阅读说明：本技术 一种基于物联网的智能电磁流量计系统及故障分析方法 (Intelligent electromagnetic flowmeter system based on Internet of things and fault analysis method ) 是由 马文静 张慧 胡志刚 于 2020-08-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于物联网的智能电磁流量计系统及故障分析方法,包括电源模块、电磁流量传感器、电磁流量转换控制单元和物联网模块,所述电磁流量转换控制单元和分别与所述电源模块、电磁流量传感器、物联网模块连接；所述电磁流量传感器把被测流体的流量信号转换成相应的标准电压信号,并将该标准电压信号传输至电磁流量转换控制单元进行处理,处理后的数据通过物联网模块与PC机进行相互通讯。本发明采用单片机和CPLD的双控制器模式实现流体流速的精确测量,不仅具有精度高、适应性强、数据实时性高等优点,而且本发明系统利用物联网功能,能够实现电磁流量计的远程监测管理,并对电磁流量计的故障信息进行了合理有效的分析,提高了可靠性分析效率。(The invention discloses an intelligent electromagnetic flowmeter system based on the Internet of things and a fault analysis method, wherein the intelligent electromagnetic flowmeter system comprises a power module, an electromagnetic flow sensor, an electromagnetic flow conversion control unit and an Internet of things module, wherein the electromagnetic flow conversion control unit is respectively connected with the power module, the electromagnetic flow sensor and the Internet of things module; the electromagnetic flow sensor converts the flow signal of the measured fluid into a corresponding standard voltage signal, transmits the standard voltage signal to the electromagnetic flow conversion control unit for processing, and the processed data are communicated with the PC through the Internet of things module. The system disclosed by the invention realizes accurate measurement of the fluid flow rate by adopting a double-controller mode of the single chip microcomputer and the CPLD, has the advantages of high precision, strong adaptability, high data real-time property and the like, and can realize remote monitoring management of the electromagnetic flowmeter by utilizing the function of the Internet of things, reasonably and effectively analyze the fault information of the electromagnetic flowmeter and improve the reliability analysis efficiency.)

一种基于物联网的智能电磁流量计系统及故障分析方法

技术领域

本发明属于物联网技术领域，具体涉及一种基于物联网的智能电磁流量计系统及故障分析方法。

背景技术

流量检测仪表与系统已广泛应用于水泥、化工、轻纺、医药、造纸、给排水、食品饮料等技术部门,随着物联网的发展和工业生产力水平的提高,各方面对自动检测仪表提出了越来越高的要求，其产品的性能、质量和可靠性直接影响了企业的经济效益。但伴随而来的污水排放问题已成为相关政府职能部门的重要工作任务，计量污水排放的流量仪表系统是定量管理企业污水排放不可或缺的工具。其中，电磁流量计是一种测量流体流速的速度式流量计，它是利用法拉第电磁感应原理制成的测量导电流体体积的仪表,它的出现和应用为准确测量管道内导电流体流量和流速提供了更好的方法。与现有各种非电磁流量检测仪表相比,电磁流量计的性能好,适用范围广,是目前应用最广泛的流量仪表之一。现有的电磁流量计大都是按照传统的方式，被动的接受传感器检测到转换来的信号，易引入干扰信号，信号处理能力较弱，且都是使用单一的控制器来处理数据，不仅检测精度低、可靠性不高，而且维护和调试难度较大，无法实时监控管理流量计所运行的状态以及检测到的数据。目前,现有技术中对于电磁流量计的故障诊断的研究并不完善,因此，寻找一种针对电磁流量计的故障分析方法是一个亟待解决的问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种实用性强，可进行精确测量的一种高精度智能电磁流量计，系统采用单片机和CPLD的双控制器模式实现流体流速的精确测量，与工业系统中传统的流量计单控制器模式相比，具有精度高、适应性强、数据实时性高等优点。

技术方案：本发明所述的一种基于物联网的智能电磁流量计系统，包括电源模块、电磁流量传感器、电磁流量转换控制单元和物联网模块，所述电磁流量转换控制单元和分别与所述电源模块、电磁流量传感器、物联网模块连接；所述电磁流量传感器把被测流体的流量信号转换成相应的标准电压信号，并将该标准电压信号传输至电磁流量转换控制单元进行处理，处理后的数据通过物联网模块与PC机进行相互通讯；

所述的电磁流量转换控制单元包括控制器MCU、CPLD、A/D转换器、信号处理模块、励磁电路和LCD显示模块，所述控制器MCU负责完成整个系统的控制功能，包括励磁电路控制、采样控制、信号处理功能、流量计算和LCD显示控制；所述控制器MCU的输入端连接有A/D转换器、电源模块和流向检测模块，所述控制器MCU还连接有CPLD、LCD显示模块以及物联网模块；

