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    試驗用監控系統數據采集方法的探討

    作者:文閱期刊網 來源:文閱編輯中心 日期:2022-07-13 08:43人氣:
    摘    要:在試驗用監控系統中,經常需要采集和顯示不同類型的參數,每種參數由不同的傳感器測量、輸出,針對不同傳感器輸出的參數形式,有不同的數據采集處理方法。參數輸出的形式主要分為兩種:一種是以信號形式輸出的模擬量和干結點類型的數字量信號;一種是以通信形式輸出的參數。模擬量信號通常采用線性換算擬合公式法;干結點類型的數字量信號直接采用PLC讀取地址獲得數據法;通信類型的參數采用編寫OPC通信程序獲取數據法。文章對這幾種不同方法的適用條件和場合做了介紹,通過幾種方法的運用,保證監控系統數據采集的合理和準確。
     
    關鍵詞:監控系統;模擬量數據采集;數字量數據采集; OPC通信程序;
     
    The Discussion for Data Acquisition Method of Monitoring System in Testing
    LiuBin Li Fan
    Research Institute of Physical and Chemical Engineering of Nuclear Industry
     
    Abstract:
    In the monitoring system for testing, it is necessary to collect and display different types of parameters. Different acquisition and processing methods should be adopted for these parameters, which are measured by the different sensors. The form of parameter is mainly divided into two types: one type is the signal, including analog signal and digital signal; another one is the parameter of communication type. For analog signal, the method of linear conversion fitting formula is usually used. The digital signal of dry node type is obtained by PLC. The parameter of communication type is obtained by writing OPC communication program. The paper analyses the applicable conditions and occasions of these different methods and through the using of these methods ensure the reasonability and accuracy of data collection in the monitoring system.
     
    Keyword:
    monitoring system; analog signal acquisition; digital signal acquisition; OPC communication program;
     
    引言
    在試驗系統中需要實時監測大量壓力、溫度、閥門狀態等參數,每種參數都是由不同類型的傳感器進行測量并輸出,參數輸出的形式主要分為兩種:一種是以信號形式輸出的模擬量和數字量信號,如壓力、流量是連續變化的物理量所表達的信息,是模擬量信號;閥門開關狀態通過0或1表示,是數字量信號;一種是以通信形式輸出的參數,如以串口協議輸出的RS232通信參數等。針對不同的參數輸出形式,在設計試驗用監控系統時,需要通過不同的數據采集方法來實現。
     
    1 信號數據采集處理
    1.1 模擬量信號采集方法
    目前試驗中模擬量信號主要有以下幾種,電壓型: 0-5/10V、電流型:0-20mA/4-20mA、電阻型:PT100。每種信號傳感變送器類型不同,需要通過不同的模擬量輸入模塊進行轉換,再通過不同的模擬量轉換公式進行推導,最終輸出成監控值。
     
    在常規試驗用監控系統中,通過可編程控制器采集傳感器輸出的標準電壓、電流、溫度或電阻信號,可編程控制器的模擬量輸入模塊將相應的電壓、電流、溫度或電阻信號等模擬量轉換成整形數,通過內部編程利用不同的轉換公式,計算出相應的工程量。[1]
     
    對于上文提到三種模擬量信號的處理方法又分為兩種情況,一種是模擬量線性轉換,另一種是模擬量非線性處理。下面對兩種情況進行分析。
     
    1.1.1 模擬量線性轉換
    在試驗中常用到以下兩大類,電壓和電流型傳感器:
     
    (a) 壓力傳感器-壓力測量范圍為0-133.332 hPa,傳感器輸出信號0-10V。
     
    (b) 溫度傳感器-溫度測量范圍為-20-100℃,傳感器輸出信號為4-20mA。
     
    模擬量信號采集通常需要將該信號轉換成0-27648的整形數,然后再在程序中轉換成對應的工程量[2]。在(a)中當傳感器輸出信號為7.5V時,通過產電PLC XGI-AD16A模塊編程計算后可顯示的壓力值為99.99hPa。程序框圖如圖1所示。[3]
    圖1 P/U線性關系編程  
     
    Fig1.P/U Linear programming
     
    如果利用西門子PLC SM331進行該信號的采集,則利用公式(1-1)[3]:
     
     (1-1)
    將一個整形數INTEGER(IN)轉換成上下限HILIM和LOLIM之間的實際工程值,將結果寫到OUT中,即完成計算。其中K1和K2是常數,它的值取決于輸入值(IN)是雙極性還是單極性,如果是雙極性則輸入的整形數為-27648到27648,K1和K2的值分別為-27648.0和+27648.0;如果是單極性則輸入的整形數為0到27648,K1和K2的值分別為,0.0和+27648.0。如果選擇簡單方法,可以直接調用S7 300中的FC 105功能塊,即可實現。[4]
     
