基于遠程數據采集技術的工業儀表系統分析

戚健鵬

（ 珠海黑石電氣自動化科技有限公司，廣東 珠海519075）

當前工業生產中，能源與物資計量設備分散在多個區域，為設備監控、數據統計帶來極大不便。在智能化技術發展下，工業儀表系統誕生，與通訊技術相結合，通過現場總線的方式可對多臺儀表進行遠程監控和數據采集，將儀表直接連入PC 機中，通過現場大屏幕實時記錄儀表數據，實現遠程傳輸的目標，并自動對儀表數據進行計量和匯總。

1 遠程數據采集技術原理

2 工業儀表系統設計方法

2.1 硬件設計

2.1.1 數據接收器

在數據處理單元中，主要目標在于接收采集單元的數據，根據檢測要求進行處理和顯示，通過鍵盤設置標定系數、限位值，并將測量計算結果依靠TXD 傳送到監控計算機中。待某數據接收完畢后便會向主處理器發出告警，請求終端；當主處理器響應該請求后，便會發出隔離器選通信號，即隔離器地址信號，使該設備處理高阻狀態，與接收器共同創建通信道。同時，主處時器還會發送信號進行確定，將中斷請求消除。待數據交換完畢后，便可清理隔離器中的選通信號。該系統中，采用AT89C2051 單片機作為接收器，與采集單元通過串行通信的方式開展工作，固定數據交換長度為7，在幀格式中數據塊頭標記為OAA，代表著一個數據的開始。在運行過程中，接收器為等待狀態，待收到一個數據塊后，將塊頭去掉，再將數據錄入本機內部RAM緩沖區中，將P3.2=0 傳遞到主處理器中，便可使中斷請求得以響應，此時主處理器便回復請求P1.4=0，接收器針對回復信號進行檢驗后，置位P3.2=1，消除該請求，數據傳輸正式開始[2]。

2.1.2 主處理器

在該系統中，主處理器采用AT89C52 單片機，具有顯示測量數據、鍵盤管理、工程量轉換、通信管理等功能。接收器與主處理器之間的信息交換是以中斷方式開展，當某個收發器請求中斷后，便可使主處理器的INTO 變為低電平，此時便可觸發主處理器。在處理器程序中斷后，對P1.0 到P1.3 的狀態進行查詢，便可確定發送數據的路徑。在數據處理單元中，還可采用異步時鐘設計法，使各個單片機的電路以振蕩器的形式設計，此舉可有效避免中斷請求并發。

2.2 軟件設計

數據采集的第一步便是初始化，包括系統堆棧、內部數據初始化等，該流程可避免計算機中存取新內容對歷史信息的覆蓋，由此導致內容混亂、信息丟失等情況產生，因此初始化環節十分必要。在數據采集模塊中，將數據從已記錄的文件中讀取出來，再根據特定方式存儲到內存之中，對采樣時間、頻率等信息一同存儲起來。以分頁記錄的方式為主，在頻譜分析時使數據更加平均；利用MATLAB 語句，將LabVIE 的強大功能充分發揮出來。在程序設計中，在C 語言的基礎上嵌入其他語言，使程序結構得以簡化，功能更加完善。該程序采用MATLAB 語句，實現數據量補0 到2 整數次冪的目標。在全長作譜模塊中，主要針對讀取數據頻譜進行交換，主要采取FFT 變換，針對數據數量要求有所限制，如若數據量為2 的整數次冪，但實際值卻可能有所出入，本文采用補0 的方式，將數據量增加到2 的整數次冪[3]。通過FFT 變換后輸出復數組，存儲到數組之中。在平均作譜模塊中，為使譜圖更為光滑，更便于分析頻譜中的某些特點，對頻譜峰值進行定位，可采取平均方式，將采集模塊中的原始數據分為多個小組，每組為523 個數據，再取相鄰兩組的平均值，制作頻譜，由此獲得更好的平滑效果。在該譜圖中常常帶有許多毛刺，不可通過濾波去除，可通過取平均數的方式解決，此時譜圖特征更加顯著，峰值判斷幾乎不會出現過多誤差。在求取峰值模塊中，主要通過采集模塊將數據傳入數組，針對數字中的信息進行對比，由此獲得峰值位置，該處為峰值求取的關鍵所在，可通過采樣頻率、精確推算等方式得出。