所述CPLD负责实现整个系统所需的所有数字逻辑电路，所述A/D转换器将外部模拟信号变换为数字信号以供控制器MCU分析处理，所述信号处理模块将电磁流量传感器输出的电压、电流信号进行放大、滤波处理，消除或减弱噪声和干扰的影响后，再经A/D转换器采样以发送给控制器MCU分析处理；

所述励磁电路决定着传感器的工作磁场，负责给变送器提供励磁电流；所述LCD显示模块用以实时显示瞬时流量、累积流量和相关仪表参数。

进一步的，所述电源模块输出交流24V电压，交流24V电压通过四个二极管组成的整流电路后连接到BCP56芯片，BCP56芯片与XTR115芯片相连接，通过XTR115芯片输出直流5V电压，该直流5V电压连接65ZY芯片的输入引脚，并通过65ZY输出直流3.3V电压。

进一步的，所述电磁流量传感器将采集的信号经前置放大电路、二阶低通滤波电路和高增益放大电路进行信号调理，并经AD转换处理后，再由控制器和CPLD进行数据处理，计算出流量工程量值，并在LCD显示模块上输出，同时通过无线传输模块上传相关检测参数以及计算结果至上位机。

进一步的，所述A/D转换器的5V基准电压由外部电路单独提供，与数字部分的5V电压分开。

进一步的，所述物联网模块包括无线传输模块、终端节点、串口通信，所述终端节点主要负责采集流量、温度和压力信息。

进一步的，所述无线传输模块采用Zigbee无线通信模块，所述Zigbee无线通信模块采用CC2430模块。

进一步的，所述控制器MCU还连接有数据存储模块，用以存放电磁流量计内包括瞬时流量和累积流量在内的相关数据、参数。

进一步的，所述控制器MCU选用LPC2132单片机。

进一步的，所述CPLD选用LC4128V芯片。

本发明还公开了上述一种基于物联网的智能电磁流量计系统的故障分析方法，包括：

根据预先建立的电磁流量计的故障树模型，对电磁流量计故障进行定性分析，以得到电磁流量计故障的最小割集；

获取电磁流量计的故障基本事件，故障基本事件包括接线问题、密封问题、主板硬件故障、线圈问题、电磁流量传感器问题；

根据所述故障基本事件，参考故障树模型的最小割集，建立故障分布函数模型；

根据电磁流量计的故障分布函数模型，计算电磁流量计故障的顶事件概率、基本事件重要度；

其中，根据如下公式计算电磁流量计故障的顶事件概率：

其中，y表示电磁流量计故障的顶事件概率，n表示最小割集数量，j为最小割集序号，j＝1,2,…,n；i∈G_j表示第i个基本事件属于第j个最小割集；F_i表示第i个基本事件的累计故障分布函数，F_i＝1-e^-λt，λ表示第i个基本事件的故障概率，t表示时间序列中的时刻；

根据如下公式计算电磁流量计的第i个基本事件的重要度I_i：

其中，表示含有第i个基本事件的最小割集发生概率的总和。

有益效果：本发明采用单片机和CPLD的双控制器模式实现流体流速的精确测量，与工业系统中传统的流量计单控制器模式相比，具有精度高、适应性强、数据实时性高等优点。并且现有的电磁流量计测量报警装置靠近现场，而本发明系统利用物联网功能，能够实现电磁流量计的远程监测管理。本发明不仅具备传统电磁流量计的一些基本功能，而且更具智能化、集成化、可靠性和更高的运算处理能力。所提出的针对电磁流量计的故障分析方法给电磁流量计故障诊断提供了有效依据，为电磁流量计的设计、生产等环节提供了新的参考。

附图说明

图1为本发明的电磁流量计系统总体电路结构框图；

图2是本发明的物联网模块整体设计原理框架图；

图3是针对电磁流量计系统的故障分析方法的流程图；

图4为本发明的励磁电路原理图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1和图2所示，一种基于物联网的智能电磁流量计系统，包括电源模块、电磁流量传感器、电磁流量转换控制单元和物联网模块，所述电磁流量转换控制单元和分别与所述电源模块、电磁流量传感器、物联网模块连接；所述电磁流量传感器把被测流体的流量信号转换成相应的标准电压信号，并将该标准电压信号传输至电磁流量转换控制单元进行处理，处理后的数据通过物联网模块与PC机进行相互通讯。

所述的电磁流量转换控制单元包括控制器MCU、CPLD、A/D转换器、信号处理模块、励磁电路和LCD显示模块，所述控制器MCU负责完成整个系统的控制功能，包括励磁电路控制、采样控制、信号处理功能、流量计算和LCD显示控制；所述控制器MCU的输入端连接有A/D转换器、电源模块和流向检测模块，所述控制器MCU还连接有CPLD、LCD显示模块以及物联网模块。

