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基于WINCE的天然气流量计算机系统的设计与实现.pdf

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西南交通大学硕士学位论文主要工作贡献声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下本文依据天然气计量系统要求和标准孔板流量计测量天然气流量原理,利用计算机技术和数据库技术,设计并开发了一款流量计算机。流量计算机完成了管道天然气流量计算与监测,满足现代化流量计量系统自动化、智能化和网络化的需求。本文在对孔板流量计天然气流量计量方法的分析与研究基础上,优化了天然气压缩因子和流量计算流程,使嵌入式系统能够实时完成流量计算。结合系统需求和实际情况,确立了系统的总体架构。分析了硬件平台与软件开发环境,完成了软件架构分析与设计,为软件设计了多线程工作体系与线性化的业务逻辑。设计并开发了适用于流量计算机的内部寄存器系统,优化了数据处理流程。在嵌入式WINCE系统下,使用C语言开发了系统主工作线程、数据采集和存储管理系统流量计算与补偿模块、通信系统、RTU端监控软件。且系统具有良好的扩展性和二次开发能力。通过对流量计算机流量计算的准确性、软件运行性能和参数设置的测试,验证了本流量计算机能够满足天然气流量计量需求。本人郑重声明所呈交的学位论文,是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。学位论文作者橼商旆铋日期≯眄、o§、7,2.-万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第1页摘要天然气流量计量是一项重要技术基础工作,是影响天然气产业发展的重要因素。流量计算机是负责天然气管道流量的测量设备,肩负着流量计量系统最基础的测量管理职责。因此保证流量计算机的运行稳定、计量准确十分重要。为了满足天然气流量计量的实时性和可靠性要求,开发一款稳定性高且性能优的流量计算机具有重要的现实意义。本课题以成都国光电子仪表有限责任公司天然气流量计算机系统开发升级项目为背景,设计并开发了一款高实时性、运行可靠的流量计算机。本文所设计与开发流量计算机应用于标准孔板流量计的天然气测量工作。在对孔板流量计流量计算方法的分析与研究基础上,优化了压缩因子计算流程,极大地缩减了流量计算耗时,使实时流量计算在本文所选硬件平台上得以实现。根据天然气计量系统技术要求,结合实际应用情况,确立了系统的总体架构。分析了硬件平台VP.25W1和WINCE系统特点,完成了软件架构的分析与设计,为系统设计了多线程工作体系与线性化的业务逻辑。针对业务需求,设计并开发了高效的内部寄存器系统,优化了数据处理流程并提高了系统性能。流量计算机软件使用C撑语言编写,运行于.NET CF环境。软件以主工作线程为主体,主工作线程周期性地执行数据采集、流量计算、数据存储、显示刷新等任务。实时且高精度的流量计算确保了计量的准确性,采用前补偿算法完成流量补偿工作。开发了基于SQLite的数据存储管理系统,高效可靠地管理系统运行参数、历史数据和系统事件。Modbus TCP服务器和TCP服务器分别为监控中心提供实时流量数据和历史流量数据。设计并开发了RTU端监控软件,能够查看各路流量计实时数据和历史数据,且具备参数设置、流量计状态更改等功能。系统具备良好可扩展性和二次开发能力。本文设计并开发的流量计算机能够实时完成数据采集、流量计算、动态显示、参数设置、系统校时、实时数据上传和历史数据存储管理等功能,满足天然气流量计量的自动化、智能化和网络化需求,为定制性强、实时性要求高且稳定可靠的天然气流量计量设备设计与开发提供了方法和思路。关键词 天然气;孔板流量计流量计算机WINCE流量计算万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第||页Abst ractMeasurement of natural gas flow IS all important technical foundation work.and it s akey factor that a腩cts the development of the natural gas industry.Flow meter is responsiblefor the pipeline gas flow measurement,which undertakes the most basic measuring andmanaging work in flow measurement system.Thus it’S very important to ensure the flowmeter running stably and measuring accurately.In order to meet real-time and reliabilityrequirements of gas flow measurement,developing a flow meter owning high stability andperance has import practical significance.The project is from ChengDu GuoGuangElectronic Instrument Co.Ltd.,and a real-time and reliable flow meter is developed.The flow meter designed and developed