基于正弦信號(hào)的AO 跳變自動(dòng)測(cè)試方法研究與應(yīng)用

劉曉娟,李春雅,劉斯淇,張立然

(浙江中控技術(shù)股份有限公司,浙江 杭州 310053)

0 引言

工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)在各個(gè)行業(yè)生產(chǎn)過程中有著廣泛的應(yīng)用[1]。其中,模擬量輸出(analog output,AO)電流輸出模塊在控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)方面起著不可或缺的作用。其是否按預(yù)期輸出關(guān)系到現(xiàn)場(chǎng)裝置的安全性。在分布式控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試時(shí)監(jiān)控AO 信號(hào)輸出,可以有效驗(yàn)證AO 輸出信號(hào)的穩(wěn)定性。

目前,常用的測(cè)試方法包括模塊自帶回檢、電流檢測(cè)儀器、模擬量輸入(analog input,AI)模塊輔助測(cè)試以及將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)通過示波器監(jiān)測(cè)這四種方法。模塊自帶回檢受限于自身檢測(cè)分辨率與本身模塊的可靠性,即同時(shí)作為被測(cè)模塊和測(cè)量模塊,不能保證測(cè)試結(jié)果的正確性。電流檢測(cè)儀器只能觀測(cè)某點(diǎn)數(shù)據(jù),不適合長(zhǎng)期信號(hào)監(jiān)測(cè)。AO 輸出至AI 模塊進(jìn)行輸入監(jiān)測(cè),由于監(jiān)控軟件刷新時(shí)間間隔較長(zhǎng),不能檢測(cè)短時(shí)間的信號(hào)跳變。AO 正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換電壓并通過示波器監(jiān)測(cè)是目前較常用的AO 動(dòng)態(tài)信號(hào)可信性測(cè)試方法。該方法實(shí)時(shí)性強(qiáng)、直觀,但異常跳變信號(hào)無法存儲(chǔ),且需人為監(jiān)測(cè),效率低、易出現(xiàn)人因差錯(cuò)。

針對(duì)上述AO 動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試方法的缺點(diǎn),設(shè)計(jì)了一套以AO 正弦波形輸出為例的多通道AO 正弦信號(hào)跳變監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于NI 的PCI-6224 卡件,結(jié)合LabVIEW 軟件開發(fā)[2]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

完整的測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)包含被測(cè)信號(hào)源、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、信號(hào)處理與結(jié)果輸出三個(gè)方面。

被測(cè)信號(hào)源由系統(tǒng)信號(hào)輸出功能塊輸出正弦信號(hào)至AO 電流輸出位號(hào),輸出一定周期的4～20 mA 電流信號(hào),通過外接高精度采樣電阻將電流、電壓(I/U)轉(zhuǎn)換為同周期的電壓正弦信號(hào)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用NI 數(shù)據(jù)采集卡的AI 部分,結(jié)合LabVIEW 數(shù)據(jù)采集DAQmx 函數(shù)實(shí)現(xiàn)[3]。

信號(hào)處理與結(jié)果輸出主要在進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置后,實(shí)現(xiàn)多通道AO 信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、異常數(shù)據(jù)處理、異常跳變回放等功能,并顯示采集狀態(tài)、測(cè)量起始時(shí)間及各個(gè)通道測(cè)試結(jié)果,以便操作者使用。

AO 正弦信號(hào)跳變監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示[4]。

圖1 AO 正弦信號(hào)跳變監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture diagram of AO sinusoidd signal jump monitoring system

2 功能實(shí)現(xiàn)

本文對(duì)多通道AO 正弦信號(hào)跳變識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行了研究,并從四個(gè)方面對(duì)AO 正弦信號(hào)跳變監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行介紹,分別為數(shù)據(jù)采集、算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、誤差分析以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與回放功能。軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖2 所示。首先,信號(hào)進(jìn)入多通道數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行通道切換;其次,通過算法確定初相角,進(jìn)而生成各通道邊界信號(hào);最后,對(duì)采集信號(hào)與邊界信號(hào)進(jìn)行對(duì)比判定,并存儲(chǔ)異常數(shù)據(jù)。