所述CPLD负责实现整个系统所需的所有数字逻辑电路，所述A/D转换器将外部模拟信号变换为数字信号以供控制器MCU分析处理，所述信号处理模块将电磁流量传感器输出的电压、电流信号进行放大、滤波处理，消除或减弱噪声和干扰的影响后，再经A/D转换器采样以发送给控制器MCU分析处理。

所述励磁电路决定着传感器的工作磁场，负责给变送器提供励磁电流；所述LCD显示模块用以实时显示瞬时流量、累积流量和相关仪表参数。

励磁电路具体包括脉宽调制模块、滤波转换模块、励磁模块和控制器；脉宽调制模块与滤波转换模块电连接，脉宽调制模块向滤波转换模块提供脉宽调制波信号；滤波转换模块将脉宽调制波信号进行滤波同时转换为直流信号；滤波转换模块与励磁模块电连接，励磁模块包括励磁线圈，励磁线圈在直流信号下产生正向励磁磁场或反向励磁磁场；控制器分别与励磁模块和脉宽调制模块电连接，控制器采集励磁线圈的直流信号并根据励磁线圈的直流信号控制脉宽调制模块调节输出脉宽调制波信号的占空比。

该励磁电路还包括放大模块，放大模块分别与滤波转换模块和励磁模块电连接，放大模块用于放大直流信号。

具体的励磁电路结构如图4所示，4，滤波转换模块包括第一电阻R1，第一电容C1和第一放大器U1A，第一电阻R1的一端与脉宽调制模块连接，第一电阻R1的另一端分别与第一电容C1的一端和第一放大器U1A的同相输入端连接，第一电容C1的另一端接地，第一放大器U1A的反向输入端与输出端相连并与放大模块连接。

其中，第一电容C1接地，用于对脉宽调制波进行滤波，并且第一放大器U1A可将脉宽调制波转换输出与占空比正相关的直流信号。

继续参考图4，放大模块包括第二电阻R2、第三电阻R3和第二放大器U1B，第二放大器U1B的同相输入端与第一放大器U1A的输出端连接，第二放大器U1B的反向输入端分别与第二电阻R2和第三电阻R3的一端连接，第二电阻R2的另一端接地，第三电阻R3的另一端分别与第二放大器U1B的输出端和励磁模块13连接。

放大模块将滤波转换模块输出的直流信号放大，具体地，该放大模块的放大比例与第二电阻R2和第三电阻R3有关，并且根据放大器的虚短虚断原理，可以得出该第二放大器U1B的放大比例可选地，第三电阻R3与第二电阻R2阻值的比值小于或等于9。此时，第二放大器U1B的放大比例小于或等于10，对应地，经过放大模块放大后的直流电压信号的范围可扩大至0～30V，从而满足励磁模块的电压需求。

继续参考图4，励磁模块包括第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8，第三放大器U2A，第四放大器U2B和励磁线圈，第三放大器U2A的同相输入端与第二放大器U1B的输出端连接，第三放大器U2A的输出端分别与反向输入端、第四电阻R4的一端和第五电阻R5的一端连接，第四电阻R4的另一端与励磁线圈的一端连接，第四放大器U2B的同向输入端分别与第七电阻R7和第八电阻R8连接，第七电阻R7的另一端与电源连接，第八电阻R8的另一端接地，第四放大器U2B的输出端分别与第六电阻R6的一端和励磁线圈的另一端连接，第四放大器U2B的反向输入端分别与第六电阻R6的另一端和第五电阻R5的另一端连接。

如图4所示，励磁模块中励磁线圈两端的电压差决定了励磁线圈产生的励磁磁场的正反向和大小，其中励磁线圈一端的电压信号由电源Vs及第七电阻R7、第八电阻R8以及第四放大器U2B、第六电阻R6提供，励磁线圈另一端的电压信号则由放大模块经放大后的直流信号决定，其中，第四放大器U2B的正相输入端电压为Vs·R7/(R7+R8)，并且，根据虚短虚断原理，第四放大器U2B的反相输入端电压为Vs·R7/(R7+R8)；第三放大器U2A的正反相输入端及输出端的电压相等，以第三放大器U2A的正相输入端电压为Vin，此时，端点1的电压为Vin，此时在第五电阻R5和第六电阻R6组成的电路中可知，端点2的电压为(Vs·R7/(R7+R8)-Vin)·(R5+R6)/R5+Vin，因此，励磁线圈两端的电压差为(Vs·R7/(R7+R8)-Vin)·(R5+R6)/R5-VR4，其中，第四电阻R4的两端的电压取决于本身阻值和励磁线圈的阻抗。显然，在已知第四电阻R4阻值和励磁线圈的阻抗的情况下，励磁线圈两端的电压差决定于端点1点的电压Vin,也即取决于第三放大器U2B的输入端电压Vin，即决定于脉冲调制模块输出的脉宽调制信号的占空比。为了方便计算，可选地，第五电阻R5与第六电阻R6的阻值相等，第七电阻R7和第八电阻R8的阻值相等，此时，励磁线圈两端的电压为Vs-2Vin-VR4。

