自動化儀表數(shù)據(jù)漂移校準(zhǔn)技術(shù)研究

［摘 要］為解決自動化儀表在實(shí)際應(yīng)用中因數(shù)據(jù)漂移導(dǎo)致的測量不準(zhǔn)確問題，文章采用了基于小波變換的數(shù)據(jù)分析方法，通過構(gòu)建特定的數(shù)據(jù)采集與處理流程，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場自動化流量儀表的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)工作。在此過程中，運(yùn)用隨機(jī)數(shù)生成模擬現(xiàn)場條件，對載荷傳感器、溫壓一體傳感器、流量計(jì)和壓力傳感器4 種主要儀表進(jìn)行了在線校準(zhǔn)試驗(yàn)，并將結(jié)果匯總分析。研究結(jié)果表明，所采用的校準(zhǔn)方法能顯著提高儀表數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，且自動響應(yīng)速度快，校準(zhǔn)時間控制在5 min 以內(nèi)。通過對實(shí)際場景下的儀表進(jìn)行連續(xù)20 次數(shù)據(jù)漂移校準(zhǔn)試驗(yàn)，不僅證實(shí)了模型具備高效識別儀表故障的能力，而且展現(xiàn)了在保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的同時實(shí)現(xiàn)快速自動校準(zhǔn)的技術(shù)可行性。得出結(jié)論，即基于小波變換的自動化流量儀表數(shù)據(jù)漂移校準(zhǔn)技術(shù)具有高效、準(zhǔn)確的校準(zhǔn)性能，能夠?yàn)樽詣踊瘻y量系統(tǒng)提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持，從而確保系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性和可靠性。

［關(guān)鍵詞］自動化儀表；數(shù)據(jù)漂移；數(shù)據(jù)校準(zhǔn)

［中圖分類號］TG64 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）09–0144–03

在工業(yè)自動化領(lǐng)域，儀表數(shù)據(jù)的精確度直接關(guān)系到整個生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)效益。然而現(xiàn)場環(huán)境中的諸多因素如溫度、壓力波動及機(jī)械振動等，均可能導(dǎo)致儀表數(shù)據(jù)發(fā)生漂移，從而降低測量的準(zhǔn)確性和可靠性。因此開展自動化儀表數(shù)據(jù)漂移校準(zhǔn)技術(shù)的研究，對于提升儀表數(shù)據(jù)質(zhì)量和保障生產(chǎn)安全具有重要的實(shí)踐意義。國內(nèi)外學(xué)者對自動化儀表的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究，其中包括基于統(tǒng)計(jì)理論的方法、機(jī)器學(xué)習(xí)算法以及信號處理技術(shù)等。這些研究在不同程度上推動了自動化校準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展，并在實(shí)際中得到了應(yīng)用。然而，現(xiàn)有研究依然存在不足之處：①在快速變化的實(shí)際工業(yè)環(huán)境中，現(xiàn)有方法的實(shí)時性與準(zhǔn)確性難以同時滿足；②部分研究側(cè)重于理論研究而忽視了現(xiàn)場應(yīng)用的復(fù)雜性；③針對特定類型儀表特有數(shù)據(jù)特征的校準(zhǔn)方法研究不夠深入。鑒于此，文章將重點(diǎn)分析不同小波基函數(shù)對流量數(shù)據(jù)校準(zhǔn)效果的影響，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證所提方法的有效性。同時考慮到實(shí)際應(yīng)用的復(fù)雜性，文章還將結(jié)合具體的現(xiàn)場情況，設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集與處理流程，以期提出一套既符合理論又切合實(shí)際工作需求的自動化校準(zhǔn)解決方案。

1 數(shù)據(jù)校準(zhǔn)分析

在自動化儀表數(shù)據(jù)漂移校準(zhǔn)技術(shù)中，實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)采用了無線網(wǎng)絡(luò)傳輸手段，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送至實(shí)驗(yàn)室，并借助標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行精確的量值傳遞和比對。校準(zhǔn)流程的首要階段是建立一套完備的量值溯源鏈。該鏈條從現(xiàn)場被校表起始，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)傳遞表，最終抵達(dá)標(biāo)準(zhǔn)裝置，確保了現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)能夠有效、準(zhǔn)確地傳遞至實(shí)驗(yàn)室。這樣的設(shè)置有助于追蹤和保證數(shù)據(jù)的一致性和可追溯性。