圖2 軟件實(shí)現(xiàn)流程圖Fig.2 Software implementation flowchart

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集功能由NI 數(shù)據(jù)采集卡和NI-DAQmx 完成。外部信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡后,經(jīng)處理轉(zhuǎn)換,先進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡自身緩沖區(qū)內(nèi),進(jìn)而上傳到計(jì)算機(jī)內(nèi)存。

數(shù)據(jù)采集與處理使用兩個(gè)并行循環(huán)作為獨(dú)立線程,互不干擾以免漏采數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集過程首先進(jìn)行通道選擇,并設(shè)置采樣速率和通道采樣數(shù)等參數(shù)。設(shè)置完成后,將讀取到的數(shù)據(jù)存入隊(duì)列,待后續(xù)從隊(duì)列中獲取各個(gè)通道的數(shù)據(jù)[5-6]。

2.2 算法設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

在該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,采集到的信號(hào)為階梯信號(hào)。AO階梯正弦信號(hào)如圖3 所示。AO 階梯正弦信號(hào)包含如下參數(shù):①正弦周期T;②數(shù)據(jù)發(fā)布周期t1;③AO 輸出電流4～20 mA 對(duì)應(yīng)的采樣電壓等信息。階梯正弦信號(hào)光滑程度取決于數(shù)據(jù)發(fā)布周期t1。本設(shè)計(jì)采樣自動(dòng)檢測(cè)技術(shù),需將階梯信號(hào)作為如圖3 所示的光滑AO正弦信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算。

圖3 AO 階梯正弦信號(hào)示意圖Fig.3 Schematic diagram of AO stepped sinusoidal signal

對(duì)AO 輸出的正弦波形數(shù)據(jù)進(jìn)行邊界限制,并將輸入信號(hào)與上、下限進(jìn)行比較,超出該限定即認(rèn)為發(fā)生跳變。因此,首先應(yīng)完成上、下邊界的生成。AO 標(biāo)準(zhǔn)正弦公式為:

式中:U為實(shí)時(shí)值;A為幅值;θ為初相角;為角頻率(T為正弦周期);B 為縱坐標(biāo)的偏移量。

該系統(tǒng)中選用250 Ω 采樣電阻,將4～20 mA 轉(zhuǎn)換為1～5 V 電壓信號(hào)。因此,A=2,B=3。正弦周期T只需確定正初相角θ即可確定完整AO 正弦信號(hào),并生成與之同相位的上、下邊界信號(hào)。通過式(2),計(jì)算正弦信號(hào)的初相角θ。

由于正弦信號(hào)為周期函數(shù),一個(gè)周期內(nèi)一般包含兩個(gè)相位,因此需進(jìn)行初相角的選擇。邊界信號(hào)初相角確定流程如圖4 所示。

圖4 邊界信號(hào)初相角確定流程Fig.4 Flowchart of initial phase angle of the boundary signal is determined

首先,通過采集的第一個(gè)采樣值,計(jì)算出一個(gè)周期內(nèi)的兩個(gè)相位θ′和θ″,并同時(shí)生成兩組上、下邊界信號(hào)。然后,通過后續(xù)采樣點(diǎn)進(jìn)一步確認(rèn)哪個(gè)初相角的波形擬合度最高,從而確定實(shí)際邊界信號(hào)。

通過實(shí)際測(cè)試,該方法初相角的確定不受數(shù)據(jù)發(fā)布周期限制,兼容不同系統(tǒng)的不同參數(shù)設(shè)置,正確率達(dá)到100%,可有效避免初相角判斷錯(cuò)誤造成的誤報(bào)。以2019 年12 月16 日為例,上、下邊界信號(hào)如圖5 所示。三條曲線的初相角的信號(hào)差為設(shè)置的跳變精度,信號(hào)超出上、下限的信號(hào)定義為跳變點(diǎn)。

圖5 上、下邊界信號(hào)示意圖Fig.5 Upper and lower boundaries boundary signal

初相位確定后,可根據(jù)設(shè)置的跳變精度,生成上、下邊界正弦信號(hào)。LabVIEW 的信號(hào)跳變邊界測(cè)試如圖6 所示。將輸入信號(hào)和上、下邊界信號(hào)連接至邊界測(cè)試模塊,可自動(dòng)判別是否有跳變,并輸出異常數(shù)據(jù)及異常跳變波形[7]。