2.3 網絡功能

（1）數據采集。在實際項目的信息采集點處設置大量管道、電機、變頻器等，針對測量點的電壓、流量、閥門開度、溫度等物理量進行測量。該網絡功能之一便是在主控室對外部各項數據進行采集，再將其存盤后為后續應用提供便利；數據信息可通過曲線、表格等多樣形式展現出來；

（2）設備監控。遠程采集點反饋信息中含有多種物理數據，蘊含多種設備的工作信息。用戶不但可借助網絡平臺實時掌握現場情況，還可向現場發送指令進行設備控制，如控制閥門開關、電機開停、儀表參數設置等等；

（3）故障診斷。根據對現場設備運行各項指標進行監測和分析，可及時發掘設備異常，做到未雨綢繆。此外，在工業儀表上設定報警值，一旦數值超過設定便會出發報警，主控室設備將自動彈出報警窗口，提示作業者及時響應，針對現存問題采集有效處理措施，將損失降到最低；

（4）無人操作。以該系統具備遠程監控、自動診斷等作用，可快速準確的響應信息，為無人操作目標實現提供技術支持。在工業生產中，無需值班人員對各個設備進行巡查，節約大量人力與時間成本，縮短了巡檢時間，促進系統運行效率提升。

3 遠程測控功能的測試與實現

3.1 功能實現

在上文基礎上進行擴充，實現遠程測控的目標。本文在客戶機/服務器模式基礎上進行數據采集系統設計，將采集卡設置在服務器中，依靠互聯網與服務器相連，在服務器、客戶端中分別開發出Server 與Client 兩類軟件，均帶有采集系統面板，且均安裝了IP 協議，為網絡通信提供極大便利。因服務器軟件是通過“遠程控制”“本地控制”進行操作，如若采用“遠程控制”，便可與客戶端軟件相互連接，采用TCP/IP 協議時，可從客戶端獲取SCPI 指令，并向客戶端進行反饋；如若采用“本地控制”，便可在本地當作一臺數據采集系統完成信號顯示與處理工作。在該系統中采用IP 工具包，使客戶端與服務器端能夠順利溝通。在客戶端軟件中，先要與服務器的IP 端相連，針對用戶儀器操作產生SCPI 指令，再傳送到服務器端，通過該端口采集數據，并在面板中展示出來。當前，可采用VI Server、TCP、IP 等技術進行數據共享。IP 協議為網絡協議的工業標準，在軟件開發中提供IP開發工具包實現通信功能；Data Socket 屬于編程技術的一種，可為底層通信協議提供相同的API，在應用中無需底層TCP 編程便可在多個應用程序間進行數據共享；VI Sever 可通過網絡渠道調用遠程機中的VI，實現順暢運行和控制[4]。

3.2 測試結果

本文通過大量數據對遠程采集系統進行測試，根據以下幾組數據得出測試結果。在100Hz 正弦波時頻圖中，第一幅的信號波形較為完整，第二幅為全長作譜圖，第三幅為頻域波形圖，如圖1 所示。通過面板對數據結果進行讀取，該圖實際采用100.7Hz 的正弦波，將△t1 時段采集率設置為2082Hz，時間為1分鐘，平均頻率為48 次。全長作譜檢測的頻率為100.669Hz，與之相對的幅值為1005.26，平均作譜后檢測的頻率為99.682Hz，與之相對的幅值為792.28，此時檢測到的采樣率為2047.258Hz。通過面板對數據結果進行讀取，該圖實際采用100.7Hz 的正弦波，將△t2 時段采集率設置為4092Hz，時間為1 分鐘，平均頻率為163 次。全長作譜檢測的頻率為100.699Hz，與之相對的幅值為1248.42，平均作譜后檢測的頻率為100.058Hz，此時檢測到的采樣率為4098.281Hz。

圖1 100Hz 正弦波時頻圖

綜上所述，在現代化工業發展中，工業儀表系統的應用可在遠距離內實現對各類參數的控制，管理者可對眾多儀表集中掌控，結合現場實際情況制定分析與控制目標。在此階段，在遠程數據采集技術的基礎上，儀表系統便可有效解決遠程診斷、遠程掌控與維護等難題，更加智能快速的實現生產目標，由此提高工業生產效率，節約生產成本，促進智能化工業水平提升。