基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的熱工試驗測控系統(tǒng)設(shè)計

胡潤勇，向友洪，廖芳芳，程 杰，付 玉

（中國核動力研究設(shè)計院，四川 成都 610041）

0 引 言

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）已經(jīng)在多種工業(yè)場景進(jìn)行了應(yīng)用，在制造行業(yè)，IIoT 可以定義為基于實時網(wǎng)絡(luò)通信的嵌入式系統(tǒng)，用于優(yōu)化生產(chǎn)制造過程[1]。實時系統(tǒng)需要滿足兩個條件：一是對系統(tǒng)過程表現(xiàn)出預(yù)定的足夠快的實時行為；二是具有嚴(yán)格的響應(yīng)時間限制而與所用算法無關(guān)。實時系統(tǒng)正常運(yùn)行既要求邏輯運(yùn)算的準(zhǔn)確性，還要求該運(yùn)算結(jié)果在限定的時間內(nèi)得到。具有實時系統(tǒng)能力的IIoT 可以應(yīng)用于多種工業(yè)場景下的狀態(tài)監(jiān)視和運(yùn)行控制。物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中應(yīng)用，可訪問實時數(shù)據(jù)，提高變電站的可靠性[2]。具有物聯(lián)網(wǎng)平臺的變電站溫度測量方案，為基于物聯(lián)網(wǎng)的溫度監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)提供了行業(yè)參考[3]。

基于IIoT 的熱工試驗測控系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元、可編程自動化控制器（PAC）、TSN 交換機(jī)和時間服務(wù)器等組成，可以在單套測控系統(tǒng)中同時滿足穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和瞬態(tài)工況的測量控制要求，在工況參數(shù)和加熱功率等參數(shù)準(zhǔn)確測量的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)工況的實時調(diào)節(jié)控制[4]。熱工試驗瞬變工況下的參數(shù)測量有兩個技術(shù)難點：一是復(fù)雜電磁干擾環(huán)境中工況參數(shù)信號的準(zhǔn)確測量，當(dāng)功率設(shè)備功率瞬變時，干擾信號會通過傳導(dǎo)和輻射方式進(jìn)入采集設(shè)備形成共模干擾；二是基于多采集通道的加熱功率測量，試驗?zāi)M體的加熱功率通過電壓和電流測量值計算，如果兩個采集通道測量值不同步，就無法保證加熱功率的測量精度。

本文描述了基于IIoT 的熱工試驗實時監(jiān)控測量系統(tǒng)的研制，該裝置可高精度實時同步采集數(shù)據(jù)，可以更好地實現(xiàn)運(yùn)行工況在線自動調(diào)節(jié)和熱工試驗數(shù)據(jù)離線分析。針對不同參數(shù)的測量要求，熱工參數(shù)測量進(jìn)行抗干擾抑制設(shè)計，并采用數(shù)字通信方式增強(qiáng)信號傳輸?shù)目垢蓴_能力；功率參數(shù)測量進(jìn)行了同步設(shè)計，并提高了相應(yīng)通道的采樣頻率。通過該設(shè)計方案，可以在穩(wěn)態(tài)工況和瞬態(tài)工況下，獲得精細(xì)化熱工試驗參數(shù)，從而更好地實現(xiàn)工況的實時調(diào)節(jié)控制，采集的精細(xì)化數(shù)據(jù)也能更準(zhǔn)確地開展瞬態(tài)過程的機(jī)理研究。目前，本系統(tǒng)已在熱工試驗臺架上開展了演示驗證試驗，系統(tǒng)測量精度和控制響應(yīng)時間等技術(shù)指標(biāo)滿足熱工試驗經(jīng)常性變化的運(yùn)行工況要求。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

