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 　摘 要 根據(jù)流量計(jì)輸出信號(hào)的不同形式，提出了在機(jī)組 DCS 系統(tǒng)中計(jì)算累積流量的算法，詳述了各種流量累積算法在 TCS-3000 DCS 系統(tǒng)中的具體實(shí)現(xiàn)，解決了在機(jī)組 DCS 系統(tǒng)中計(jì)算累積流量的難題。

火力發(fā)電廠(chǎng)不但生產(chǎn)工藝復(fù)雜，工作介質(zhì)（ 水、氣、油和煤等） 種類(lèi)繁多，形態(tài)各異，測(cè)量工質(zhì)瞬時(shí)流量所采用的流量測(cè)量原理、方法較多，而且火電廠(chǎng)指標(biāo)計(jì)算和耗差分析等應(yīng)用系統(tǒng)需要調(diào)用工質(zhì)累積流量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，客觀(guān)上要求根據(jù)流量計(jì)的不同原理采用不同的累積流量計(jì)算方法并在機(jī)組 DCS 系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。

筆者在分析火電廠(chǎng)各種典型流量測(cè)量應(yīng)用的基礎(chǔ)上，提出了在機(jī)組 DCS 系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)累積流量的計(jì)算算法，并詳細(xì)敘述了各種流量累積算法在TCS-3000 DCS 系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)踐證明這些算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、精度較高，解決了機(jī)組 DCS 系統(tǒng)計(jì)算累積流量的難題。

1 時(shí)間間隔法

火力發(fā)電廠(chǎng)鍋爐主給水流量測(cè)量元件一般采用長(zhǎng)徑噴嘴，其采用 ISO5167-1 和 GB/T2624-2006 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算、設(shè)計(jì)、制造和驗(yàn)收，流出系數(shù)不確定度不大于 ±1%，具有測(cè)量精度高、壓力損失小及壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，其測(cè)量原理如圖 1 所示。通過(guò)差壓變送器測(cè)量噴嘴上、下游一定位置處的壓力差，可得到流體瞬時(shí)質(zhì)量流量 qm[1]:對(duì)瞬時(shí)質(zhì)量流量進(jìn)行時(shí)間積分運(yùn)算就可以得到累積流量值，在 DCS 系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)積分運(yùn)算可以采用兩種方法: 在數(shù)據(jù)處理單元（ Data Process U-nit，DPU） 中定義定時(shí)中斷任務(wù)，每隔 1s 計(jì)算一次流量累積值變化量 ΔQ，則總流量 Qn= Qn - 1+ΔQ，其中 Qn - 1為截止到上一秒時(shí)刻的流量累積值，Qn為截止到當(dāng)前一秒的累積值，zui后令 Qn - 1= Qn重復(fù)進(jìn)行增量累加運(yùn)算。對(duì)于本身不具備定義定時(shí)中斷任務(wù)功能的 DCS 系統(tǒng)（ 如 TCS-3000DCS 系統(tǒng)） 可在 DPU 連續(xù)任務(wù)中增加流量累積算法，其流量累積算法的工作原理與前一種方法類(lèi)似，所不同的是系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘須由 DCS 系統(tǒng)提供，且需要按照查詢(xún)方式判斷程序兩次掃描之間的時(shí)間間隔，并根據(jù)時(shí)間間隔計(jì)算流量累積值變化量，由于是查詢(xún)方式，時(shí)間間隔不是固定值，在TCS-3000 DCS 系統(tǒng)中用 FBD 功能塊實(shí)現(xiàn)的累積算法邏輯如圖 2 所示。
圖 2 中，“MoxGetTime”為系統(tǒng)時(shí)間功能塊，其可以在程序連續(xù)掃描過(guò)程中提供 DPU 模塊內(nèi)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘值，“MS”輸出表示當(dāng)前毫秒值，其數(shù)據(jù)類(lèi)型為整型，取值范圍為 0 ～999，當(dāng)新的 1s 開(kāi)始后，歸零并重新計(jì)數(shù); “ANY TO REAL”為數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換功能塊，其可將整數(shù)轉(zhuǎn)換為單精度浮點(diǎn)數(shù); “TP”為脈沖發(fā)生器功能塊，當(dāng)運(yùn)行人員需要手動(dòng)將流量累積值清零時(shí)，可點(diǎn)擊“復(fù)位”按鈕（ 復(fù)位按鈕與變量 MZH10DP101 R 相關(guān)聯(lián)） ，“TP”功能塊將產(chǎn)生脈寬為 1s 脈沖; “ST TTL”功能塊完成某一時(shí)間間隔內(nèi)的流量累積變化量計(jì)　　算。

