基于自動(dòng)化的能源計(jì)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)

任國(guó)明

（唐山鋼鐵集團(tuán)微爾自動(dòng)化有限公司,063000）

基于自動(dòng)化的能源計(jì)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)

任國(guó)明

（唐山鋼鐵集團(tuán)微爾自動(dòng)化有限公司,063000）

本文對(duì)基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的能源計(jì)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，結(jié)合作者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)的闡述和解析，從系統(tǒng)工作原理和整體結(jié)構(gòu)出發(fā)針對(duì)采集數(shù)據(jù)信號(hào)硬件電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件給出了設(shè)計(jì)方案和總體規(guī)劃。通過在生產(chǎn)中應(yīng)用該系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，無論是在能源數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)方面還是系統(tǒng)本身的運(yùn)行方面都極具優(yōu)勢(shì)，對(duì)于冶金企業(yè)能源管控有深遠(yuǎn)的影響。

能源計(jì)量；數(shù)據(jù)采集；AD轉(zhuǎn)換；數(shù)字濾波

0 引言

現(xiàn)有能源計(jì)量系統(tǒng)信息采集與處理速度慢，數(shù)據(jù)采集的精度偏低，無法滿足現(xiàn)代冶金企業(yè)生產(chǎn)的安全要求。在此介紹基于自動(dòng)化的能源計(jì)量系統(tǒng)以FPGA為核心，實(shí)現(xiàn)4種電壓范圍AD轉(zhuǎn)換，8通道模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換以及數(shù)字濾波。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)，信號(hào)采集與處理速度快，采集精度高，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜濾波算法，對(duì)于復(fù)雜惡劣生產(chǎn)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，抗干擾能力優(yōu)，具有良好的使用價(jià)值，完全能滿足現(xiàn)代冶金企業(yè)生產(chǎn)安全的要求。

1 系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計(jì)

圖1即為AD轉(zhuǎn)換電路。信號(hào)傳輸?shù)紸D轉(zhuǎn)換器。為滿足能源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)化芯片采用的為ADS774芯片，該芯片由美國(guó)Burr-Brown（BB）公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)，可以高精度實(shí)時(shí)采集寬范圍的模擬量信號(hào)，滿足了本次設(shè)計(jì)中溫度、壓力、應(yīng)力和應(yīng)變多種信號(hào)處理的要求。該芯片可實(shí)現(xiàn)雙極性輸入，有4種電壓信號(hào)輸入，-10v~+10v，-5v~+5V,0~10V,0~20V。該芯片能耗低，轉(zhuǎn)換迅速，能耗最大也不超過120MW，時(shí)間最長(zhǎng)不超過8.5μs。ADS774芯片可獨(dú)立運(yùn)行，基本上可連接所有的數(shù)字和微處理器系統(tǒng)。轉(zhuǎn)換電路可以通過跳線來完成對(duì)于不同電壓范圍內(nèi)輸入信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換。

若模擬信號(hào)的輸入電壓UN在0~10V之間，則對(duì)應(yīng)信號(hào)輸入需在芯片10V模擬信號(hào)輸入引腳13中輸入，若在0~20V，需從20V輸入引腳14輸入。信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換變?yōu)闊o符號(hào)二進(jìn)制碼D，與UN轉(zhuǎn)化關(guān)系為

圖1 AD轉(zhuǎn)換電路

圖1（b）電路圖中可看出，若UN從芯片10V模擬信號(hào)引腳13輸入，則P3跳線器引腳1、3短接，4、6短接，且=10V。若從20V引腳14輸入，此時(shí)引腳3、5短接，4、6短接，=20V。 AD轉(zhuǎn)換最小分辨率的計(jì)算為，從不同引腳輸入，值就不同，對(duì)應(yīng)的最小分辨率也會(huì)隨之變化。

若UN的區(qū)間為-10V~+10V或-5V~+5V，此時(shí)UN為雙極性，應(yīng)分別從引腳13或14輸入。此時(shí)D與UN轉(zhuǎn)化關(guān)系為

最小分辨率計(jì)算方法同上，UN若從引腳13輸入，則引腳1、3相接，引腳2、4相接，采用上述方法計(jì)算得1LSB=2.44mV；若從引腳14輸入，則引腳3、5相接，2、4相接，1LSB=4.88mV。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

FPGA可以通過電復(fù)位來實(shí)現(xiàn)模擬開關(guān)通道的開關(guān)，這通過定時(shí)程序?qū)崿F(xiàn)。冶金企業(yè)環(huán)境復(fù)雜惡劣，為確保信息采集的實(shí)時(shí)可靠及穩(wěn)定，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)在芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)FIFO寄存器和軟件濾波模塊。若想隨時(shí)讀取實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)信息，可通過上位機(jī)在寄存器中讀取。同時(shí)，數(shù)據(jù)上傳時(shí)若丟失還可從FLASH存儲(chǔ)器中調(diào)用，因FPGA將上傳數(shù)據(jù)在其中做了數(shù)據(jù)備份。