為了研究反應(yīng)堆設(shè)計的流動傳熱特性和運(yùn)行安全性，需要開展流動不穩(wěn)定性、臨界熱流密度等熱工試驗，這些試驗內(nèi)容往往涉及快速的工況變化過程，瞬變的工況會產(chǎn)生較大的電磁干擾，影響熱工參數(shù)弱信號的測量精度。另一方面，瞬時功率的準(zhǔn)確性取決于供電電壓、供電電流和負(fù)載的動態(tài)特性，需要同步測量相關(guān)參數(shù)。

通用的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（Supervisory Control and Data Acquasition, SCADA）系統(tǒng)廣泛用于對測控點分散的過程或設(shè)備的實時數(shù)據(jù)采集和自動控制領(lǐng)域[5]。SCADA 系統(tǒng)具有良好的互操作性，每臺采集工作站能夠?qū)崿F(xiàn)上萬個測點的實時數(shù)據(jù)采集，但數(shù)據(jù)采集通道的響應(yīng)時間一般為百毫秒量級，而且采集通道之間無同步機(jī)制，無法實現(xiàn)瞬變過程參數(shù)的測量。因此，需要在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展高速數(shù)據(jù)采集功能。目前，比較成熟的高速采集方案是PXI 測量機(jī)箱或PAC（可編程自動化控制器），其中，PXI 測量機(jī)箱通常面向多測量通道的高速測量，在電磁環(huán)境復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場，實現(xiàn)良好的抗干擾設(shè)計難度較大。PAC 具備寬溫度工作范圍和良好的耐振動、抗電磁兼容性能，在工業(yè)現(xiàn)場的抗干擾能力較強(qiáng)。PAC 采用實時性較好的Linux 操作系統(tǒng)，通道采樣數(shù)據(jù)的時間戳為μs級，可以滿足快速的工況變化過程參數(shù)測量需求。該設(shè)備也具有豐富的總線接口，可以實現(xiàn)與各種數(shù)據(jù)采集單元之間的數(shù)據(jù)交互，快速配置擴(kuò)展測量系統(tǒng)[6]。PAC 是基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的熱工試驗測控系統(tǒng)的分布式測控節(jié)點，各節(jié)點通過OPC UA，WebService 以及gRPC 等協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲煌臄?shù)據(jù)應(yīng)用設(shè)備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、智能化控制和數(shù)據(jù)驅(qū)動仿真[7-8]。PAC 和數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)器之間通過TSN 交換機(jī)進(jìn)行時間同步，從而保障數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)應(yīng)用。數(shù)據(jù)采集單元、可編程自動化控制器（PAC）、TSN 交換機(jī)和時間服務(wù)器的連接示意圖如圖1 所示。

圖1 基于IIoT 熱工試驗測控系統(tǒng)架構(gòu)

2 技術(shù)性能指標(biāo)

2.1 熱工參數(shù)弱信號采集單元

工控測量單元的信號測量通道通常都由一次儀表（如熱電偶、壓力變送器）和二次數(shù)據(jù)采集模塊組合形成。信號測量通道的誤差取決于測量鏈路各環(huán)節(jié)的誤差分量。根據(jù)誤差疊加理論，二次儀表的誤差小于一次儀表測量誤差1/3 時，基本可忽略二次儀表的影響分量[9]。PAC 測溫AI 輸入模塊的精度和采樣率目標(biāo)需求見表1 所列。

表1 AI/AO 模塊性能需求

PAC 的數(shù)據(jù)采集模塊除了高精度指標(biāo)外，還應(yīng)滿足抗干擾能力強(qiáng)和適宜的采樣率等關(guān)鍵需求。特別的是：針對熱電偶、鉑電阻測量模塊，信號對地的共模電壓需＞60 V，共模抑制比＞120 dB。

2.2 瞬時功率同步測量單元

在瞬時功率測量單元中，需要同時具備精確的時鐘源和良好的通道同步機(jī)制，以保證電流和電壓參數(shù)的同步測量。瞬態(tài)功率的典型上升時間為100 ms，為保證功率測量的準(zhǔn)確性，通道間同步偏離誤差應(yīng)＜1 ms?；谝陨蠘I(yè)務(wù)需求，PAC 的同步性能指標(biāo)如下：