    在(b)中 溫度傳感器測得溫度T=100℃時,輸出電流I=20mA;T=-20℃時,輸出電壓I=4mA,可以推導出當傳感器輸出信號為10mA時,溫度為25℃.如果利用西門子PLC SM331進行該信號的采集,利用公式(1-1)進行計算,此時輸入值(IN)是雙極性,K1和K2的值分別代入-27648.0和+27648.0,也可得出相應的溫度值。
     
    以上為試驗中常用到的幾種模擬量信號線性轉化采集處理方法。
     
    1.1.2 模擬量非線性處理
    在試驗系統經常會使用石英晶振作為傳感器的真空計,這種真空計利用石英晶振的諧振阻抗與氣體壓強的相關性來測量壓強。以常用的DL-9為例,其二次儀表將數據以模擬量形式輸出至采集模塊,即將壓強值轉換成對應的對數值,再通過DA變換,將對數值變成電壓值進行輸出。當模擬量采集模塊接收到電壓信號時,需要通過逆向推導,才能計算出相應的壓力值。
     
    傳感器信號的輸出形式為0-10V,但壓力值并沒有給出一個確定的關系式,只給出了多個特殊點的壓力和電壓對應關系表,如表1[5]所示。
     
    表1 電壓與壓力關系表
    從表中可以看出,電壓與壓力關系是離散的點,并無線性關系,只能通過曲線擬合工具,擬合出近似的關系公式,將電壓值轉換成壓力值。通過曲線擬合軟件,繪制電壓與壓力關系圖,如圖2所示。
     
    在曲線擬合前必須通過觀察數據的分布趨勢,確定合適的擬合方法,才能減少人為誤差的影響,提高擬合精度。[6]這里采用多項式近似法進行曲線擬合,該方法適用于無測量誤差的近似曲線擬合,擬合結果精度高,可以滿足試驗要求。
     
    圖2最終可以通過公式(2-1)表達:
     
     (2-1)
    其中,V是信號輸出的電壓值,P是計算得到的壓力值,通過編程將該類測點封裝成自定義功能塊,在模擬量采集掃描程序中調用即可。
     
    PT100是試驗中常用的一種溫度測量檢測器,是一種鉑熱電阻,它有阻值隨溫度改變而變化的特性[7]。當PT100在0℃時,其阻值為100Ω,它的阻值會隨著溫度上升而成近似勻速的增長。但它們并不是簡單的正比關系,而是更趨近于一條拋物線。[8]鉑熱電阻的阻值隨溫度變化而變化的計算公式如下:
     
    當-200<t<0℃時,
     
    Rt=R0[1+At+Bt2+C(t-100)t3] (3-1)
     
    當0≤t<850℃時,
     
    Rt=R0(1+At+Bt2) (3-2)
     
    Rt為t℃時電阻值,R0為0℃時的電阻值。A、B為給定系數,A=3.9083×10-3、B=-5.775×10-7、C=-4.183×10-12。[9]
     
    如果不采用專用采集模塊進行PT100采集,需要通過以上公式進行編程實現。試驗室通常通過可編程控制器的PT100采集模塊進行采集,以產電PLC XGF-RD4A模塊為例,由于模塊內部已經進行了電阻值和溫度轉換,在編程時只需將端口輸出的實數值除以10即可得到需要監測的溫度值。
     
    1.2 數字量信號采集處理
    在試驗系統中是通過繼電器的通斷狀態來表示閥門開關狀態的,即干結點信號。對于干結點信號可以通過數字量采集模塊進行采集,以產電PLC XGI-D22A數字量采集模塊為例,在程序中只需將數字量通道的位置和變量的內存地址相對應,通過MOVE功能塊,即可直接將干結點的開關狀態,上傳至內部變量地址中,監控界面直接調用該內部變量,就能實現開關狀態監控。數字量掃描程序如圖3 所示。
     
    2 通信數據的采集處理
    對于通信傳輸的數據,有兩種采集方法:一種采用PLC通信模塊,通過邏輯控制器編程,將數據傳至組態軟件進行顯示;另一種是針對不同類型的數據通信設備,開發相應的通信程序,組態軟件讀取通信程序上傳的數據進行顯示。對于第一種方法,如果涉及多種通信類型和多個通信點,需要選擇多個不同種類的數據通信模塊進行編程處理,會增加硬件成本。而對于第二種方法,只需要編寫獨立的通信程序即可實現,更加經濟方便。
     
    在試驗用監控系統中經常采集不同類型的數據通信設備,如通過RS232通信的功率分析儀WT330、通過CAN通信的裝架集成測振裝置、通過485通信的低溫恒溫槽等等,每種通用設備基本都有各自的通信協議[10]。但是在不同的試驗系統中,根據設計需求,會選用不同類型的人機交互軟件進行監控系統設計,不同軟件對于這些通用設備的通信接口定義必然不同,這樣每套系統的通信軟件都需要重新設計,例如試驗系統1和試驗系統2都使用WT330采集電參數,但監控系統分別使用了WinCC和LabVIEW人機交互軟件,這樣就需要針對兩種軟件接口編寫兩個不同的通信程序,造成人員和時間上的浪費[11]。因此,針對每種通用設備,通過高級語言編寫開放的OPC通信程序,即可實現同一設備在不同人機交互平臺的方便接入。
     