is applied in measurement of natural gas flowby means of standard orifice plate meter.Based on the analysis and study of flow calculation of orifice plate meter flow,the process of calculating natural gas compression factoris optimized,which reduces the time consuming of flow calculation greatly and makes itpossible for real-time flow calculation on the embedded system.According to the technicalrequirements of the natural gas metering system and combined with practical application,theoverall architectm e of the system is established.After the analysis of the features of thehardware plat VP-25W l and WINCE operating system,the analysis and design ofsoftware architecture for the system are completed,and a multi-threaded system with a linearworking logic is designed.For the system requirements,all efficient internal register systemis designed and implemented,which optimizes data processing and improves systemperance.The software of flow meter is developed by C拌and runs in.NET CFenvironment.The software is built on the main working thread,which periodically persdata acquisition,flow calculation,data storage,display refresh and other works.Theaccuracy of the measurement is ensured by highly accurate flow calculations and realtimecution.The system uses front compensation algorithm to finished flow compensationwork.An efficient and reliable data storage management system is developed based onSQLite database,which manages system operation parameters,historical data and systemevents.Modbus TCP server and TCP server provides real-time flow data and historical flowdata to the monitoring center respectively.Monitoring software is developed,which Canview real-time data and historical data,and have parameter settings,meter status changingand other functions.The flow meter has good scalability and ability of secondarydevelopment.A flow meter is designed and developed,which is capable of real-time data acquisition,flow calculation,drIlamic display,parameter setting,system clock check,data upload.Theflow meter meets the automation,intelligent and networking requirements.The work done inthe thesis provides a direction for the designing and development of natural gas flowmetering equipment.Key wordsNatural gas;Orifice plates meter;Flow meter;WINCE;Flow calculation万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 I I页目录摘要IAbstract.......II第l章绪论l1.1课题背景及研究意义l1.2国内外研究现状及发展趋势l1.3本文研究内容21.4本文组织结构3第2章天然气流量计量原理与压缩因子计算优化42.1孔板流量计42.1.1孔板流量计安装示意图..42.1.2孔板结构分析与测量原理一52.1.3孔板流量计取压方式..62.2天然气流量计量72.2.1天然气标准参比条件下体积流量计量。