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1、第 22卷 第 3期电子测量与仪器学报Vol122 No13 2008年 6月JOURNAL OF ELECTRON ICMEASUREMENT AND I NSTRU MENT#83#本文于 2007年 5月收到。粉体静电实时在线监控系统设计王丽君 林伟国 谭凤贵(北京化工大学信息科学与技术学院,北京 100029)摘 要:本文介绍了粉体静电实时、在线监控系统的设计,它由现场的定容式粉体静电监测仪和控制室内的监控机两部分组成,采用组态王作为监控软件,依据 M odbus协议控制粉体静电监测仪进行粉体静电电荷的实时、在线、远程监测。论文介绍了系统的整体构成、工作原理及远程实时监控功能的实现方法
2、。该监测系统弥补了手动方式监测粉体静电电量的不便,更有效的避免了石化行业中的燃烧、爆炸等重大事故的发生。实验结果表明,系统具有较好的重复性。关键词:粉体静电,在线监测,M odbus协议中图分类号:TP277 文献标识码:A 文章编号:J205Design ofOn-lineM easurement System for Electrostatic Charge of ParticlesW ang L ijun L inW eiguo Tan Fenggui(Infor mation Science and Technology Depart ment,Beijing University o
3、f ChemicalTechnology,Beijing,100029 China)Abstract:In this paper,the design of real ti m e,on-line measure m ent system for electrostatic charge of part-icles is introduced.The system is composed of a fixed-capacity m easurement instrument for electrostatic charge ofparticles in the scene and a moni
4、tor in control room.K ing view is used as the supervision software,the rea-l ti me.On-line,long distancemonitoring of electrostatic charge of particles is i mplemented through controlling the meas-urement instru m ent based onModbus protoco.l The system can re m edy the shortage of inconvenience ofm
5、 anual op-erations formeasuring electrostatic charge of particles;it can avoid the happening of burnings,explosions and otherfatal accidents in petrochem ical industrymore effectively.Experi m ent results show that the system has good repea-tability.Keywords:electrostatic charge of particles,on-line
6、 measure men,t Modbus protoco.l1 引 言石化行业中,粉体静电放电会引发火灾、爆炸等事故,因此,粉体处理作业过程中带电量的有效实时在线监控,一直是静电研究领域十分关注的前沿课题。粉体静电参数主要有静电电压、静电电场、荷质比等。目前常见的静电监控系统绝大部分是通过监测静电电压和静电电场强弱来间接反映粉体电荷量的大小 1 2,这类方法因不能直接反映粉体带电电荷量的绝对值,易造成较大的测量误差,给静电荷的预测和评估带来困难,并直接影响对静电荷的有效控制和高效消除;荷质比(Q/m)是粉体带电程度的一个重要表征参量,当荷质比超过极限值时,每一粉体粒子的表面电场强度足以使周围
7、的大气电离,将会引起粉体静电放电。因此,荷质比的测量对于预防静电放电事故具有重要意义 3 4。谭凤贵教授设计的 DQJ-2粉体静电监测器的测量参数是荷质比,但它采用的是手动方式,不宜用于实时监控系统 5。本文所设计的粉体静电在线监控系统,测量的参数也是荷质比,但它将定容式粉体静电在线监测仪与组态王监控软件有机的结合起来。它依据组态王能支持 Modbus协议以及 Modbus协议是工业控制器上的标准通信协议的特点,通过编程能实现粉体静电的实时、在线、远程检测和控制。它具有直观再现现场工作情况、测量精确、操作简单等特点,避免了手动方式检测粉体静电电量带来的危险,弥#84#电 子 测 量 与 仪 器
8、 学 报2008年补了其它静电检测方法测量精度不高的缺点,并且比用 DCS系统或其它国外组态软件花费低,具有非常好的应用前景 6。2 粉体静电实时在线监控系统的工作原理 监控系统主要由现场测量和远程监控两部分组成。现场测量主要使用定容式粉体静电监测仪 7。它采用定容式法拉第筒原理,即在管道旁路中放置了相互绝缘套接的双筒结构的定容电荷室。通过旁路在伸进主管道部分采用倾斜切面来获取物料。由于切面很小,不至于影响主管道中物料的畅通。在定容电荷室的下方装有电磁阀,电磁阀的开关用于粉体物料的排放和取样。图 1 监控系统整体框图 监控系统整体框图如图 1所示,粉体静电远程监测功能由控制室内监控机通过组态王
9、监控软件发起,监控系统的工作过程如下:正常情况下,电磁阀处于直通状态。监控计算机上的组态王监控软件定时发送测量命令,通过 RS-485通信总线送到静电监测仪;静电监测仪接收到测量命令后,输出一个/关 0信号来控制电磁阀关闭,采集粉体。由于静电监测仪的信号调理电路中有一积分电路,因此可以根据积分信号的饱和与否来判断粉体是否充满法拉第筒,一旦检测到粉体充满法拉第筒,即把当前采样结果回传给监控机。监控机根据接收的信息计算荷质比,一旦荷质比超过报警极限,发出消静电命令,启动静电消除器工作,从而实现对粉体静电的消除。正是由于电磁阀的远程通断控制实现了粉体的采集,进而有效地实现了对工业粉体静电的远程、实时