    從圖4 監控系統OPC通信程序功能圖中可以看出,通過OPC通信程序可以方便的將各類參數采集設備,接入不同的人機交互平臺中。
     
    圖4 監控系統OPC通信程序功能圖
    OPC通信程序在監控系統中,處于人機交互軟件與通用設備數據傳輸交換部分。OPC通信程序分為兩個部分,分別是OPC功能和數據通信[12]。OPC以服務器/客戶端的模式運行,這兩種模式只要遵循OPC數據接口協議,即可進行交互操作。OPC服務器等待來自客戶的要求,為客戶端提供所需數據并能與下位機進行數據交換;OPC客戶端則向服務器發送要求,等待直到收到回應,從服務器獲取數據并進行處理[13]。因此OPC通信程序在監控系統中作為OPC服務器,人機交互軟件作為OPC客戶端。
     
    OPC服務器部分采用OPC開發包開發;數據通信部分是根據不同參數采集設備的通信協議,按照相應的功能需求和技術指標,實現系統具體功能開發。圖5為通信程序的基本流程圖。
     
    圖5 通信程序的基本流程圖
    由圖5可知,OPC通信程序首先完成OPC服務器的基本功能,包括注冊OPC服務、建立OPC變量和開啟OPC服務。注冊OPC服務使得組態軟件通過OPC接口找到該OPC服務器的CLSID,識別該服務器;OPC服務器與OPC客戶端則是通過OPC變量來進行數據的交互;當變量建立完成后,開啟OPC服務器,此時可以與人機交互軟件進行數據通信。
     
    OPC服務功能成功開啟后,OPC通信程序開始與參數采集設備進行數據通信,按照相應采集設備通信協議的數據格式,完成發送監測命令和接收處理監測數據的功能。以常用的CAN通信的裝架集成監測裝置為例,OPC通信程序和監測裝置以CAN數據格式發送和接收[13]。另外,由于不同監控系統所需參數采集設備的種類和通信協議各不相同,OPC通信程序可以隨時修改采集設備的通信協議,完成對監測數據的采集。又如某監控系統的參數采集設備的通信協議分別為以太網通信協議和串口通信協議,此時OPC通信程序的數據通信部分則改為以太網通信和串口通信[14]。
     
    當與參數采集設備成功進行數據通信并獲得監測數據后,判斷此時OPC服務器數據交互狀態。OPC服務器和OPC客戶端交互包括兩個方面:一是客戶端從服務器讀取數據,二是客戶端向服務器寫數據。對于長時間需監測的數據,OPC服務器為讀狀態,以刷新的方式將監測數據持續推送給OPC客戶端,供客戶端進行數據處理。為了提高CPU和網絡資源的利用率,OPC通信程序對監測數據前后兩次獲取的值進行比較,當發生改變時,將OPC變量的值進行更新。對于間隔監測的數據,一般由OPC客戶端對OPC服務器進行寫數據,OPC通信程序中采用異步數據訪問的方式接收來自OPC客戶端的數據[15]。這種異步方式效率高,能夠避免多客戶大數據請求的阻塞,并可以最大限度地節省CPU和網絡資源。
     
    當OPC通信程序在監控系統中運行時,其數據通信功能獲得的監測數據為各參數采集設備通信協議所定義的數據格式。人機交互軟件與通信程序以OPC方式數據通信,其數據格式為OPC標準的數據格式。這二者之間數據格式不同,無法直接將監測數據傳輸給OPC變量,以供人機交互軟件顯示處理。因此,需要搭建一個數據橋梁將數據格式進行轉換,以完成將參數采集設備處獲得的監測數據轉換為OPC標準的數據格式。圖6為監測數據轉換處理流程圖。
     
    由圖6可知,通信程序把數據通信中保存的監測數據進行處理分析,首先判斷是否為參數A的數據,若是則將其存儲至符合OPC數據格式,變量名為參數A的功能變量中,再將該功能變量賦值給已生成參數A的OPC變量,若不是則判斷是否為參數B的功能變量,以此類推,直至所有的監測數據都轉換完成。
     
    通過OPC通信程序設計,可以方便的將不同種類的通信數據,轉換為具有開放性的OPC數據形式,可與不同人機交互軟件進行方便對接。
     
    3 結論
    在試驗用監控系統設計時,針對傳感器輸出的模擬量信號,可以通過線性轉換或線性擬合出相應的公式,通過PLC編程完成數據采集;對于數字量信號直接通過PLC編程讀取相應通道的地址即可實現;若是通信數據,則通過編寫OPC程序,合理、準確地實現數據采集。
     
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