1 引言
在城市自来水、燃气、热力管网调度等建设项目中，经常会遇到远距离输送时的流量监控问题。随着计算机（computer）、数字通信（commuNIcation）和控制（control）技术的不断发展，出现了许多以嵌入式系统为基础的现场总线仪表和设备，能够有效地提高监控系统的数据准确性和可靠性。本文以基于HART协议的电磁流量计在源水远距离输送计量中的应用为例，提出了一个典型的现场总线控制系统，有效地解决在远距离通信环境恶劣情况下的数据传输可靠性问题。
2 系统硬件架构
为了完成供水量数据的采集，通常使用电磁流量智能仪表进行测量并把测量的数据通过某种通信方式传输给中控计算机。智能化电磁流量仪表除了能给出4~20mA瞬时流量外，通常将流量值和流量累积数据保存在仪表自身的存储器中，并可以通过某一种通讯协议，将数据传送给计算机。智能化数字仪表的通信协议有多种形式，如：Modbus、HART、RS-485、RS-232等等，其通信速度和通讯距离各不相同，由于中控计算机一般只支持RS-232C的串口通讯，需要进行相应的转换程序，数据才能被计算机接收。
针对基于HART协议的电磁流量计，为了实现智能流量计与中控计算机之间的通信，需要在智能流量计与中控计算机之间进行HART信号与RS-232信号的相互转换。由于源水流量计通常安装在野外空旷地带或山区水库出口，容易遭受雷电干扰，为了避免恶劣环境对传输信号的影响，同时延长RS-232信号的传输距离，可以把电信号转化为光信号再进行远程传输，然后再把光信号转化为电信号传递给中控计算机。也可以利用GPRS等无线通信设施进行远距离通讯。
根据分析设计了基于HART协议的电磁流量计数据远程通讯与管理系统的配置图见图1。该系统是由电磁流量计、HART/RS-232转换器、光纤收发器、中控计算机等部分组成。HART协议的数据信号最远可传输3000米，但信号电缆容易受到雷电袭击和强磁干扰，可以将其转换为RS-232协议，再用光纤收发器完成RS-232低速率信号的远距离光纤传输。
图1 系统配置图
3 软件设计
系统的软件开发工具选择了VisualBasic6.0，为了能保存大量数据，同时选用MicrosoftSQLSERVER2008数据库管理系统来管理数据。该软件主要包括供水流量数据的采集、查询、以及对历史数据进行统计和用水量趋势分析，以提供用水决策信息。该系统的功能模块总体结构图见图2。
图2 系统功能模块总体结构图
其中，数据采集模块主要完成电磁流量计的数据采集，此模块提供了校验和检验、错误处理、以及轮流采集多个电磁流量计数据等功能。数据查询模块主要是根据用户提供的时间点来查询电磁流量计的瞬时流量，以及根据某个时间段来查询电磁流量计的累积流量。统计报表模块主要是对历史数据进行统计，形成日报表、月报表和年报表，解决了手工填写报表的问题。趋势图模块主要是以图形化形式来表示供水的变化趋势，趋势图包括日趋势图和年趋势图。
4 系统的通信分析与可靠性设计
4.1 HART协议简介
HART总线可以同时传送模拟信号和数据信号。Hart协议具有现场总线类似的体系结构，HART协议以ISO制订的OSI开放式系统互连参考模型为参考，采用了OSI模型的物理层、数据链路层和应用层。
物理层：通常情况下，物理层是以双绞线为介质，它或是单独提供数据通信、或是在完成4-20mA模拟信号传输的同时进行数据通信，如需要进行远距离传输，可采用租用电话线及无线电方式进行通信。如果只有一台智能设备，采用双绞线屏蔽线通讯距离可达3000m，当有多台智能设备时距离可达1500m。
数据链路层：它规定了HART的信息帧，并根据错误检测及自动重发请求协议（ARQ），可对通信中因噪音或其他干扰引起的错误数据进行自动修正，从而实现了数据的无差错传输。HART的信息帧由先导字符、定界符、地址域、命令域、数据长度、响应码、数据和校验和组成，如表1所示。