10、、在线监控,方便了操作人员,保证了生产安全。3 基于 Modbus协议的粉体静电远程监控功能的实现 Modbus协议有 ASCII模式和 RTU(远程终端单元)模式两种通信模式,RTU 模式以十六进制传送数据,数据传送的效率高于 ASCII模式。本监测系统中采用的是 RTU模式,对应的错误校验方法是CRC-16校验方法。03H 是本监测系统主要用到的一个功能码,它的命令帧格式如下所示:第 3期粉体静电实时在线监控系统设计#85#主机请求:地址 命令字 欲读寄存器首地址 欲读字个数 CRC1601 03 00C7 0001 F735从站应答:地址 命令字 读到的字长度 寄存器内容 CRC1601
11、 03 01 42 00 48F003H 的功能是读保持寄存器的值,其中存放的是粉体静电电压测量值。当主机需要查询粉体静电监测仪的测量数据时,向串行通信总线上发出功能码为 03H、地址码为 01 H 的命令帧,地址匹配的从机(01号)做出响应,发出应答帧,将主机要读取的粉体静电监测仪的测量数据进行采集并发送到 RS-485串行总线上。监控系统采用的是主机定时呼叫从机方式。通信过程简介如下:首先由主机(组态王)向从机(粉体静电监测仪)发送地址 01 H,所有从机都会接收到地址并与本机地址比较,若地址相同则准备接收本次数据包的其他帧,若地址不符则不接收其余帧。从机接收完毕后,生成接收数据的 CRC
12、 校验码,并判断计算所得 CRC校验码与主机发来的 CRC校验码是否相同,若相同则认为接收正确,从机对接收到的命令帧进行解析,确认是要求从机读取保持寄存器的值。解析完后关闭电磁阀,采样粉体并进行 A/D转换,判断是否达到静电电压饱和,若已达到饱和便调用发送子程序,发送响应帧(包括数据及其 CRC校验值)给主机,也即将粉体静电监测仪的测量值发送给主机。若校验出错或解析命令帧有误,则从机向主机发送出错数据包,出错数据包的特征是将功能码的最高位置位,把功能码 03 H 改为 83 H(大于 127的功能码是出错功能码),并且还把一个特殊码放入响应信息的数据区中,告诉主机出现的错误类型和不能正常响应的
13、原因。主设备应用程序得到异议的回应后,典型的处理过程是重新呼叫从机。从机发送数据之后,打开电磁阀,放掉物料,为下一次采样作准备。主机对接受到的数据进行判断,若测量值没有超过极限值,则不启动静电消除器,直接转入主机呼叫从机状态;若测量值超过极限值,监控机首先启动静电消除器进行静电消除,然后继续定时呼叫从机,直至粉体静电电荷量回复到正常值范围内时,停止静电消除,从而实现粉体静电的实时在线监控。依据 Modbus协议的监控机和粉体静电监测仪之间串行通讯的流程图如图 2所示。图 2 粉体静电远程监控的软件流程图4 监控系统功能设计利用组态王 6.5完成监控界面的开发。操作人员通过组态王可以实时采集粉体
14、静电监测仪所监测的静电电荷数据,根据数据和趋势曲线判断整个生产过程的运行情况。在控制室内,监测系统界面由若干个画面组成。主要有主控画面、报警和事件画面、实时和历史趋势曲线画面、实时和历史数据报表画面及数据库查询画面等。通过建立数据词典、调用相应控件、写入命令语言等步骤实现上述画面的设计。其中主控画面如图 3所示。它形象地再现了现场的实际情况,声光报警窗口可以及时提醒操作人员采取相应的措施。登录窗口中,不同的操作人员登录后具有不同的操作权限,从而有效地防止了误操作。实时趋势曲线可直观反映粉体静电电压的变化。此外,点击#86#电 子 测 量 与 仪 器 学 报2008年图 3 粉体静电监控主画面画
15、面下方的不同功能按钮,可以方便地切换到想要查看的画面。5 结论及展望本文介绍了粉体静电在线监控系统的设计,依据 ModBus协议实现了组态王监控软件和粉体静电监测仪之间的串行通讯,对粉体静电实现在线、远程、实时监控。重复性实验表明,对于经过定长管道下落到定容电荷室的粉体静电积分信号,在充电时间、波形和幅值几个方面都具有较好的一致性和重复性,表明本监控系统方案是可行的,为进一步的现场应用打下了较好的基础。参考文献:1 Juliusz B,Gajewsk*i.Electrostatic flow probe andmeas-uring syste m calibration for solidsm
16、ass flow ratemeasure-ment.JournalofElectrostatics 1999,(45):255-264.2 冯喜.静电多路巡检报警系统设计.天津工业大学学报.2002,21(1):32-34.3 Juliusz B.Gajewski*.Frequency response and band-w idth of an electrostatic flo w probe.Journal of Electro-statics 2000,(48):279-294.4 J.M a,Y.Y an*.Design and evaluation of electrostatic
17、sensors for the measurement of velocity of pneumaticallyconveyed solids.Flow M easure ment and Instrumentation11 2000,195-204.5 谭凤贵,王子纯.粉体静电监测器.中华人民共和国知识产权局.03221786.2,2004年 5月 26日.6 朱小襄.M odBus通信协议及编程.电子工程师,2005,31(7):42-44.7 林伟国,王丽君,许南山,谭凤贵.定容式粉体静电在线监测仪的设计.仪表技术与传感器.2006,(9):15-18.作者简介:王丽君王丽君:女,1978年出生,北京化工大学检测技术与自动化装置专业硕士研究生,主要研究方向为智能信号检测与实时处理。E-mai:l wr321978 1261co m林伟国:男,1968年出生,北京化工大学信息科学与技术学院副教授,工学博士。主要从事管道泄漏监测、静电监测和流量检测技术等方面的教学,研究工作。谭凤贵:男,中石化安全技术研究所总工程师,1964年毕业于哈尔滨工业大学电机系。北京化工大学兼职教授。中国安全生产委员会专家组成员(化工组),长期从事生产安全研究、开发与应用工作。