由圖 3 可知，根據(jù)連續(xù)兩次調(diào)用“ST TTL”功能塊時(shí)間間隔的不同，“ST TTL”功能塊實(shí)現(xiàn)原理為:

a. 連續(xù)兩次算法塊被調(diào)用的時(shí)間在同一秒內(nèi)。假設(shè)“ST TTL”功能塊前一次被調(diào)用的時(shí)刻為 t1，對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)流量為 q1，“ST TTL”功能塊在同一秒內(nèi)再次被調(diào)用的時(shí)刻為 t2，對(duì)應(yīng)此時(shí)的瞬時(shí)流量為 q2，則對(duì)應(yīng)（ t2- t1） 時(shí)間間隔內(nèi)的累積流量變化量 ΔQ = q2× （ t2- t1） ;

b. 連續(xù)兩次算法塊被調(diào)用的時(shí)間不在同一秒內(nèi)。假設(shè)“ST TTL”功能塊前一次被調(diào)用的時(shí)刻為 t3，對(duì)應(yīng)此時(shí)的瞬時(shí)流量為 q3，當(dāng)“ST TTL”功能塊再次被調(diào)用的時(shí)刻為 t4（ 與 t3不在同一秒） ，對(duì)應(yīng)此時(shí)的瞬時(shí)流量為 q4，則對(duì)應(yīng)此時(shí)間間隔內(nèi)的累積流量變化量 ΔQ = q4× （ 1000 - t3+t4） 。
這種通過(guò)對(duì)流體瞬時(shí)流量進(jìn)行積分運(yùn)算得到累積流量的方法雖然較為簡(jiǎn)單，但在實(shí)際應(yīng)用中要注意: 模擬量輸入通道采集誤差對(duì)累積值計(jì)算有較大影響，特別是當(dāng)瞬時(shí)流量量程較大時(shí)影響更大，因此，使用前要對(duì)模擬量通道進(jìn)行校驗(yàn)并修正誤差; 恰當(dāng)選擇流量計(jì)量單位，由于是對(duì)瞬時(shí)流量進(jìn)行增量運(yùn)算且計(jì)算間隔zui長(zhǎng)為 1s，如果瞬時(shí)流量單位選擇“t/h”，其瞬時(shí)流量數(shù)值要比選擇“kg/s”計(jì)量單位的數(shù)值要小很多，進(jìn)行增量累加運(yùn)算時(shí)誤差較大，因此，要根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)選擇計(jì)量單位。

2 脈沖頻率法

為了避免時(shí)間間隔算法中模擬量輸入通道的采集誤差，較有效的辦法是將瞬時(shí)流量數(shù)字化，常用的方法是將瞬時(shí)流量用脈沖頻率信號(hào)來(lái)表示。汽機(jī)三抽至工業(yè)抽汽流量計(jì)選用上海橫河電機(jī)有限公司生產(chǎn)的 YF100CD 型渦街流量計(jì)，其配置信號(hào)電纜和流量轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器提供頻率與瞬時(shí)流量大小成正比的脈沖信號(hào)，將此信號(hào)引入 DCS 系統(tǒng) PM306-2AA 脈沖頻率輸入卡[2]，該模塊可測(cè)量的脈沖頻率范圍為 0 ～ 600kHz 脈沖。根據(jù) YF100CD 渦街流量計(jì)使用說(shuō)明書(shū)，其瞬時(shí)流速及流量與脈沖頻率關(guān)系見(jiàn)表 1。



將瞬時(shí)流量脈沖頻率值除以流量脈沖頻率系數(shù)得到氣體瞬時(shí)體積流量，除以對(duì)應(yīng)壓力、溫度下的氣體比容值后得到氣體瞬時(shí)質(zhì)量流量[3，4]，zui后可按時(shí)間間隔方法得到氣體累積流量值。

