基于自動化的能源計量系統數據采集技術研究及實現

任國明

（唐山鋼鐵集團微爾自動化有限公司,063000）

基于自動化的能源計量系統數據采集技術研究及實現

任國明

（唐山鋼鐵集團微爾自動化有限公司,063000）

本文對基于計算機技術的能源計量數據采集系統，結合作者的實踐經驗進行詳細的闡述和解析，從系統工作原理和整體結構出發針對采集數據信號硬件電路設計和系統軟件給出了設計方案和總體規劃。通過在生產中應用該系統發現，無論是在能源數據數據方面還是系統本身的運行方面都極具優勢，對于冶金企業能源管控有深遠的影響。

能源計量；數據采集；AD轉換；數字濾波

0 引言

現有能源計量系統信息采集與處理速度慢，數據采集的精度偏低，無法滿足現代冶金企業生產的安全要求。在此介紹基于自動化的能源計量系統以FPGA為核心，實現4種電壓范圍AD轉換，8通道模擬信號轉換以及數字濾波。系統結構簡單，可靠性強，信號采集與處理速度快，采集精度高，可實現復雜濾波算法，對于復雜惡劣生產環境適應性強，抗干擾能力優，具有良好的使用價值，完全能滿足現代冶金企業生產安全的要求。

1 系統主要硬件電路設計

圖1即為AD轉換電路。信號傳輸到AD轉換器。為滿足能源數據采集系統的設計，本系統的AD轉化芯片采用的為ADS774芯片，該芯片由美國Burr-Brown（BB）公司設計生產，可以高精度實時采集寬范圍的模擬量信號，滿足了本次設計中溫度、壓力、應力和應變多種信號處理的要求。該芯片可實現雙極性輸入，有4種電壓信號輸入，-10v~+10v，-5v~+5V,0~10V,0~20V。該芯片能耗低，轉換迅速，能耗最大也不超過120MW，時間最長不超過8.5μs。ADS774芯片可獨立運行，基本上可連接所有的數字和微處理器系統。轉換電路可以通過跳線來完成對于不同電壓范圍內輸入信號的AD轉換。

若模擬信號的輸入電壓UN在0~10V之間，則對應信號輸入需在芯片10V模擬信號輸入引腳13中輸入，若在0~20V，需從20V輸入引腳14輸入。信號經轉換變為無符號二進制碼D，與UN轉化關系為

圖1 AD轉換電路

圖1（b）電路圖中可看出，若UN從芯片10V模擬信號引腳13輸入，則P3跳線器引腳1、3短接，4、6短接，且=10V。若從20V引腳14輸入，此時引腳3、5短接，4、6短接，=20V。 AD轉換最小分辨率的計算為，從不同引腳輸入，值就不同，對應的最小分辨率也會隨之變化。

若UN的區間為-10V~+10V或-5V~+5V，此時UN為雙極性，應分別從引腳13或14輸入。此時D與UN轉化關系為

最小分辨率計算方法同上，UN若從引腳13輸入，則引腳1、3相接，引腳2、4相接，采用上述方法計算得1LSB=2.44mV；若從引腳14輸入，則引腳3、5相接，2、4相接，1LSB=4.88mV。

2 系統軟件設計

FPGA可以通過電復位來實現模擬開關通道的開關，這通過定時程序實現。冶金企業環境復雜惡劣，為確保信息采集的實時可靠及穩定，系統在設計時在芯片內部設計FIFO寄存器和軟件濾波模塊。若想隨時讀取實時采集的數據信息，可通過上位機在寄存器中讀取。同時，數據上傳時若丟失還可從FLASH存儲器中調用，因FPGA將上傳數據在其中做了數據備份。

濾波器分類眾多，按信號可分為數字濾波器和模擬濾波器。按功能用途還可分為帶阻/帶通濾波器，高通/低通濾波器。面對特殊的冶金生產環境，本系統設計時采用模擬濾波的同時還采用了數字濾波。采集信號不同，采用的濾波方法也不同。本系統中采用的主要方法為滑動算術平均值濾波方法。另外，修改濾波算法便可實現其他濾波算法。

3 補償程序設計

在惡劣且快速變化的環境中進行現場作業會嚴重影響測量結果，所以我們在設計數據采集部分的程序過程中選擇的方法為多次連續測量結合平均值算法，以此來講測量誤差降到最低。我們用y=f(x)來表示函數關系，用y=p(x)來表示其近似表達式，如果想要獲得精準的實驗結果和研究統計數據，那么就需要獲取大量的相關數據，即(xi,yi)(i=0,1,L,m)。對近似函數進行求解通常情況我們所采用的方法有差值法和多項式擬合。實驗中產生的誤差數據一般情況下通過差值法來進行保留，而對于近似函數y=p(x)來說，采用多項式擬合法對最小偏差ri=p(xi)-yi(i=0,1,,,m)進行求解就能夠將數據總體的走勢反映出來。該系統在采集能源計量數據的過程中，會在光電耦合器的作用下產生非線性的輸入信號，進而獲取到的數值與實際數值具有一定的偏差。所以這個時候補償程序發揮了作用，模擬量輸入信號在多項式擬合法的作用下保持不偏移，完成軟件補償。下圖2顯示了詳細的軟件補償程序的流程。傳感器對未經擬合的數據進行采集，曲線擬合軟件將這些數據與模擬量輸入信號進行擬合得到每個通道的數據擬合函數。當然，模擬量通道的數據擬合函數會根據具有不同非線性特性的光耦芯片的實際情況而顯示出不同的結果。

圖2 軟件補償程序流程圖

4 結語

基于自動化的能源計量系統以FPGA為核心，實現4種電壓范圍AD轉換，8通道模擬信號轉換以及數字濾波。系統結構簡單，可靠性強，信號采集與處理速度快，采集精度高，可實現復雜濾波算法，對于冶金企業中復雜惡劣環境適應性強，抗干擾能力優，具有良好的使用價值，完全能滿足現代冶金企業生產安全的要求。

[1] 劉永.基于Web能源管理系統中數據采集與處理方法的研究[D]. 哈爾濱工業大學 2013

[2] 孫長順.包鋼能源計量網絡系統的設計與應用[D]. 華北電力大學（河北） 2014

[3] 楊潔.基于現場總線的濟南卷煙廠能源監測管理系統[D]. 山東大學 2015

[4] 戴鋼.鋼鐵生產企業計量數據采集管理系統的設計與實現[D]. 哈爾濱工程大學 2014

Research and implementation of data collection technology based on automated energy measurement system

Ren Guoming
（Tangshan iron and Steel Group viooo Automation Co. Ltd.063000）

In this paper,the energy measurement data acquisition system based on computer technology, combined with the author's practical experience in detail and analysis,starting from the working principle of the system and the overall structure of the data signal acquisition hardware circuit design and system software design and overall planning. By using this system in production,it is found that both the energy data data and the operation of the system are extremely advantageous,which have a profound influence on the energy management and control of metallurgical enterprises.

energy measurement;data acquisition;AD conversion;digital filter