表1HART通信协议的帧格式
其中的响应码字段在请求帧中是不存在的，它只会出现在应答帧中。HART通信协议能识别三种不同的设备类型即主设备、从设备和成组模式设备。一个通信链路最多可以支持15个设备。
应用层：它支持三类命令即通用命令、一般行为命令和特殊设备命令。
4.2 系统的通信分析
本系统主要的通信过程是中控计算机与电磁流量计之间的通信。本文分析有线通讯部分。图3是电磁流量计与中控计算机通信示意图。其中A5191Modern是HART-RS_232转换器中的主要芯片，它负责完成HART信号与RS_232信号之间的转换。
图3 电磁流量计与中控计算机通信示意图
在最终实现的软件系统中，由电磁流量计的数据采集模块负责数据采集。采集的过程就是中控计算机与电磁流量计的通信过程。中控计算机与电磁流量计之间的一次通信流程见图4。
初始化串行口步骤主要是给各通信端口配置各种参数，如设置波特率和异步通信数据格式等。形成读电磁流量计数据的请求命令步骤主要是根据表1中相关字段的编码以及计算出来的校验字节形成命令字。发送读仪表命令步骤主要是通过计算机串行口把该命令发送给电磁流量计。通常用0号命令字读取每个电磁流量计的标识符。由于是进行异步通信即一个字节一个字节地进行传输，所以要判断响应命令数据是否已经接受完成。此外在接受到数据时要进行检验和检查，即采用异或逻辑运算求该命令（除校验和字段）的校验字，把该检验字与响应命令中的校验和字段进行比较，如果相等，就从响应命令中提取数据进行相应的处理。注意由于VB6.0不支持多线程，所以当数据采集模块在读取多个电磁流量计时，必须串行进行，即在读完一个电磁流量计数据之后才可以对另外一个电磁流量计进行读取。
图4 中控计算机与电磁流量计之间的一次通信流程
4.3 系统可靠性设计
自动控制系统不需要人工的干预就能够自动根据情况进行调节，所以自动控制系统本身对可靠性的要求较高。此外由于自动化供水及调度系统许多设备在室外易受恶劣环境的影响，因此必须采取可靠性措施来提高系统的可靠性。但提高可靠性就会提高系统的成本，所以本系统是在一定经济成本下考虑系统整体的可靠性问题。以下是提高系统可靠性的一些措施。
第一，该系统最重要的部分是保存在数据库中的数据，因为许多软件模块都要用到这个数据库。为了防止系统崩溃导致数据库中的数据丢失，通常采用双工镜像方式即有两个硬盘控制器和两个硬盘来保存历史数据。第二，为了保证保存到数据库中的数据是正确的，通常对采集到的数据进行判断，如果数据属于电磁流量计的量程范围之内则保存到数据库中，否则丢失。第三，由于本系统采用了HART通讯协议，因此在传输过程中硬件会自动对各种命令数据进行校验，以防止命令在传输过程中出错，此外在数据采集模块中又对接受到的响应命令进行校验和判断，如果有错误，软件系统就会提示各种错误并对各种错误进行相应的处理，从而便于解决问题和提高软件系统的容错能力。最后，为了提高通信的质量防止通信过程受恶劣环境的影响，本系统采用光纤通信，同时对设备电源和通讯信号分别加装了避雷器，并做好系统的接地。
5 总结
本文根据城市供水中的实际问题，提出了一个经济可行，可靠性较高的系统设计方案，介绍了系统的组成框架和软件设计，分析了系统的通信过程和可靠性。该系统能保证在无人的情况下，自动完成多个流量计的数据采集和监测。该系统对其他通讯协议的现场总线设备的数据采集与管理具有参考价值，并且可以推广应用于城市燃气、热力、排水等管网调度项目。
本文的创新点：在雷电常发生地区，基于HART协议的电磁流量计数据远程通信过程中数据容易发生错误，本系统采用光钎通讯和软件可靠性措施保证了数据通信的可靠性。在同类工程项目中有着良好的应用前景。
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