发的一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。CAN总线用双绞线作为通信载体,采用短帧结构进行传输,其检错能力极强,可在高噪声、强干扰环境中工作。CAN具有优先权和仲裁功能,多个测/控模块通过 CAN 控制器挂到 CAN 总线上,形成多主机局部网络。其可靠性和实时性远高于普通的通信技术,而且能实现超远的通信距离,价格低廉,结构灵活,特别适合于工业过程监控设备的互联以及数据的远传和管理。
CAN卡主要完成CAN总线数据的收发。为了扩展CAN总线的功能,与计算机相连,可设计具有CAN接口和计算机接口的CAN适配卡,用来收集CAN总线上各个节点的信息,转发给计算机,并可将计算机的命令和数据转发给各个节点,以及完成对CAN总线上用户系统的部分监控和管理工作。
现场设备主要包括:温度变送器、压力变送器、差压变送器以及执行器等设备与仪表。温度变送器用来直接测量蒸汽的温度,输出直流4~20mA电流信号给工作仪表,工作仪表显示蒸汽的温度;压力变送器主要用于测量蒸汽的压力,然后将其转换成4~20mA的直流信号输出,输出电流与过程压力成正比。    
2、系统目前存在的问题
基于CAN总线技术的蒸汽计量和监控系统虽然具有抗干扰能力强、价格低廉、结构灵活等优点,但在实现蒸汽流量、温度、压力的检测、计量和监控过程中,系统出现了一定的问题和不足,需要完善和改进。主要问题有以下几个方面:
1)系统中的计算机配置较低,性能不稳定,主要表现:
(1)仅能使用软盘拷贝统计表表中数据,为数据分析带来不便。
(2)由于计算机服务时间较长,出现死机现象造成数据采集不能按照设定的频率采集,出现停采和间断。
(3)计算机在断电后重新启动时困难,存在统计数据丢失的隐患。
2)蒸汽计量软件系统功能不完善。主要包括:
(1)对停采的测点和计量数据变化异常没有报警和记录功能,需要人工检查计量报表中的数据,查出异常的数据,再分析原因。
(2)没有故障分析功能,对数据报表的异常情况,必须去现场排查可能存在问题的设备或仪表,得出结论后做好批注以备以后检查。因此,增加了计量的不准确性和不稳定性。
(3)系统对统计报表中过大累积量没有自动清零和记录的功能,需要人工清零后加批注。
3)CAN卡服务时间较长,加上测点多,易出现故障情况。有时出现数据涌堵,造成统计数据中累计量不能正常累积,出现忽上忽下或停止累计的异常情况。CAN卡备件无法供应,目前主要靠修旧来更换故障CAN卡,给系统的维护和维修带来压力。
4)计量不准确,供需双方容易发生计量纠纷。对于停止供汽的管线,由于管道内有余汽产生一定的温度和压力或者阀关闭不够紧从别的蒸汽管线串的蒸汽造成测点的累积量继续增加,导致计量数据出现误差。
5)网络结构不合理,线路铺设困难,无法形成规模性的环网。
3、完善系统的建议
针对蒸汽能源计量系统的主要问题和不足,根据实际需要和可行性的要求提出以下改进的建议:
1)对系统的软件和硬件(计算机)进行升级或更换,完善系统对故障和异常情况下的报警和记录功能,以及减少系统故障的发生。
2)对使用时间长,容易出现故障的CAN卡进行校验和更换,提高计量数据的可靠性和安全性,找到合适的CAN卡替代设备。
3)对于距离较远,比较分散的测点,铺设专用线路比较麻烦和浪费,建议采用无线通信技术,完成数据的传输和采集。充分发挥无线网络通信免布线、网络覆盖范围广等优点。无线网络结构图如图2所示。

无线网络结构图中无线网络收发器(1)安装在现场,无线网络收发器(2)安装在操作站内。收发器(1)将智能流量积算仪采集到的温度、压力、差压、流量、累积量等数据传送给收发器(2),收发器(2)将数据传入计算机形成数据报表。
4)优化网络结构,扩展CAN总线网络的容量。对CAN总线的物理层进行改进,采用光纤代替双绞线提高网络系统信号传输的抗干扰能力。
5)开发拓展系统功能,改善系统的灵活性,通过系统的软件升级实现系统功能的变化。
6)通过培训或其他方式提高操作维护人员的技术素质,快速诊断仪表或系统的故障,快速维修,提高效率,减少故障带来的经济损失。
4、结束语
本文介绍了基于CAN总线技术的蒸汽计量和监控系统的特点及系统各模块的功能和特点,并对系统使用中存在的问题进行了总结,提出了初步的改进方法和建议。完善后的系统不但提高系统的安全性、稳定性、计量准确性,而且还可减少抄表和巡检人员的工作量,降低运行成本。