信號復用傳輸技術(shù)在鍋爐承壓管線泄漏檢測中的應(yīng)用

艾學忠,閆 敏,楊葉禮,袁天奇

(吉林化工學院 信息與控制工程學院,吉林 吉林 132022)

目前，測控系統(tǒng)的信息傳輸架構(gòu)以集散控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(Fieldbus Control System)為主[1-4]，傳感器/變送器是測控系統(tǒng)中必不可少的信號采集設(shè)備[5-7].受信號傳輸方式限制，4～20 mA模擬信號輸出型的傳感器/變送器都不支持在線編程、在線自校準等功能，使得傳感器/變送器的信息化、智能化水平受到很大的限制[8-11].針對測控系統(tǒng)的信息傳輸架構(gòu)的局限，在研究模擬信號和數(shù)字信號的傳輸特點基礎(chǔ)上，提出了模擬/數(shù)字信號復用傳輸技術(shù)方案，該方案成功應(yīng)用在鍋爐承壓管線泄漏檢測系統(tǒng)中.

1 信號復用線路傳輸?shù)募夹g(shù)方案

基于信號復用線路傳輸技術(shù)的鍋爐承壓管線泄漏檢測系統(tǒng)框圖如圖1所示，包括：工控機、主控單元、音頻信號采集終端(音頻信號傳感器/變送器).復用線路中的信號包括配電電源、音頻信號采集終端輸出的4～20 mA標準電流信號和主機發(fā)、主機收、終端發(fā)、終端收4種形式的數(shù)字信號，數(shù)字通信采用主從方式.

圖1 基于信號復用傳輸技術(shù)的鍋爐承壓管線泄漏檢測系統(tǒng)

音頻信號采集終端將接收到的音頻信號轉(zhuǎn)換成4～20 mA標準電流信號，通過兩線制信號傳輸通道送給主控單元的音頻模擬信號采集單元進行I-V轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電壓信號送給多路A/D采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)USB接口傳給工控機，在工控機內(nèi)進行數(shù)字濾波和FFT運算，得到被測音頻的頻譜特征參數(shù)，用來判斷承壓管線是否存在泄漏故障.

工控機通過串口向主控單元的嵌入式微處理器發(fā)出操作指令，嵌入式微處理器解析后通過串口的TXD1發(fā)送到數(shù)字發(fā)送控制配電輸出單元，將1/0調(diào)制為配電電源15 V/21 V，為音頻信號采集終端供電的同時以廣播的形式下發(fā)數(shù)字指令；全部音頻信號采集終端都能接收到主機的命令，協(xié)議地址對應(yīng)的音頻信號采集終端按照指令完成操作并發(fā)出應(yīng)答信號，應(yīng)答信號0/1被調(diào)制成4 mA/20 mA通過模擬信號線路上傳給主控單元；主控單元的數(shù)字信號接收交換控制單元按照通信協(xié)議地址信息選通對應(yīng)的音頻模擬信號采集單元輸出的電壓信號，解調(diào)處理后經(jīng)串口RXD1上傳給嵌入式微處理器.

2 主控單元電路設(shè)計

2.1 主控單元配電輸出和數(shù)字信號發(fā)送控制電路

由于音頻信號采集終端采用兩線制方式工作，主控單元要為音頻信號采集終端提供配電電源，配電電源范圍為15～24VDC.另外，主控單元還要以串行通信方式通過配電電路向音頻信號采集終端下發(fā)數(shù)字指令，以15 V/21 V代表數(shù)字1/0.主控單元的配電輸出和數(shù)字信號發(fā)送控制原理如圖2所示，圖2中用V1方波源按位模擬主控單元串口發(fā)送信號TXD1，用RL模擬音頻信號采集終端，當方波信號源V1頻率為9.6 kHz時，可等效19.2kbps的0/1發(fā)送狀態(tài).

圖2 主控單元的配電輸出和數(shù)字信號發(fā)送控制原理

2.2 主控單元信號接收轉(zhuǎn)換電路

由于系統(tǒng)采用模擬/數(shù)字信號復用線路傳輸技術(shù)，主控單元接收到的信號包括4～20 mA的模擬信號和按照串口波特率傳送的4 mA(0)/20 mA(1)的數(shù)字信號.主控單元模擬信號接收轉(zhuǎn)換原理如圖3所示.當輸入的是模擬電流信號時，I1～I8為接收到的8路4～20 mA電流信號，經(jīng)100 Ω電阻采樣后轉(zhuǎn)換成0.4～2 V電壓信號，轉(zhuǎn)換后的電壓信號再送給多路A/D卡進行采集.在原理仿真時用電流源I9模擬產(chǎn)生頻率4 kHz、幅值8 mA、偏移量4 mA的正弦電流信號，示波器圖像為觀察到的I-V轉(zhuǎn)換波形.