该励磁模块中，无需设置H桥电路，且仅通过调节脉宽调制模块输出的脉宽调制信号的占空比即可实现励磁线圈的正反向励磁，其结构更加简单，体积也相对较小。

继续参考图4，控制器包括至少两个输入端，控制器的至少两个输入端分别连接第四电阻R4的两端，控制器实时采集第四电阻R4的电压值并向脉宽调制模块发送脉宽调制占空比调节信号，以控制第四电阻R4两端的电压差值为预设电压差值。

其中，第四电阻R4可以作为采样电阻，控制器通过采样第四电阻R4两端的电压即可根据第四电阻R4和励磁线圈阻抗的比值，确定励磁线圈两端的电压，由此，可以通过实时改变脉宽调制信号的占空比，来调节励磁线圈两端的电压值至预设的电压差值，即获得最佳的励磁线圈电压值，保证整个电路中损耗最低。其中，对于第四电阻R4，其本身仅用于作为采样电阻，故电阻值不可太大，可选地，第四电阻R4的阻值小于或等于1Ω，从而可以保证损耗较低，避免整个励磁电路的损耗增加。

本实施例中，所述电源模块输出交流24V电压，交流24V电压通过四个二极管组成的整流电路后连接到BCP56芯片，BCP56芯片与XTR115芯片相连接，通过XTR115芯片输出直流5V电压，该直流5V电压连接65ZY芯片的输入引脚，并通过65ZY输出直流3.3V电压。

本实施例中，所述电磁流量传感器将采集的信号经前置放大电路、二阶低通滤波电路和高增益放大电路进行信号调理，并经AD转换处理后，再由控制器和CPLD进行数据处理，计算出流量工程量值，并在LCD显示模块上输出，同时通过无线传输模块上传相关检测参数以及计算结果至上位机。

本实施例中，所述A/D转换器的5V基准电压由外部电路单独提供，与数字部分的5V电压分开，以保证A/D转换的高精度和稳定性。

本实施例中，所述物联网模块包括无线传输模块、终端节点、串口通信，所述终端节点主要负责采集流量、温度和压力信息。

本实施例中，所述无线传输模块采用Zigbee无线通信模块，所述Zigbee无线通信模块采用CC2430模块。

本实施例中，所述控制器MCU还连接有数据存储模块，用以存放电磁流量计内包括瞬时流量和累积流量在内的相关数据、参数。

本实施例中，所述控制器MCU选用LPC2132单片机。

本实施例中，所述CPLD选用LC4128V芯片。

如图3所示，本发明还公开了上述一种基于物联网的智能电磁流量计系统的故障分析方法，包括：

根据预先建立的电磁流量计的故障树模型，对电磁流量计故障进行定性分析，以得到电磁流量计故障的最小割集；

获取电磁流量计的故障基本事件，故障基本事件包括接线问题、密封问题、主板硬件故障、线圈问题、电磁流量传感器问题；

根据所述故障基本事件，参考故障树模型的最小割集，建立故障分布函数模型；

根据电磁流量计的故障分布函数模型，计算电磁流量计故障的顶事件概率、基本事件重要度；

其中，根据如下公式计算电磁流量计故障的顶事件概率：

其中，y表示电磁流量计故障的顶事件概率，n表示最小割集数量，j为最小割集序号，j＝1,2,…,n；i∈G_j表示第i个基本事件属于第j个最小割集；F_i表示第i个基本事件的累计故障分布函数，F_i＝1-e^-λt，λ表示第i个基本事件的故障概率，t表示时间序列中的时刻；根据如下公式计算电磁流量计的第i个基本事件的重要度I_i：

其中，

表示含有第i个基本事件的最小割集发生概率的总和。

本发明采用单片机和CPLD的双控制器模式实现流体流速的精确测量，与工业系统中传统的流量计单控制器模式相比，具有精度高、适应性强、数据实时性高等优点。并且现有的电磁流量计测量报警装置靠近现场，而本发明系统利用物联网功能，能够实现电磁流量计的远程监测管理。本发明不仅具备传统电磁流量计的一些基本功能，而且更具智能化、集成化、可靠性和更高的运算处理能力。所提出的针对电磁流量计的故障分析方法给电磁流量计故障诊断提供了有效依据，为电磁流量计的设计、生产等环节提供了新的参考。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。