72.2.2天然气体积发热量计量112.2.3流出系数C修正.112.3天然气压缩因子计算与优化..122.3.1 AGANX.19算法一132.3.2 AGA8.92DC算法一142.3.3压缩因子计算优化152.4本章小结..1 7第3章天然气流量计算机的分析与设计。l 83.1天然气流量计算机系统基本技术要求。183.1.1硬件基本技术要求l 83.1.2软件基本技术要求l 83.2流量计算机功能需求分析及总体设计。193.2.1系统功能需求分析193.2.2系统整体设计框图193.3流量计算机软件架构设计一223.3.1流量计算机软件框架设计223.3.2软件工作逻辑243.3.3系统初始化253.4寄存器系统一26万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 v页.3.4.1原始数据队列273.4.2工作寄存器273.4.3中间寄存器283.4.4 Modbus寄存器293.4.5数据库存储寄存器和TCP服务器寄存器303.5本章小结..30第4章天然气流量计算机软件实现一3 14.1系统开发平台与开发环境3 l4.1.1.NET Compact Framework简介3l4.1.2软件开发环境与PACSDK324.2系统主工作线程..334.2.1工作线程运行流程334.2.2原始数据提取344.2.3流量计算与补偿354.2.4历史数据存储364.2.5系统校时374.3数据采集与存储管理..384.3.1数据采集384.3.2数据存储管理394.4流量计量与补偿一434.4.1流量计算444.4.2压缩因子计算454.4.3流量补偿计算464.5通信系统.474.5.1 ModbUS TCP服务器474.5.2 TCP服务器.504.6系统开发与扩展一534.6.1 Log系统。534.6.2系统接口与二次开发544.7本章小结一55第5章流量计算机系统配置与测试..565.1流量计参数..565.2流量计算机参数上位机配置..575.3流量计历史流量数据上传..57万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第V页5.4系统测试595.4.1软件正确性测试595.4.2软件性能测试6l5.4.3流量计参数设置与数据上传测试625.5本章小结一64总结与展望65致j射.66参考文献67攻读硕士学位期间发表的论文70万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第1页第1章绪论1.1课题背景及研究意义天然气是以烃类气体为主体的气体混合物,是一种热值高、污染小、安全性好的能源,在世界范围内得到了普遍应用。天然气产业发展迅速,其广泛应用于发电、化工、汽车燃料、加工制造、城市燃气等领域。液化天然气作为汽车燃料,具有热值高、尾气污染小、价格低等特点【l】。近年来一大批大中型气田在西部地区得到勘探和开发,为“西气东输”、“川气东送”等国家能源战略提供坚实的保障,推动了我国天然气工业蓬勃发展。中国天然气资源潜力巨大,不断的有新气田涌现,消费市场不断扩大,预计我国将在“十二五”期间便会跻身天然气生产和消费大副31。2013年我国总计消耗天然气1616亿立方,比2012年增长10.8%,占世界天然气消耗比4.8%E41。目前己探明天然气资源储量5.1万亿立方米。“十二五”末,天然气生产能力预计约760亿立方米,年进口天然气量约935亿立方米。国家发展改革委员会于2012年底出台了天然气发展“十二五’’规划,为天然气产业发展指明方向。不断完善基础设施、提高天然气消费比重、优化能源结构、加快产业发展,实现可持续发展战略目榭51。天然气流量计量是困扰天然气产业发展的重要影响因素,天然气工业发展必须有效地解决天然气计量工作。准确的流量计量不但能确保贸易公平结算,同时能够促进生产工艺不断改进,提高产品质量,降低产品生产成本,确保安全生产,提高经济效益【61。本文以成都国光电子仪表有限责任公司的天然气流量计算机系统开发升级项目为背景。对流量计算机各项功能进行了详细的研究分析,并依据硬件平台开发了一款满足要求的流量计量软件。本流量计算机是基于公司原来的流量计算机LWJ.RTU/V 1的基础上全新设计并开发的,使用了新的编程语言、数据存储方式,并重新对软件系统架构及业务逻辑进行设计,使得系统的可靠性和稳定性有了较大提升。系统能实时采集孔板传感器上的差压、静压和温度信号,结合气体分析仪所分析的天然气体组分参数,实现流量实时计算与流量数据存储管理。本文所设计开发的流量计算机作为RTURemote Terminal UnitI作于现场,为天然气流量计量系统提供坚实的基础。本流量计算机具有定制性强、扩展方便、采用通用通信协议方便与监控中心上位机交互数据和组网,形成一个监控中心与多个RTU的分布式计量系统,满足了现代化天然气流量计量系统的自动化、智能化、网络化等要求。1.2国内外研究现状及发展趋势天然气计量,是指在天然气流动的过程中,测量其气流大小【7】。流量计是指用于测量管道中流体流量的仪表设备【引。目前天然气贸易计量方法主要有体积计量、质量计量和能量计量【91。由于能量计量考虑了天然气的质和量,比体积计量更科学合理,目前发万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第2页达国家多数采用此种计量方式。而我国约80%的贸易交接方式采用体积计量。