基于信號(hào)補(bǔ)償算法的數(shù)據(jù)采集裝置研制

榮宏偉

（核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180）

變送器是工程現(xiàn)場的重要組成部件之一[1]，通過對管道壓力、溫度、流量等工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，來調(diào)節(jié)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，對提升產(chǎn)品質(zhì)量、保障設(shè)備安全運(yùn)行、提高生產(chǎn)效率等方面至關(guān)重要[2]。以某工程現(xiàn)場生產(chǎn)試驗(yàn)系統(tǒng)為例，變送器主要集中在主工藝管理系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)和循環(huán)水子系統(tǒng)中。其中，主工藝管理子系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)中主要為壓力變送器，負(fù)責(zé)將管道中的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為0～10 V 電壓值[3]；循環(huán)水子系統(tǒng)主要為流量變送器，負(fù)責(zé)將工藝水管中的流量信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20 mA電流值?，F(xiàn)通過2 種方式實(shí)現(xiàn)變送器參數(shù)采集：①現(xiàn)場設(shè)立儀表柜，通過變送器配套的二次儀表顯示；②現(xiàn)場設(shè)立現(xiàn)場站，通過可編程控制器（PLC）完成變送器信號(hào)采集，再通過以太網(wǎng)上傳至控制室。

現(xiàn)有方式存在以下問題：①儀表柜的二次表不具備通訊功能，無法自動(dòng)匯總變送器數(shù)據(jù)，需要值班人員定期抄數(shù)，浪費(fèi)了大量的人力、物力；②二次儀表、PLC 等集成模塊基本均為國外進(jìn)口，受中美貿(mào)易爭端影響，模塊在采購過程中存在供貨周期長、甚至斷供等“卡脖子”問題；③現(xiàn)場PLC 及配套模塊價(jià)格較貴，設(shè)計(jì)成本較高，不符合綠色、低碳發(fā)展理念。

1 研制目標(biāo)

基于上述問題，提出了一種基于信號(hào)補(bǔ)償算法的數(shù)據(jù)采集裝置，技術(shù)指標(biāo)如下所述。

（1）功能指標(biāo)

研制一種集電流、電壓變送器信號(hào)采集、傳輸于一體的數(shù)據(jù)采集裝置，在保證設(shè)計(jì)成本低、測量準(zhǔn)確性高的同時(shí)，提高系統(tǒng)的自主化水平。

（2）性能指標(biāo)

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

裝置硬件主要由A/D 轉(zhuǎn)換單元、電流處理單元、電壓處理單元、主控單元、通訊單元和電源管理單元組成。其中，A/D 轉(zhuǎn)換單元采用上海貝嶺公司的BL1082 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，BL1082 為國產(chǎn)高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)8 通道、16 位分辨率和200 ksps 采樣率模擬信號(hào)采集，通過配置可處理±10 V 的模擬電壓信號(hào)；電流處理單元和電壓處理單元的功能是將變送器輸出的電流、電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為A/D 轉(zhuǎn)換單元能夠識(shí)別的電壓信號(hào)，同時(shí)降低噪聲、提高信號(hào)轉(zhuǎn)換精度，對于變送器信號(hào)測量的準(zhǔn)確性至關(guān)重要[4]；主控單元以國產(chǎn)華大HC32F460 微控制器為核心，通過并行接口與A/D 轉(zhuǎn)換單元完成數(shù)據(jù)交互，并通過通訊單元將處理后的數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控主機(jī)；電源管理單元負(fù)責(zé)其它各單元模塊的供電，裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structural block diagram

3 經(jīng)濟(jì)性與自主化設(shè)計(jì)

目前，工程現(xiàn)場所用的集成模塊基本都采用集成芯片實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理。如臺(tái)灣泓格科技有限公司的M-7017RC、M-7016RC 兩款產(chǎn)品（分別用于4～20 mA電流、0～10 V 電壓信號(hào)采集），兩者分別通過RCV420（美國德州儀器）、XCM410（日本特瑞仕半導(dǎo)體株式會(huì)社）集成芯片完成信號(hào)轉(zhuǎn)換。其中，RCV420 單價(jià)在150 元左右，XCM410 單價(jià)在100 元左右，不僅設(shè)計(jì)成本高，而且存在芯片斷供的風(fēng)險(xiǎn)。為此，本設(shè)計(jì)通過分立元器件搭建信號(hào)處理電路，實(shí)現(xiàn)電壓、電流變送器至基準(zhǔn)電壓值的高精度轉(zhuǎn)化[5]，具體實(shí)現(xiàn)過程如下所述。

