0 引言
冶金企业历来是耗水大户，随着生产规模的不断扩大，水资源短缺的问题日益突出。对水资源进行合理开发、高效利用、优化配置、全面节约、有效保护和综合治理，已成为冶金企业一项重要的战略任务。加强水资源管理，从根本上解决水资源浪费、短缺问题，必须实现水系统的信息化和现代化，建立水系统的信息管理、调度系统，完成对钢铁企业工业用水的宏观和微观上的调度，从而提高企业生产效率和竞争力。
为了加强能源管理、合理利用，济南钢铁集团总公司（以下简称济钢）投入大量资金建成了能源中心项目，水资源作为重要的能源介质在该项目中占有重要的位置。在该项目中建立了先进的水调度管理监控系统，实现了对全厂的供水管网、新水补水系统、软水系统供水量、环水系统、一二级用户使用量、水源井系统、厂区外排水系统等能源管理、计量、调度数据的自动采集、实时监视、管理与调度，及时进行供水系统平衡与调整，提高了企业能源综合管理水平。
1 流量计的选型技术要求
济钢是一家具有50多年历史的老厂，由于历史的原因，水计量仪表配置不足，能源中心的建设要求建立完善的水流量计量系统，结合济钢实际情况，为满足不停水在线安装的要求，在流量计选型上提出了如下要求。
①具备在线不停水安装的特点。检测装置可实现在线不停产安装及维护。
②可适合不同水质的检测要求。济钢水系统有新水（地下水）、软水、纯水、环水等不同水质。
③适合不同管道安装方式的检测要求。如架空、地表、立管、横管、地下、掩埋等。
④能满足多种管道材质的检测要求。在济钢水系统中管道材质有碳钢、不锈钢、铸铁等多种材质。
⑤能适合多种管道压力情况的测量。
⑥具有较强的抗电磁、变频等干扰性能。
⑦结合现代技术要求流量计应为智能仪表，并具有数字通信功能和标准电流（4～20mA）输出。
针对上述技术要求，经过比较超声波、电磁、多普勒、涡轮等适合水流量测量的各种流量计的特点[1]，我们选用了TDS-100系列超声波流量计作为济钢能源中心水系统的检测仪表。该流量计除具有测量范围广、测量方式多、安装方便、测量精度高等一般超声波流量固有的特点外[2]，还采用了高可靠设计、故障率低，特别适合于大口径的测量[3]，且具有数字通信功能，适合冶金企业的远程监视和恶劣的工作环境。
2 TDS-100超声波流量计检测原理
TDS-100流量计由换能器、电子线路、流量显示及累计部分组成。它是测速式流量计的一种，是基于时差法来测量的检测仪表[4]，即当超声波速在液体中传播时，液体的流动将使传播时间产生微小变化，其传播时间的变化正比于液体的流速。超声波流量计检测原理如图1所示。
图1 超声波流量计检测原理
即时间变化与流速关系符合下面表达式：
（1）
式中：θ为声束与液体流动方向的夹角；M为声束在液体的直线传播次数；D为管道内径；Tup为声束在正方向上的传播时间；Tdown为声束在逆方向上的传播时间；ΔT为Tup-Tdown。
3 传感器安装方法
超声波流量计传感器按照其在管道上的固定形式可分为外缚式和插入式；从声波传输方式上可分为：V、Z、N和W法[5]。
由于钢铁行业一般水管道直径大于DN50，插入式精度优于外缚式。因此，我们优先选用插入式且较理想的Z法和V法[6]。在安装调试过程中经常出现的问题与处理方法如表1所示。
从表1中可以看出，造成流量计检测不稳定的因素很多，较突出的有以下3点：
①选择的检测部位直管段不够；
②检测介质有脉动流，出现这种情况需要在转换器部分通过阻尼设定增加相应时间以消除测量值的波动[7]；
③选择的检测部位附近装有泵、阀或其他测量装置等干扰流动的因素存在。
4 数据通信
由于TDS-100为智能仪表，具有数字通信功能，因此，在信号采集上我们采用了数字通信技术。采用MOXRTU作为数据采集器，与TDS-100进行通信，开发了流量计检测数据的串口通信读取程序，通过高速以太网上传至能源中心数据库服务器。
4.1 TDS-100超声波流量计通信
TDS-100超声波流量计转换器部分带有RS2232接口，通过RS2232/RS2485转换器转换成RS2485，数据的传输采用应答方式，即采集器发出命令请求，流量计做出相应的回答。基本命令采用数据字符串表示，特点是数据长度随意，通信数据格式如表2所示。
4.2 数据采集器
由于系统数据各子站比较分散，I/O数据采集量大，我们选用了前面所述的MOXRTU作为采集单元，它综合了数据采集、远程设备监控、网络通信等功能。各子站数据可通过EtherNet与I/OServer连接，将本系统的数据传递到能源中心，通过监控站实现对全厂数据的监控。数据采集器编程如图2所示。
图2 数据采集器编程框图
4.3 数据采集器通信程序
根据TDS-100超声波流量计特有的通信协议格式，编制了流量计采集通信程序，其流程如图3所示。
图3 通信程序流程图
5 监控系统
监控系统平台采用Citect的工业控制软件CitectSCADA来实现整个系统的监控。CitectSCADA是一个基于网络环境开发的工业控制平台，它具有的网络连接能力，可以轻易地组织足够庞大的网络化监控系统。为了实现全厂数据集中监控的目的，在中央机房安置两种类型的CitectSCADA软件。一种是FullVersion，这种CitectSCADA软件负责和生产现场的子系统进行自己的连接采集生产现场的数据，根据编程的逻辑进行报警、趋势和报表的处理，同时它也是所有操作员站的数据来源。另外一种是DisplayVersion的CitectSCADA即操作员站所采用的监控软件，它采用了和FullVersion完全相同的软件，唯一不同的地方是它只有显示和操作的功能，其显示或者操作的数据都是来自于FullVersion的。在本系统中，超声波流量计大多通过RS2485总线通信方式（个别采用通信方式比较困难的采用4～20mA）。其接入方式如图4所示。
图4 超声波流量计接入方式图
6 结束语
超声波流量计以其安装简便、运行可靠、无压损以及符合现代要求的数据通信等特点较好地满足了济钢恶劣环境中水流量的计量需求。另外，在数据采集中采用数据通信方式实现对超声波流量计的采集，实现了数据的无误差传输并且便于集中监视仪表的运行状态，便于系统的扩充发展，减少了故障点，提高了工作效率。
参考文献
[1]戴桢建.流量测量仪表选用探讨[J].工业计量，2007（s1）：39-41.
[2]廖志敏.超声波流量计的研究与应用[J].管道技术与设备，2004（4）：12-14.
[3]许锋.超声波流量计原理及应用[J].大众标准化，2003（3）：42-43.
[4]张茂松.超声波流量计的测量原理及在南钢的应用[J].工业计量，2007（s1）：113-115.
[5]燕金钢.超声波流量计在测量中应注意的几个问题[J].中国仪器仪表，2005（9）：112-114.
[6]崔建霞.超声波流量计的选型及应用[J].矿山机械，2006（4）：90-91.
[7]赵金强.超声波流量计在实际使用中遇到的问题与解决方案[J].化工自动化及仪表，2003（5）：71-72.
