基于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集技術(shù)的工業(yè)儀表系統(tǒng)分析

戚健鵬

（ 珠海黑石電氣自動化科技有限公司，廣東 珠海519075）

當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中，能源與物資計(jì)量設(shè)備分散在多個區(qū)域，為設(shè)備監(jiān)控、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)帶來極大不便。在智能化技術(shù)發(fā)展下，工業(yè)儀表系統(tǒng)誕生，與通訊技術(shù)相結(jié)合，通過現(xiàn)場總線的方式可對多臺儀表進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，將儀表直接連入PC 機(jī)中，通過現(xiàn)場大屏幕實(shí)時記錄儀表數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸?shù)哪繕?biāo)，并自動對儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)量和匯總。

1 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集技術(shù)原理

2 工業(yè)儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 數(shù)據(jù)接收器

在數(shù)據(jù)處理單元中，主要目標(biāo)在于接收采集單元的數(shù)據(jù)，根據(jù)檢測要求進(jìn)行處理和顯示，通過鍵盤設(shè)置標(biāo)定系數(shù)、限位值，并將測量計(jì)算結(jié)果依靠TXD 傳送到監(jiān)控計(jì)算機(jī)中。待某數(shù)據(jù)接收完畢后便會向主處理器發(fā)出告警，請求終端；當(dāng)主處理器響應(yīng)該請求后，便會發(fā)出隔離器選通信號，即隔離器地址信號，使該設(shè)備處理高阻狀態(tài)，與接收器共同創(chuàng)建通信道。同時，主處時器還會發(fā)送信號進(jìn)行確定，將中斷請求消除。待數(shù)據(jù)交換完畢后，便可清理隔離器中的選通信號。該系統(tǒng)中，采用AT89C2051 單片機(jī)作為接收器，與采集單元通過串行通信的方式開展工作，固定數(shù)據(jù)交換長度為7，在幀格式中數(shù)據(jù)塊頭標(biāo)記為OAA，代表著一個數(shù)據(jù)的開始。在運(yùn)行過程中，接收器為等待狀態(tài)，待收到一個數(shù)據(jù)塊后，將塊頭去掉，再將數(shù)據(jù)錄入本機(jī)內(nèi)部RAM緩沖區(qū)中，將P3.2=0 傳遞到主處理器中，便可使中斷請求得以響應(yīng)，此時主處理器便回復(fù)請求P1.4=0，接收器針對回復(fù)信號進(jìn)行檢驗(yàn)后，置位P3.2=1，消除該請求，數(shù)據(jù)傳輸正式開始[2]。

2.1.2 主處理器

在該系統(tǒng)中，主處理器采用AT89C52 單片機(jī)，具有顯示測量數(shù)據(jù)、鍵盤管理、工程量轉(zhuǎn)換、通信管理等功能。接收器與主處理器之間的信息交換是以中斷方式開展，當(dāng)某個收發(fā)器請求中斷后，便可使主處理器的INTO 變?yōu)榈碗娖?，此時便可觸發(fā)主處理器。在處理器程序中斷后，對P1.0 到P1.3 的狀態(tài)進(jìn)行查詢，便可確定發(fā)送數(shù)據(jù)的路徑。在數(shù)據(jù)處理單元中，還可采用異步時鐘設(shè)計(jì)法，使各個單片機(jī)的電路以振蕩器的形式設(shè)計(jì)，此舉可有效避免中斷請求并發(fā)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集的第一步便是初始化，包括系統(tǒng)堆棧、內(nèi)部數(shù)據(jù)初始化等，該流程可避免計(jì)算機(jī)中存取新內(nèi)容對歷史信息的覆蓋，由此導(dǎo)致內(nèi)容混亂、信息丟失等情況產(chǎn)生，因此初始化環(huán)節(jié)十分必要。在數(shù)據(jù)采集模塊中，將數(shù)據(jù)從已記錄的文件中讀取出來，再根據(jù)特定方式存儲到內(nèi)存之中，對采樣時間、頻率等信息一同存儲起來。以分頁記錄的方式為主，在頻譜分析時使數(shù)據(jù)更加平均；利用MATLAB 語句，將LabVIE 的強(qiáng)大功能充分發(fā)揮出來。在程序設(shè)計(jì)中，在C 語言的基礎(chǔ)上嵌入其他語言，使程序結(jié)構(gòu)得以簡化，功能更加完善。該程序采用MATLAB 語句，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)量補(bǔ)0 到2 整數(shù)次冪的目標(biāo)。在全長作譜模塊中，主要針對讀取數(shù)據(jù)頻譜進(jìn)行交換，主要采取FFT 變換，針對數(shù)據(jù)數(shù)量要求有所限制，如若數(shù)據(jù)量為2 的整數(shù)次冪，但實(shí)際值卻可能有所出入，本文采用補(bǔ)0 的方式，將數(shù)據(jù)量增加到2 的整數(shù)次冪[3]。通過FFT 變換后輸出復(fù)數(shù)組，存儲到數(shù)組之中。在平均作譜模塊中，為使譜圖更為光滑，更便于分析頻譜中的某些特點(diǎn)，對頻譜峰值進(jìn)行定位，可采取平均方式，將采集模塊中的原始數(shù)據(jù)分為多個小組，每組為523 個數(shù)據(jù)，再取相鄰兩組的平均值，制作頻譜，由此獲得更好的平滑效果。在該譜圖中常常帶有許多毛刺，不可通過濾波去除，可通過取平均數(shù)的方式解決，此時譜圖特征更加顯著，峰值判斷幾乎不會出現(xiàn)過多誤差。在求取峰值模塊中，主要通過采集模塊將數(shù)據(jù)傳入數(shù)組，針對數(shù)字中的信息進(jìn)行對比，由此獲得峰值位置，該處為峰值求取的關(guān)鍵所在，可通過采樣頻率、精確推算等方式得出。