圖3 主控單元的模擬信號接收處理原理

當輸入是按照串口波特率傳送的4 mA(0)/20 mA(1)數(shù)字信號時，主控器發(fā)出地址選通信號，選擇對應(yīng)的模擬開關(guān)通道，將I-V轉(zhuǎn)換后的0.4～2 V的電壓信號送給比較器LM311的同相端，LM311的反相端設(shè)置成1.25 V，比較器輸出結(jié)果為0(低電平)/1(高電平).圖4所示數(shù)字信號接收處理電路原理圖中，IS1為方波電流源，模擬方波信號的頻率為9.6 kHz、峰-峰值16 mA、偏移量4 mA，接入I1輸入端，模擬開關(guān)ADG408選通信號A0、A1、A2接低電平，模擬開關(guān)ADG408的S1與S接通，比較器U2輸出接主控單元串口RXD1，示波器中A路方波為轉(zhuǎn)換后的串口接收信號，相當于波特率19.2kbps.

圖4 數(shù)字信號接收電路

3 音頻采集終端電路設(shè)計

3.1 音頻信號采集終端供電與接收解調(diào)電路

圖5 音頻信號采集終端供電電路

3.2 音頻信號采集終端信號處理電路

音頻信號采集終端信號處理電路如圖6所示，包括麥克信號放大處理電路、工作方式選擇控制電路和V-I轉(zhuǎn)換電路3個部分.麥克接收到的音頻信號經(jīng)過二階低通、四階高通濾波處理后被LM258構(gòu)成的反向放大電路前置放大，為V-I轉(zhuǎn)換電路提供幅值合適的模擬電壓信號.模擬開關(guān)LM258用來選擇工作方式，音頻信號采集終端內(nèi)置的嵌入式微處理器根據(jù)主控單元指令，發(fā)出工作方式控制信號FSHXZ.在沒有數(shù)字信號傳輸任務(wù)時，F(xiàn)SHXZ=0，TXD0=1，電路工作于音頻信號放大方式；在有數(shù)字信號傳輸任務(wù)時，F(xiàn)SHXZ=1，電路工作于串口發(fā)送方式，TXD0為串口發(fā)送信息.

圖6 音頻信號采集終端信號處理電路

圖6所示電路中，模擬開關(guān)ADG408的選擇信號FSHXZ=0、TXD0=1時，工作于音頻信號放大方式，可以等效成圖7所示仿真電路.信號源XFG1產(chǎn)生頻率4 kHz、幅值50 mV的正弦波信號，前置放大電路經(jīng)過電容C8輸出的信號如示波器中A路波形圖所示，電阻R10上電壓信號如示波器中B路波形圖所示.驗證結(jié)果：輸入信號在0～50 mV范圍變化時，為便于觀察調(diào)整電位器R18，使電阻R10上電壓峰-峰值為2 V，此時對地輸出電流峰-峰值為20 mA.如果調(diào)整電位器R18，使電阻R10上電壓峰-峰值為1.6 V，對地輸出電流峰-峰值為16 mA，加上供電消耗電流4 mA為4～20 mA，符合設(shè)計要求.

圖7 音頻信號放大方式仿真結(jié)果

圖6所示電路中，F(xiàn)SHXZ=1時，工作于串口發(fā)送方式，可以等效成圖8所示仿真電路.信號源XFG1產(chǎn)生9.6KHz的方波信號(圖中B路方波信號)，可以模擬串口波特率19.2Kbps的發(fā)送信號替代TXD0.圖中A路方波為電阻R10上的電壓信號，說明電路在高電平1時輸出的電流為20 mA，低電平0時輸出的電流為0 mA.考慮到電路靜態(tài)工作電流4 mA，電路在高電平1時輸出總電流為24 mA，低電平0時輸出總電流為4 mA，符合主控單元對接收信號變化范圍的設(shè)計要求.

圖8 串口發(fā)送方式仿真結(jié)果

4 系統(tǒng)測試

圖9為測試平臺，使用信號發(fā)生器驅(qū)動蜂鳴器產(chǎn)生音頻信號，利用采集終端采集并處理音頻型號.通過主控接收轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，圖10為電壓信號波形.利用串口助手測試數(shù)字通信功能，圖11為串口發(fā)送接收數(shù)據(jù)測試結(jié)果.

圖9 系統(tǒng)測試平臺

圖10 主控輸出電壓信號波形

圖11 串口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)果

5 結(jié) 論

文中所述信號復用線路傳輸方案已經(jīng)應(yīng)用于智能鍋爐承壓管線泄漏檢測技術(shù)的研究項目中.由于配電、模擬信號、數(shù)字信號復用傳輸線路，大大節(jié)省了系統(tǒng)鋪設(shè)傳輸導線的成本；通過信號復用線路傳輸技術(shù)使得音頻采集終端能夠在線接受主控單元數(shù)字指令，實現(xiàn)音頻采集終端在線編程、自校準和故障自診斷功能，在很大程度上提高了系統(tǒng)的信息化和智能化水平；信號復用線路傳輸技術(shù)對于使用兩線制智能傳感器/變送器的測控系統(tǒng)有很好的推廣價值.