濾波器分類眾多，按信號(hào)可分為數(shù)字濾波器和模擬濾波器。按功能用途還可分為帶阻/帶通濾波器，高通/低通濾波器。面對(duì)特殊的冶金生產(chǎn)環(huán)境，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用模擬濾波的同時(shí)還采用了數(shù)字濾波。采集信號(hào)不同，采用的濾波方法也不同。本系統(tǒng)中采用的主要方法為滑動(dòng)算術(shù)平均值濾波方法。另外，修改濾波算法便可實(shí)現(xiàn)其他濾波算法。

3 補(bǔ)償程序設(shè)計(jì)

在惡劣且快速變化的環(huán)境中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集部分的程序過程中選擇的方法為多次連續(xù)測(cè)量結(jié)合平均值算法，以此來講測(cè)量誤差降到最低。我們用y=f(x)來表示函數(shù)關(guān)系，用y=p(x)來表示其近似表達(dá)式，如果想要獲得精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和研究統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，那么就需要獲取大量的相關(guān)數(shù)據(jù)，即(xi,yi)(i=0,1,L,m)。對(duì)近似函數(shù)進(jìn)行求解通常情況我們所采用的方法有差值法和多項(xiàng)式擬合。實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的誤差數(shù)據(jù)一般情況下通過差值法來進(jìn)行保留，而對(duì)于近似函數(shù)y=p(x)來說，采用多項(xiàng)式擬合法對(duì)最小偏差ri=p(xi)-yi(i=0,1,,,m)進(jìn)行求解就能夠?qū)?shù)據(jù)總體的走勢(shì)反映出來。該系統(tǒng)在采集能源計(jì)量數(shù)據(jù)的過程中，會(huì)在光電耦合器的作用下產(chǎn)生非線性的輸入信號(hào)，進(jìn)而獲取到的數(shù)值與實(shí)際數(shù)值具有一定的偏差。所以這個(gè)時(shí)候補(bǔ)償程序發(fā)揮了作用，模擬量輸入信號(hào)在多項(xiàng)式擬合法的作用下保持不偏移，完成軟件補(bǔ)償。下圖2顯示了詳細(xì)的軟件補(bǔ)償程序的流程。傳感器對(duì)未經(jīng)擬合的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，曲線擬合軟件將這些數(shù)據(jù)與模擬量輸入信號(hào)進(jìn)行擬合得到每個(gè)通道的數(shù)據(jù)擬合函數(shù)。當(dāng)然，模擬量通道的數(shù)據(jù)擬合函數(shù)會(huì)根據(jù)具有不同非線性特性的光耦芯片的實(shí)際情況而顯示出不同的結(jié)果。

圖2 軟件補(bǔ)償程序流程圖

4 結(jié)語

基于自動(dòng)化的能源計(jì)量系統(tǒng)以FPGA為核心，實(shí)現(xiàn)4種電壓范圍AD轉(zhuǎn)換，8通道模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換以及數(shù)字濾波。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)，信號(hào)采集與處理速度快，采集精度高，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜濾波算法，對(duì)于冶金企業(yè)中復(fù)雜惡劣環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，抗干擾能力優(yōu)，具有良好的使用價(jià)值，完全能滿足現(xiàn)代冶金企業(yè)生產(chǎn)安全的要求。

[1] 劉永.基于Web能源管理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集與處理方法的研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2013

[2] 孫長(zhǎng)順.包鋼能源計(jì)量網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D]. 華北電力大學(xué)（河北） 2014

[3] 楊潔.基于現(xiàn)場(chǎng)總線的濟(jì)南卷煙廠能源監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)[D]. 山東大學(xué) 2015

[4] 戴鋼.鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)計(jì)量數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 哈爾濱工程大學(xué) 2014

Research and implementation of data collection technology based on automated energy measurement system

Ren Guoming
（Tangshan iron and Steel Group viooo Automation Co. Ltd.063000）

In this paper,the energy measurement data acquisition system based on computer technology, combined with the author's practical experience in detail and analysis,starting from the working principle of the system and the overall structure of the data signal acquisition hardware circuit design and system software design and overall planning. By using this system in production,it is found that both the energy data data and the operation of the system are extremely advantageous,which have a profound influence on the energy management and control of metallurgical enterprises.

energy measurement;data acquisition;AD conversion;digital filter