（1）PAC 的硬件時鐘精度為±1 μs；

（2）PAC 測量通道時間戳精度為±0.1 ms。

3 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

3.1 測量信號抗干擾設(shè)計

測量信號抗干擾設(shè)計主要解決線路抗干擾和設(shè)備抗干擾兩方面問題，其中，線路抗干擾包括供電電源、電纜敷設(shè)、信號線纜屏蔽和接地設(shè)計等方面[10]。首先，測控現(xiàn)場儀表，測控模塊等部件在電源系統(tǒng)中需獨(dú)立供電，并配備UPS，降低電網(wǎng)和測量單元之間的信號互擾；其次，柜間電纜和柜內(nèi)電纜的敷設(shè)均依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，降低供電線纜對信號電纜的干擾；最后，保證屏蔽接地的連續(xù)性，使用屏蔽線纜時，進(jìn)入儀控柜的信號電纜屏蔽層采用柜內(nèi)單端接地，現(xiàn)場側(cè)采用浮空接地方式。當(dāng)屏蔽電纜有中繼點時，在中繼處將屏蔽層短接。現(xiàn)場的TC 信號選用補(bǔ)償性補(bǔ)償導(dǎo)線，TC 信號補(bǔ)償導(dǎo)線的屏蔽層在冷端盒上接入重載的金屬外殼，通過重載連接器電纜的屏蔽層串接接地，另一端浮空。RTD 信號線屏蔽導(dǎo)線的屏蔽層連接同TC 信號。測量信號連接抗干擾示意圖如圖2 所示。

圖2 測量信號連接抗干擾示意圖

在設(shè)備抗干擾方面，PAC 設(shè)備的弱信號測量AI 模塊采用差分輸入模式，在A/D 前端進(jìn)行了共模抑制設(shè)計，并做了ESD 保護(hù)，ESD 指標(biāo)為＞2 000 V。

3.2 PAC 時間同步機(jī)制

在基于IIoT 的熱工試驗測控系統(tǒng)中，為了滿足實時性和網(wǎng)絡(luò)安全的需求，在PAC 中同時配置了GPS/北斗授時模塊和NTP 時鐘同步機(jī)制，PAC 的硬件時鐘與授時模塊同步，PAC 測量模塊的時間戳與PAC 硬件時鐘同步。在數(shù)據(jù)同步采集的過程中引入時間計數(shù)器和數(shù)據(jù)緩存，主控制器定期通過FPGA 硬觸發(fā)方式對采集模塊的時間計數(shù)器進(jìn)行同步復(fù)位并記錄此刻的絕對時間[11]。采集模塊將數(shù)據(jù)與時間計數(shù)器值綜合后暫存在緩存區(qū)并在總線空閑期上傳給主控制器，主控制器依據(jù)記錄的絕對時間和計數(shù)器值計算出數(shù)據(jù)的絕對時間。在數(shù)據(jù)同步輸出的過程中引入數(shù)據(jù)寄存和輸出觸發(fā)機(jī)制，主控制器將數(shù)據(jù)發(fā)送到各模塊的數(shù)據(jù)寄存區(qū)后，再通過觸發(fā)方式使功能模塊輸出各自數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)。時鐘同步和數(shù)據(jù)同步采集示意圖如圖3 所示。