2.3 網(wǎng)絡(luò)功能

（1）數(shù)據(jù)采集。在實(shí)際項(xiàng)目的信息采集點(diǎn)處設(shè)置大量管道、電機(jī)、變頻器等，針對測量點(diǎn)的電壓、流量、閥門開度、溫度等物理量進(jìn)行測量。該網(wǎng)絡(luò)功能之一便是在主控室對外部各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，再將其存盤后為后續(xù)應(yīng)用提供便利；數(shù)據(jù)信息可通過曲線、表格等多樣形式展現(xiàn)出來；

（2）設(shè)備監(jiān)控。遠(yuǎn)程采集點(diǎn)反饋信息中含有多種物理數(shù)據(jù)，蘊(yùn)含多種設(shè)備的工作信息。用戶不但可借助網(wǎng)絡(luò)平臺實(shí)時掌握現(xiàn)場情況，還可向現(xiàn)場發(fā)送指令進(jìn)行設(shè)備控制，如控制閥門開關(guān)、電機(jī)開停、儀表參數(shù)設(shè)置等等；

（3）故障診斷。根據(jù)對現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測和分析，可及時發(fā)掘設(shè)備異常，做到未雨綢繆。此外，在工業(yè)儀表上設(shè)定報(bào)警值，一旦數(shù)值超過設(shè)定便會出發(fā)報(bào)警，主控室設(shè)備將自動彈出報(bào)警窗口，提示作業(yè)者及時響應(yīng)，針對現(xiàn)存問題采集有效處理措施，將損失降到最低；

（4）無人操作。以該系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動診斷等作用，可快速準(zhǔn)確的響應(yīng)信息，為無人操作目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)支持。在工業(yè)生產(chǎn)中，無需值班人員對各個設(shè)備進(jìn)行巡查，節(jié)約大量人力與時間成本，縮短了巡檢時間，促進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行效率提升。

3 遠(yuǎn)程測控功能的測試與實(shí)現(xiàn)

3.1 功能實(shí)現(xiàn)

在上文基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)充，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測控的目標(biāo)。本文在客戶機(jī)/服務(wù)器模式基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將采集卡設(shè)置在服務(wù)器中，依靠互聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)器相連，在服務(wù)器、客戶端中分別開發(fā)出Server 與Client 兩類軟件，均帶有采集系統(tǒng)面板，且均安裝了IP 協(xié)議，為網(wǎng)絡(luò)通信提供極大便利。因服務(wù)器軟件是通過“遠(yuǎn)程控制”“本地控制”進(jìn)行操作，如若采用“遠(yuǎn)程控制”，便可與客戶端軟件相互連接，采用TCP/IP 協(xié)議時，可從客戶端獲取SCPI 指令，并向客戶端進(jìn)行反饋；如若采用“本地控制”，便可在本地當(dāng)作一臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成信號顯示與處理工作。在該系統(tǒng)中采用IP 工具包，使客戶端與服務(wù)器端能夠順利溝通。在客戶端軟件中，先要與服務(wù)器的IP 端相連，針對用戶儀器操作產(chǎn)生SCPI 指令，再傳送到服務(wù)器端，通過該端口采集數(shù)據(jù)，并在面板中展示出來。當(dāng)前，可采用VI Server、TCP、IP 等技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享。IP 協(xié)議為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在軟件開發(fā)中提供IP開發(fā)工具包實(shí)現(xiàn)通信功能；Data Socket 屬于編程技術(shù)的一種，可為底層通信協(xié)議提供相同的API，在應(yīng)用中無需底層TCP 編程便可在多個應(yīng)用程序間進(jìn)行數(shù)據(jù)共享；VI Sever 可通過網(wǎng)絡(luò)渠道調(diào)用遠(yuǎn)程機(jī)中的VI，實(shí)現(xiàn)順暢運(yùn)行和控制[4]。

3.2 測試結(jié)果

本文通過大量數(shù)據(jù)對遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)進(jìn)行測試，根據(jù)以下幾組數(shù)據(jù)得出測試結(jié)果。在100Hz 正弦波時頻圖中，第一幅的信號波形較為完整，第二幅為全長作譜圖，第三幅為頻域波形圖，如圖1 所示。通過面板對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行讀取，該圖實(shí)際采用100.7Hz 的正弦波，將△t1 時段采集率設(shè)置為2082Hz，時間為1分鐘，平均頻率為48 次。全長作譜檢測的頻率為100.669Hz，與之相對的幅值為1005.26，平均作譜后檢測的頻率為99.682Hz，與之相對的幅值為792.28，此時檢測到的采樣率為2047.258Hz。通過面板對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行讀取，該圖實(shí)際采用100.7Hz 的正弦波，將△t2 時段采集率設(shè)置為4092Hz，時間為1 分鐘，平均頻率為163 次。全長作譜檢測的頻率為100.699Hz，與之相對的幅值為1248.42，平均作譜后檢測的頻率為100.058Hz，此時檢測到的采樣率為4098.281Hz。

圖1 100Hz 正弦波時頻圖

綜上所述，在現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展中，工業(yè)儀表系統(tǒng)的應(yīng)用可在遠(yuǎn)距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)對各類參數(shù)的控制，管理者可對眾多儀表集中掌控，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況制定分析與控制目標(biāo)。在此階段，在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集技術(shù)的基礎(chǔ)上，儀表系統(tǒng)便可有效解決遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程掌控與維護(hù)等難題，更加智能快速的實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)目標(biāo)，由此提高工業(yè)生產(chǎn)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本，促進(jìn)智能化工業(yè)水平提升。