在需要對流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)時，現(xiàn)場的被校表將被轉(zhuǎn)移到專門的校準(zhǔn)現(xiàn)場進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)完成后，收集到的數(shù)據(jù)會通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送回校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的軟件平臺。該軟件平臺承擔(dān)著對收到數(shù)據(jù)的分析處理任務(wù)，以得出校準(zhǔn)結(jié)果。這一過程要求軟件平臺具備高效準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)處理能力，以及對各種可能出現(xiàn)的異常情況的識別和處理機(jī)制。

在數(shù)據(jù)分析過程中，軟件平臺會運(yùn)用不同的算法和模型來處理接收到的流量數(shù)據(jù)。例如，在一個具有多條支線匯流到一條集輸管線的場景中，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，可推斷出集輸管線中的總流量M 應(yīng)等于各支線流量之和，所以某支線流量計(jì)發(fā)生故障時總流量為[1] ：

式中，Ij=1表示第j條支線閥門處于開啟狀態(tài)，而Ij=0則代表該支線閥門已關(guān)閉。此狀態(tài)變量的設(shè)定為實(shí)時監(jiān)控提供了明確的指示，確保了系統(tǒng)能夠迅速響應(yīng)并執(zhí)行相應(yīng)的操作。流量變量Mj代表了第j條支線在單位時間內(nèi)通過的流量。在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于設(shè)備老化、環(huán)境變化或其他外部干擾，支線閥門可能會出現(xiàn)完全失效的情況，這將導(dǎo)致流量測量產(chǎn)生誤差，所以用δ來表示。

若某一流量計(jì)發(fā)生故障，則該故障將在其他流量計(jì)中體現(xiàn)出相同量級的偏差，即故障共線性。軟件平臺需要準(zhǔn)確識別這種故障共線性，并對受影響的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。最后，標(biāo)準(zhǔn)表會被轉(zhuǎn)移回校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室，以便進(jìn)行后續(xù)的校準(zhǔn)工作或作為參考標(biāo)準(zhǔn)。在整個校準(zhǔn)過程中，每一步都需嚴(yán)格遵循既定的程序和規(guī)范，以確保校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

自動化儀表數(shù)據(jù)漂移校準(zhǔn)技術(shù)分析強(qiáng)調(diào)了實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)的重要性，并通過詳細(xì)的校準(zhǔn)流程展示了如何實(shí)現(xiàn)氣體流量計(jì)遠(yuǎn)程校準(zhǔn)系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)表法遠(yuǎn)程校準(zhǔn)系統(tǒng)的聯(lián)合使用。通過精確的量值溯源、高效的數(shù)據(jù)傳輸、智能的數(shù)據(jù)處理和嚴(yán)密的故障分析，確保了校準(zhǔn)工作的科學(xué)性和校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 儀表故障識別分析

在自動化儀表數(shù)據(jù)漂移校準(zhǔn)技術(shù)分析中，小波變換（Wavelet Transform，WT）的應(yīng)用提供了一個強(qiáng)大的工具，用以處理和分析瞬時或時變信號。傳感器故障通常會導(dǎo)致非預(yù)期的瞬態(tài)信號或輸出信號特性隨時間變化，而小波變換在時頻分析方面的出色表現(xiàn)使其特別適用于傳感器故障的識別與校準(zhǔn)。在自動化儀表數(shù)據(jù)漂移校準(zhǔn)技術(shù)中，小波變換發(fā)揮著重要作用。通過對小波變換的精細(xì)應(yīng)用和精確數(shù)據(jù)分析，可準(zhǔn)確識別并有效校準(zhǔn)流量計(jì)故障，從而確保自動化系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

小波變換通過使用不同的時間間隔來分析信號中的高頻和低頻分量，從而克服了傅里葉變換在局部時頻特性方面的限制。具體來說，在L2（R）空間內(nèi)的信號可以分解為一系列小波函數(shù)的疊加，這些小波函數(shù)是由母小波進(jìn)行平移和縮放而生成的。在這個過程中傳輸參數(shù)與小波函數(shù)的時間位移相關(guān)，傳達(dá)了時域信息。而尺度參數(shù)s 則定義為頻率的倒數(shù)，與頻域信息相關(guān)。