圖3 時鐘同步和數(shù)據(jù)同步采集示意圖

3.3 工程師站數(shù)據(jù)流

基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的熱工試驗測控系統(tǒng)具有分布式運(yùn)行特性，測控程序分為上、下位機(jī)兩部分。下位機(jī)作為現(xiàn)場層，其程序主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、簡單處理、控制執(zhí)行等功能，并與上位機(jī)通信；上位機(jī)作為監(jiān)控層，主要負(fù)責(zé)與下位機(jī)通信，獲取數(shù)據(jù)、交互顯示、控制指令下發(fā)等。其中，下位機(jī)程序能在自身終端上獨(dú)立運(yùn)行，與上位機(jī)及時通信，實現(xiàn)協(xié)同運(yùn)行。結(jié)合上述應(yīng)用場景，要求平臺從設(shè)計上保障上位機(jī)、下位機(jī)間通信機(jī)制具有高吞吐量、高效運(yùn)行且穩(wěn)定可靠等特點，平臺根據(jù)特定功能設(shè)計相關(guān)通信機(jī)制。

gRPC 是一款語言中立、平臺中立、開源的遠(yuǎn)程過程調(diào)用（Remote Procedure Call, RPC）框架，通信流程如圖4 所示。在創(chuàng)建分布式應(yīng)用和服務(wù)的情景下，gRPC 的客戶端可以使用與調(diào)用本地服務(wù)器相同的方式，來調(diào)用另一臺不同機(jī)器上的遠(yuǎn)程服務(wù)器，使得遠(yuǎn)程調(diào)用更加方便[12]。gRPC 定義服務(wù)的理念與其他RPC 系統(tǒng)不同，在指定服務(wù)的遠(yuǎn)程調(diào)用方法（包含參數(shù)和返回類型）后，運(yùn)行g(shù)RPC 服務(wù)器使客戶端請求在服務(wù)器端處理并實現(xiàn)，同時在客戶端中緩存這一方法，節(jié)省資源，提高運(yùn)行效率。采用gRPC 框架進(jìn)行測控系統(tǒng)分布式通信開發(fā)，可實現(xiàn)上、下位機(jī)數(shù)據(jù)流的多路復(fù)用、雙向、并發(fā)通信。

圖4 gRPC 基本通信流程

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

在完成基于IIoT 的熱工試驗實時監(jiān)控測量系統(tǒng)集成調(diào)試之后，進(jìn)行了現(xiàn)場校準(zhǔn)和通道同步性測試。現(xiàn)場校準(zhǔn)用于評價工業(yè)現(xiàn)場溫度采集模塊的技術(shù)特性，按照《JJF 1117-2010 計量比對》進(jìn)行試驗設(shè)計。現(xiàn)場溫度采集模塊與熱電偶溫度傳感器組成溫度測量通道，通過比對熱電偶傳感器的實驗室校準(zhǔn)測溫精度與工業(yè)現(xiàn)場溫度測量通道的精度，可以發(fā)現(xiàn)8 個測量通道的測量結(jié)果均符合要求。在不確定度限值范圍內(nèi)，表2 列出了其中3 個測試通道的比對結(jié)果。通道同步性測試用于測量多個測量通道的采樣同步性，在進(jìn)行瞬態(tài)功率測量時，需要同步測量電壓和電流值，當(dāng)功率瞬變速率為8 000 kW/s 時，加熱元件的電阻值（電壓/電流）基本保持恒定，即2.0 mΩ，測試結(jié)果如圖5 所示?；谝陨蠝y試結(jié)果，可以判定監(jiān)控測量系統(tǒng)的測溫精度和功率測量通道同步性均符合要求。

表2 熱電偶測量通道精度比對測試

圖5 功率測量通道同步性測試

5 結(jié) 語

基于IIoT 的熱工試驗實時監(jiān)控測量系統(tǒng)基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，研制了抗干擾測控模塊和時鐘同步模塊，在熱工試驗臺架上開展了演示驗證試驗，系統(tǒng)的測溫精度和功率測量通道同步性均符合工程科研要求。通過定義測控元數(shù)據(jù)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了測控數(shù)據(jù)采集和互聯(lián)互通，為試驗數(shù)據(jù)規(guī)范存儲和應(yīng)用打下了良好基礎(chǔ)。