流量计主要有孔板流量计、涡轮流量计和超声流量计。从流量计选型上,北美地区以孔板流量计居多,目前涡轮流量计、超声流量计逐步增加。欧洲国家孔板节流量计几乎己被淘汰,涡轮流量计和超声流量计占80%以上【lo】。孔板流量计在国外的使用率不断较低,我国的使用率由于历史原因仍为80%以上【11】。孔板流量计是将标准孔板与差压变送器配套组成的流量计量装置,其原理是当流体流经孔板时,在其前后产生压差,此差压值与流量的平方成正比。孔板流量计具有结构简单、成本低等优点,得到最广泛应用【141。孔板结构正由一孔向多孔及槽结构发展,测量精度得到不断提高【l 6|。孔板流量计如图1.1所示。图1.1孔板流量计涡轮流量计是根据漩涡脱离漩涡发声体的频率与流量之间的关系来测量流量的仪到17】。涡轮流量计具有精度高、响应迅速等特点【19】。技术比较成熟,荷兰天然气管线大量采用了各尺寸涡轮流量计116】。超声波流量计是通过检测流量流动对超声脉冲的作用来测量的非接触式仪表,具有准确度高、无压损、计量范围大等优点,英美等发达国家己批准其为贸易结算中的法定计量器【16l。该流量计仪表安装于管道外部,使用方便,易于数字化管理【201。超声波计量是一个新兴计量方式,发展十分迅速【2引。国内目前在孔板流量天然气测量中采用的标准主要有GB/T18603.2001天然气计量系统技术要求和GB/T 21446-2008用标准孔板流量计测量天然气流量。GB厂r18603.2001天然气计量系统技术要求描述了天然气计量系统的设计、建设、投产运行、维护等方面的技术要求。GB厂r 21446.2008用标准孔板流量计测量天然气流量规定了标准孔板的结构形式、安装要求、使用方法及流量计算方、法【161。计算机技术和电子技术的引入,使得天然气计量方式逐渐向自动化、智能化、网络化和系统化方向发剧24】。同时天然气流量计量仪表从原来的单一形式向多元化方向转变【171。流量计量从单一数据向计量系统管理方向转变【241。因此在选择流量计时一定要满足准确性、经济型及安全性的要求,根据实际情况进行选择B引。1.3本文研究内容本文主要依据标准孔板的天然气流量计量原理,利用计算机技术和数据库技术,设计并开发了一款流量计算机。分析了硬件平台,并编制了相关软件。流量计算机通一●,●掌、,、万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第3页过采集标准孔板流量计传感器采集的天然气管道差压、静压和温度等信号,结合天然气气体组分等参数,实时计算通过管道的天然气流量,并将历史流量数据归档存储于数据库中,同时通过Modbus TCP协议将实时数据上传到监控中心,实现各天然气管道的流量计量与数据管理。本论文的主要研究内容包括分析标准孔板流量计结构及计量原理,详细阐述天然气体积流量和能量流量计算过程,并优化了天然气压缩因子计算流程。依据硬件平台VP.25Wl及其操作系统WINCE,设计了天然气流量计算机的软件架构及业务逻辑。设计了适合流量计算机工作的内部寄存器系统,高效地实现了流量计算机内部数据的转换与管理。重点阐述了流量计算机软件的主工作线程、流量计量与补偿、通信系统、数据采集与存储管理系统、参数设置与事件记录等模块的设计原理与实现过程。开发了一款可以设置流量计参数及读取流量历史数据的上位机,完成了流量计算机的基本功能测试。1.4本文组织结构本文的主要章节及组织结构安排如下第l章主要阐述了课题的背景及研究意义,天然气流量计量的发展现状与趋势,目前贸易交接使用的3类主要天然气流量计算机,并介绍了本文研究内容。第2章综述了标准孔板流量计结构与利用孔板实现天然气流量计量的原理,并详细阐述了天然气体积流量和能量流量的计算过程,优化了天然气压缩因子计算流程。第3章分析了本文流量计算机的硬件平台台湾泓格公司的VP25W1及配套AI模块1-87017RW,并根据WINCE操作系统及SQLite数据设计了流量计算机的软件框架及软件工作逻辑,最后设计了适合流量计量软件内部使用的寄存器系统,能够高效快速地实现内部各模块之间数据的转换。第4章介绍了系统软件开发平台.NET Compact Framework及本硬件平台的SDK,并依次介绍了流量计算机软件的主工作线程、数据采集与存储管理、流量计量与补偿、通信系统及系统开发与扩展等模块的设计与实现。第5章介绍了流量计参数在系统内的作用,并设计开发了流量计参数配置及流量历史数据上传上位机软件,最后完成了系统的计量准确性、参数配置、历史数据上传等功能的测试。万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第4页第2章天然气流量计量原理与压缩因子计算优化本文所设计的流量计算机测量方法依据标准GB/T 21446.2008用标准孔板流量计计量天然气流量和GB/T 17747.2.201l天然气压缩因子的计算第2部分用摩尔组成进行计算等标准。完成各路流量计瞬时流量和累计流量等计算。本章主要介绍孔板结构与计量原理,并对计算过程进行分析与优化。2.1孑L板流量计孔板流量计以其测量标准性和准确性,且结构简单、成本低,在天然气流量计量领域大量使用【261。我国目前以孔板流量计作为主要的流量测量设备【271。标准孔板是由机械加工获得的一块圆形穿孔的薄板,标准孔板如图2.1所示。图2.1标准孔板示意图2.1.1孔板流量计安装示意图孔板流量计安装应符合规范,孔板流量计安装示意图如图2.2所示。孔板前后测量管必须预留足够的长度以保证测量气体平稳通过孔板。21.孔板和孔板夹持器3.孔板流量计2.差压信号管路4.孔板前后测量管图2.2孔板流量计安装示意图万方数据
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