3.1 電流處理單元

電流信號(hào)處理單元的功能是將標(biāo)準(zhǔn)電流轉(zhuǎn)化成基準(zhǔn)電壓值[6]?？紤]到檢測精度、設(shè)計(jì)成本等問題，本單元設(shè)計(jì)原理如圖2 所示。

圖2 電流轉(zhuǎn)換電路Fig.2 Current conversion circuit

R1為阻值100 Ω、精度0.01%的金屬薄膜電阻，即：

因此VO1∈（0.4 V，2 V）

調(diào)零電路為VO2的可調(diào)電壓，現(xiàn)VO2=0.4 V。

將VO1、VO2接入減法電路，在理想情況下，可得：

且：

由式（1）～式（3）可得：

電阻R1=R3=R4=R5=R9=4.9 kΩ，因此：

即VO3∈（0 V，1.6 V）

同比例放大電路用于將VO3放大，即：

且：

由式（7）、式（8）可得：

電阻R7=5.1 kΩ，R8=1 kΩ，Vout=6.1 VO3，即Vout∈（0 V，9.76 V）。

因此，電流處理單元的功能是將基準(zhǔn)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～9.76 V 電壓值。

3.2 電壓處理單元

電壓處理單元是對變送器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，以提高模擬信號(hào)的分辨率與信噪比。試驗(yàn)現(xiàn)場變送器輸出的電壓信號(hào)為0～10 V，在電路設(shè)計(jì)中，需要通過RC 濾波器、電壓跟隨器對模擬信號(hào)進(jìn)行濾波，RC 濾波器可按信號(hào)頻率進(jìn)行濾波，避免高頻干擾；電壓跟隨器具有高輸入阻抗、低輸出電阻的特點(diǎn)，在電路中起到緩沖、隔離等作用。原理圖如圖3 所示。

圖3 電壓轉(zhuǎn)換電路Fig.3 Voltage conversion circuit

4 準(zhǔn)確性設(shè)計(jì)

為降低分立元器件系統(tǒng)誤差的影響，提高變送器信號(hào)測量的準(zhǔn)確性，通過對測量信號(hào)全量程標(biāo)定，找到實(shí)測信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)之間的數(shù)學(xué)模型，并利用該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)償，從而消除系統(tǒng)誤差對測量信號(hào)的影響，下文以電流型變送器為例進(jìn)行介紹。

由3.1 可知，電流型變送器輸出的4～20 mA 電流信號(hào)經(jīng)處理單元轉(zhuǎn)換為0～9.76 V 電壓值。根據(jù)采樣原理，輸入電流與采樣值的對應(yīng)關(guān)系為

式中：ξ（AD（n））為采樣值；ξ（Vin（n））為輸入電壓值；Vref為基準(zhǔn)電壓值。

但在實(shí)際檢測過程中，AD 采樣值存在零點(diǎn)誤差和滿刻度誤差。因此，在計(jì)算之前需進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)和滿刻度校準(zhǔn)，即將標(biāo)準(zhǔn)的4 mA、20 mA 電流接入數(shù)據(jù)采集裝置，讀取當(dāng)前AD 采樣值ξ（AD（4））和ξ（AD（20）），可得：

根據(jù)（ξ（AD（4）），4），（ξ（AD（20）），20）兩點(diǎn)確定直線方程，得到實(shí)測電流Iout計(jì)算方程：

式中：ξ（AD（4））為零點(diǎn)采樣值；ξ（AD（20））為滿刻度采樣值；ξ（AD（n））為當(dāng)前采樣值。在測量過程中，將式（10）帶入式（12）即可計(jì)算得到變送器的當(dāng)前電流值。

5 測試

5.1 功能測試

在實(shí)驗(yàn)室搭建模擬試驗(yàn)平臺(tái)，對數(shù)據(jù)采集裝置的電壓數(shù)據(jù)讀取指令、電流讀取指令、參數(shù)設(shè)置指令以及數(shù)據(jù)通信進(jìn)行全功能測試，連續(xù)測試12 h，記錄測試結(jié)果，如表1 所示。

表1 通信功能試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of communication function

由表1 可知，數(shù)據(jù)采集裝置能夠完全正確地按照通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的收發(fā)，且電流讀取、電壓讀取、參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)通信均合格。因此，數(shù)據(jù)采集裝置功能測試合格。