在小波分析領(lǐng)域，選擇恰當(dāng)?shù)哪感〔▽τ诖_保小波變換的高效性和準(zhǔn)確性至關(guān)重要。母小波的設(shè)計(jì)與選取必須充分考慮其數(shù)學(xué)特性，包括正交性、緊支撐性以及消失矩等。這些特性共同決定了小波變換的結(jié)果特征，并直接影響到變換過程的計(jì)算效率和結(jié)果的精確度。在眾多母小波中，Haar 小波和Daubechies小波以簡單的結(jié)構(gòu)形式和優(yōu)異的頻率響應(yīng)特性而被廣泛應(yīng)用。Haar 小波因其簡潔性而在快速處理中表現(xiàn)出色，而Daubechies 小波則以其良好的平滑性和近似性質(zhì)被廣泛使用。

此外，Symlet 和Coiflet 小波與Daubechies 小波有著緊密的聯(lián)系，在保持了Daubechies 小波的基本特性的同時，還具有各自的獨(dú)特優(yōu)勢，適用于不同的分析和處理需求。Meyer 小波、Morlet 小波和MexicanHat 小波則是因其對稱性質(zhì)，在信號處理中至關(guān)重要。這些小波在處理對稱或接近對稱的信號時，能夠提供更為準(zhǔn)確和高效的分析結(jié)果。因此，在選擇母小波時，不僅要考慮小波本身的性質(zhì)，還要結(jié)合具體的應(yīng)用場景和分析目標(biāo)，以確保小波變換的最優(yōu)性能。

在自動化流量儀表校準(zhǔn)程序中，信息采集器、基站和軟件系統(tǒng)協(xié)同工作?；鞠蛐畔⒉杉靼l(fā)送指令以啟動流量數(shù)據(jù)的采集，并將收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至軟件平臺，其中現(xiàn)場自動化流量儀表校準(zhǔn)程序流程如圖1 所示。在現(xiàn)場自動化流量儀表校準(zhǔn)程序的構(gòu)建中，首先確保系統(tǒng)已完成初始化，并準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)采集指令。整個流程的啟動始于接收啟動指令，此時，信息采集器處于等待狀態(tài)，準(zhǔn)備接受進(jìn)一步的操作指令。一旦接收到數(shù)據(jù)采集指令，信息采集器便開始執(zhí)行任務(wù)，從流量儀表中精確地采集數(shù)據(jù)。這一過程對數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性提出了高要求，以確保所獲得的數(shù)據(jù)真實(shí)反映了流量儀表的實(shí)際狀態(tài)。接下來，采集的數(shù)據(jù)將被傳送至軟件平臺，軟件平臺的任務(wù)是對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，包括數(shù)據(jù)的清洗、格式轉(zhuǎn)換以及初步的趨勢分析等步驟。數(shù)據(jù)分析處理的目的在于為接下來的校準(zhǔn)決策提供準(zhǔn)確的參考依據(jù)[2]。

軟件平臺將依據(jù)既定的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，以確定數(shù)據(jù)是否正確無誤。如果數(shù)據(jù)顯示存在異?；蚱?，則需要進(jìn)行校準(zhǔn)。這一判斷過程是自動化校準(zhǔn)流程中至關(guān)重要的一環(huán)，因?yàn)槠渲苯雨P(guān)系到流量儀表能否維持其測量精度。如果判斷結(jié)果表明需要進(jìn)行校準(zhǔn)，流程將轉(zhuǎn)入到校準(zhǔn)環(huán)節(jié)。在此階段，將執(zhí)行相關(guān)的校準(zhǔn)操作，以糾正檢測到的任何數(shù)據(jù)漂移或誤差。完成校準(zhǔn)后，系統(tǒng)將反饋校準(zhǔn)結(jié)果，并最終結(jié)束此次校準(zhǔn)流程。若無需校準(zhǔn)，系統(tǒng)將直接結(jié)束流程，并可能記錄日志或執(zhí)行后續(xù)的維護(hù)任務(wù)。