3 單位質(zhì)量脈沖法

采用 GE 公司生產(chǎn)的 AT868 夾持式超聲波流量計(jì)測(cè)量機(jī)組凝結(jié)水補(bǔ)水流量，該類(lèi)型超聲波流量計(jì)帶有就地顯示表頭，其具有瞬時(shí)流量顯示和累積流量計(jì)算等功能。表頭除提供 4 ～ 20mA 電流信號(hào)代表瞬時(shí)流量大小外，還提供“單位質(zhì)量”脈沖功能，即每當(dāng)流過(guò)管道的介質(zhì)總量達(dá)到某一設(shè)定值后，流量計(jì)輸出一個(gè)脈沖，通過(guò)累加“單位質(zhì)量”不但脈沖數(shù)達(dá)到了累積流量計(jì)算目的，而且還消除了模擬量采集誤差對(duì)累積流量計(jì)算帶來(lái)的影響。DCS 系統(tǒng)通過(guò)脈沖采集卡得到單位質(zhì)量脈沖數(shù)值后通過(guò)換算得到累積流量，其算法如圖4 所示。
圖 4 中，“CI 23 01”為脈沖采集卡第 1 通道的累積脈沖值; “ANY TO REAL”為數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換功能塊，其可將整數(shù)轉(zhuǎn)換為單精度浮點(diǎn)數(shù); “* ”為單精度乘法功能塊; 常數(shù)“0. 1”表示每個(gè)脈沖所代表的單位質(zhì)量（ 在實(shí)際應(yīng)用中，如果“單位質(zhì)量”脈沖頻率不是很高，可用普通 DI 卡件代替脈沖采集卡采集“單位質(zhì)量”脈沖） 。

4 串行通訊法

熱網(wǎng)供、回水熱量積算儀作為貿(mào)易結(jié)算儀表，對(duì)各組件精度及系統(tǒng)誤差要求較高。選用韓國(guó)昌民公司生產(chǎn)的 UR-1000 型五通道超聲波流量計(jì)測(cè)量供、回水瞬時(shí)流量，并將瞬時(shí)流量脈沖頻率信號(hào)送給熱量積算儀，同時(shí)將供、回水溫度和壓力補(bǔ)償信號(hào)接入積算儀，通過(guò)查表程序得到相應(yīng)的熱水“焓”值，乘以瞬時(shí)流量得到瞬時(shí)熱量，zui后對(duì)瞬時(shí)熱量進(jìn)行積分運(yùn)算得到累積熱量?？梢圆捎么型ㄓ嵉姆绞绞?DCS 系統(tǒng)讀取熱量積算儀的“瞬時(shí)熱量”和“累積熱量”等參數(shù)。一般熱量?jī)x均支持 Modbus 通訊協(xié)議，將 TCS-3000 DCS 系統(tǒng)配置串口通訊服務(wù)器來(lái)實(shí)現(xiàn) DCS系統(tǒng)與第三方設(shè)備的通訊連接，缺省支持的通訊協(xié)議即為 Modbus 協(xié)議，將“波特率”、“校驗(yàn)位”、“寄存器基地址”及“寄存器數(shù)量”等通訊參數(shù)以　　* . ini 配置文件形式下載到通訊服務(wù)器，斷電重啟服務(wù)器就可實(shí)現(xiàn)其與熱量積算儀的串行通訊，其系統(tǒng)配置如圖 5 所示。
需要注意的是: 熱量積算儀中“累積熱量”數(shù)據(jù)一般采用 IEEE754 格式，用 4 字節(jié)表示一個(gè)單精度浮點(diǎn)數(shù)，而 Modbus-RTU 只支持 16 位數(shù)據(jù)寄存器，必須用連續(xù)兩個(gè)寄存器存儲(chǔ)“累積熱量”數(shù)據(jù)，在 TCS-3000 DCS 系統(tǒng)中，當(dāng)把一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)變量與通訊服務(wù)器內(nèi)的 Modbus 寄存器對(duì)應(yīng)時(shí)，DCS系統(tǒng)自動(dòng)默認(rèn)連續(xù)取兩個(gè) Modbus 寄存器數(shù)據(jù)賦給浮點(diǎn)數(shù)變量。

5 結(jié)束語(yǔ)

在機(jī)組 DCS 系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)工質(zhì)累積流量的計(jì)算，對(duì)于火力發(fā)電廠(chǎng)指標(biāo)計(jì)算和耗差分析應(yīng)用具有重要意義，筆者所述 4 種“累積流量”計(jì)算方法已在華電新疆烏魯木齊熱電廠(chǎng) 2 × 330MW工程中應(yīng)用，實(shí)踐證明其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且精度較高，較好地解決了機(jī)組 DCS 系統(tǒng)計(jì)算工質(zhì)累積流量的問(wèn)題。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] GB/T2624. 3-2006，用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測(cè)量滿(mǎn)管流體流量[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[2] 李璐，張小燕. DI 模塊測(cè)量脈沖信號(hào)的理論研究及其應(yīng)用實(shí)例[J]. 自動(dòng)化儀表，2002，28（ 10） : 65 ～67.

[3] 夏冰. PLC 在流量顯示和累積計(jì)量上的應(yīng)用[J]. 計(jì)量技術(shù)，2009，（ 10） : 37 ～38.

[4] 董慶龍，胡繼偉. 流量累計(jì)功能在 PLC 系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)[J]. 煉油與化工，2007，18（ 3） : 50 ～51.