5.2 性能測試

為測試信號(hào)補(bǔ)償算法功能，分別通過帶信號(hào)補(bǔ)償算法和不帶信號(hào)補(bǔ)償算法的裝置測量標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，擬合得到測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值的關(guān)系。如圖4 所示，I0、V0分別為標(biāo)準(zhǔn)電流、電壓信號(hào)曲線；I1、V1分別為經(jīng)信號(hào)補(bǔ)償算法的仿真曲線；I2、V2為未加算法的仿真曲線。由圖可知，經(jīng)數(shù)據(jù)補(bǔ)償算法處理后得到的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確、平滑，可以有效降低噪聲干擾，提高變送器信號(hào)測量的準(zhǔn)確性。

圖4 信號(hào)檢測對比圖Fig.4 Comparison diagram of signal detection

為準(zhǔn)確得到裝置的檢測精度，通過福祿克（FLUKE 754）過程信號(hào)校驗(yàn)儀做對標(biāo)試驗(yàn)。由校驗(yàn)儀輸出電流、電壓的標(biāo)準(zhǔn)值（電流輸出精度：0.01 mA；電壓輸出精度：0.01 mV），通過通訊接口實(shí)時(shí)讀取該標(biāo)準(zhǔn)值對應(yīng)的實(shí)測值，每隔2 min 記錄標(biāo)準(zhǔn)值與實(shí)測值的偏差值（每種模擬量測量數(shù)據(jù)應(yīng)≥2000 組數(shù)據(jù)），連續(xù)測試10 min，測試結(jié)果如表2 所示。

表2 電流、電壓信號(hào)檢測結(jié)果Tab.2 Current and voltage signal detection results

根據(jù)表2 分別計(jì)算電流、電壓檢測偏差值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。電流檢測偏差值的均值λ1=0.062 mA，標(biāo)準(zhǔn)差σ1=0.003，電壓檢測偏差值的均值λ2=0.39 mV，標(biāo)準(zhǔn)差σ2=0.002，即λ1≤0.1 mA，λ2≤1 mV，且數(shù)據(jù)穩(wěn)定性高，滿足電流最大檢測誤差≤，電壓最大檢測誤差≤的要求。

6 應(yīng)用

數(shù)據(jù)采集裝置已在某監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用，從2022年8 月穩(wěn)定運(yùn)行至今，產(chǎn)品功能和性能均滿足試驗(yàn)現(xiàn)場需求。如圖3 所示為某系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)物圖，圖5（a）為現(xiàn)場站的監(jiān)控柜，負(fù)責(zé)站內(nèi)變送器、閥門等設(shè)備信號(hào)采集與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)采集裝置安裝在監(jiān)控柜中，其信號(hào)采集接口直接與壓力變送器、流量變送器的信號(hào)輸出相連，處理后的數(shù)據(jù)通過通訊接口發(fā)送至上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)工程現(xiàn)場壓力、流量等物理信號(hào)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖5 現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)物圖Fig.5 Physical map of field application

7 結(jié)語

根據(jù)工程現(xiàn)場需求，研制了一種集變送器信號(hào)采集、傳輸于一體的數(shù)據(jù)采集裝置，可逐步替代工程現(xiàn)場二次表、PLC 等設(shè)備，在系統(tǒng)自主化建設(shè)及成本控制等方面有著重大意義。通過分析變送器輸出信號(hào)特點(diǎn)，搭建基于分立元器件的信號(hào)預(yù)處理電路，實(shí)現(xiàn)了變送器輸出信號(hào)至基準(zhǔn)電壓值的高精度轉(zhuǎn)化，解決了集成芯片價(jià)格昂貴、供貨周期長、存在斷供風(fēng)險(xiǎn)的問題；并針對外界噪聲干擾和元器件的固有測量誤差，設(shè)計(jì)了適用于數(shù)據(jù)采集裝置的信號(hào)處理算法，利用過程信號(hào)校驗(yàn)儀建立標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與實(shí)測信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，通過對變送器測量數(shù)據(jù)全量程標(biāo)定與校準(zhǔn)，保證了信號(hào)測量的準(zhǔn)確性。通過仿真測試，該采集裝置的各項(xiàng)功能指標(biāo)和性能指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求，可以在工程現(xiàn)場廣泛推廣應(yīng)用。