整個現(xiàn)場自動化流量儀表校準(zhǔn)程序的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)處理與精確的校準(zhǔn)，以保證流量儀表的長期穩(wěn)定性和可靠性。該平臺將根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中存儲的標(biāo)準(zhǔn)流量數(shù)據(jù)來評估采集到的數(shù)據(jù)是否符合預(yù)定的精度要求。如果數(shù)據(jù)滿足要求，則校準(zhǔn)流程結(jié)束，否則，軟件平臺將利用小波變換等技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行更深入的分析處理，以識別出信號中的異常模式，并據(jù)此診斷可能的傳感器故障，以對儀表進(jìn)行相應(yīng)的校準(zhǔn)。

3 應(yīng)用效果分析

對自動化儀表數(shù)據(jù)漂移校準(zhǔn)技術(shù)的應(yīng)用效果進(jìn)行分析，以確保系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性至關(guān)重要。在實(shí)際應(yīng)用中，通過模擬生成的3 條支線的流量數(shù)據(jù)，其范圍在400～700 m3/d，并確?？偭髁烤S持在1 000～2 000 m3/d。在這個場景下，集輸總線流量計(jì)采樣頻率設(shè)置為每0.02 s 進(jìn)行一次采樣[3]。

根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行了不同小波變換的流量校準(zhǔn)。Mexican Hat 小波變換在現(xiàn)場儀表修訂中表現(xiàn)出最佳的效果。這一結(jié)果可能反映了Mexican Hat 小波對于流量數(shù)據(jù)的特定特征提取能力，其在處理非線性和非平穩(wěn)信號方面可能具有優(yōu)勢。因此，選擇合適的小波變換方法對于儀表數(shù)據(jù)校準(zhǔn)至關(guān)重要，能夠提高校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性和有效性。

在自動化儀表數(shù)據(jù)漂移校準(zhǔn)技術(shù)的應(yīng)用效果分析中，一系列實(shí)地測試被用以評估所提出校準(zhǔn)方法的實(shí)際表現(xiàn)。關(guān)鍵儀表的數(shù)據(jù)漂移在線校準(zhǔn)試驗(yàn)所得部分結(jié)果見表1。這些試驗(yàn)揭示了所采納的校準(zhǔn)方法不僅能夠精確識別數(shù)據(jù)漂移現(xiàn)象，而且能迅速自動響應(yīng)，其高效的校準(zhǔn)過程通常能在5 min 內(nèi)完成，這一時間效率充分展示了該校準(zhǔn)技術(shù)的顯著成效。

為了解決自動化計(jì)量儀表因數(shù)據(jù)漂移導(dǎo)致的精度不準(zhǔn)確問題，一套精心設(shè)計(jì)的程序被應(yīng)用于基站、信息采集器及軟件平臺。這套程序旨在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)漂移的自動檢測與校準(zhǔn)，并經(jīng)過嚴(yán)格測試。在7 種不同的小波變換方法中，Mexican Hat 小波變換因其在現(xiàn)場儀表校準(zhǔn)中的卓越表現(xiàn)而被認(rèn)定為最有效的工具?；趯?shí)際的應(yīng)用場景，建立了一個模型對上述4 種儀表進(jìn)行了20 次數(shù)據(jù)漂移校準(zhǔn)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，該模型不僅具備高效識別儀表故障的能力，還能在極短時間內(nèi)自動完成數(shù)據(jù)漂移校準(zhǔn)，證明了其在廣泛推廣和應(yīng)用方面具有重要的價值。

4 結(jié)束語

本研究通過深入分析自動化儀表數(shù)據(jù)漂移現(xiàn)象，并采用小波變換作為主要工具，成功提出了一套高效的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)方法。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果顯示該方法能夠顯著提升數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與校準(zhǔn)效率，尤其在使用Mexican Hat 小波變換時，在現(xiàn)場儀表校準(zhǔn)中取得了最佳效果。這一發(fā)現(xiàn)不僅強(qiáng)化了小波變換在處理非平穩(wěn)信號方面的應(yīng)用價值，也為自動化儀表的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)提供了新的視角和解決方案。此外，通過對現(xiàn)場情況的模擬及連續(xù)的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)試驗(yàn)，文章所提出的校準(zhǔn)流程和技術(shù)已證明其在現(xiàn)場應(yīng)用中的可行性和有效性。隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的不斷進(jìn)步，將其與小波變換相結(jié)合應(yīng)用于自動化校準(zhǔn)過程，有望進(jìn)一步提高系統(tǒng)的智能化水平和自適應(yīng)能力。

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