圖6 信號(hào)跳變邊界測(cè)試示意圖Fig.6 Signal jump boundary test

2.3 誤差分析

該測(cè)試需考慮多方面的累計(jì)誤差。誤差來源主要有三個(gè)方面:AO 模塊輸出精度、采樣電阻精度、數(shù)據(jù)發(fā)布周期造成的邊界移相。其中,采樣電阻選用精度高、穩(wěn)定性好的電阻,影響很小。重點(diǎn)對(duì)AO 精度內(nèi)跳變和數(shù)據(jù)發(fā)布周期造成的邊界移相誤差進(jìn)行說明。

AO 電流輸出模塊精度通常為1‰,即1 V 到5 V范圍內(nèi)最大跳變電壓Δu=4 mV。依據(jù)斜率公式k=及斜率的含義:Δu相同,斜率越小,Δt越大。精度內(nèi)跳變的相位差如圖7 所示。

圖7 精度內(nèi)跳變的相位差Fig.7 Phase difference of the jump within the precision

由圖7(a)可知:當(dāng)?shù)谝粋€(gè)采樣點(diǎn)在相角為0°(180°)附近時(shí),斜率大,精度內(nèi)跳變導(dǎo)致的邊界移相小;在相角為90°(270°)時(shí),斜率最小,相同跳變導(dǎo)致的邊界移相最大。經(jīng)查,正弦函數(shù)移相約為4°。由圖7(b)可知,在影響最大的點(diǎn)會(huì)造成約2.6%的跳變。

數(shù)據(jù)發(fā)布周期誤差影響如圖8 所示。

圖8 數(shù)據(jù)發(fā)布周期誤差影響示意圖Fig.8 Impact of data release cycle errors

如2.2 節(jié)所述,控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)布周期指階梯正弦信號(hào)的階梯保持時(shí)間。而數(shù)據(jù)第一個(gè)采樣點(diǎn)可能在數(shù)據(jù)保持時(shí)間內(nèi)任意時(shí)刻并以此計(jì)算初相角。以上邊界信號(hào)為例,將發(fā)布周期起始和結(jié)束邊界作為第一個(gè)采樣點(diǎn)生成邊界信號(hào)會(huì)造成下降或上升階段誤報(bào)。

其中,相位偏差與正弦周期T、控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)布周期t1的關(guān)系如下:

式中:θ′為最大相移。

以DCS 系統(tǒng)典型數(shù)據(jù)發(fā)布周期為例,經(jīng)查正弦函數(shù)表,極限誤差計(jì)算表如表1 所示。

表1 極限誤差計(jì)算表Tab.1 Calculation table of limit errors

經(jīng)上述分析,首先該監(jiān)測(cè)軟件的精度受AO 模塊自身精度內(nèi)跳變、數(shù)據(jù)發(fā)布周期、AO 正弦周期等因素的影響。在設(shè)置相關(guān)參數(shù)時(shí),數(shù)據(jù)發(fā)布周期適當(dāng)減小,AO 正弦周期適當(dāng)增大。經(jīng)查正弦表,建議AO 正弦周期為數(shù)據(jù)發(fā)布周期的72 倍以上。此時(shí),最大精度誤差小于5%。當(dāng)信號(hào)跳變存儲(chǔ)后,人為排查異常情況。

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與回放

為更好地追溯異常跳變發(fā)生,本設(shè)計(jì)對(duì)異常數(shù)據(jù)以文本和圖形波形兩種方式存儲(chǔ)[8],極大地滿足了需求。文本存儲(chǔ)包含通道異常數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與各通道異常數(shù)據(jù)兩部分。通道異常數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表2 所示,顯示各跳變通道的跳變點(diǎn)數(shù)。各通道異常數(shù)據(jù)如表3 所示,顯示各通道的跳變時(shí)間和異常數(shù)據(jù)。

表2 通道異常數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.2 Channel abnormal data statistics

表3 各通道異常數(shù)據(jù)Tab.3 Abnormal data of different channels

波形存儲(chǔ)為異常跳變發(fā)生時(shí)的一組10 s 通道畫面,可通過跳變信號(hào)回放畫面查看信號(hào)異常情況。以2019 年12 月15 日為例,跳變信號(hào)回放畫面如圖9所示。

圖9 跳變信號(hào)回放畫面Fig.9 Playback image of jump signal

異常數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可以有效發(fā)現(xiàn)異常信息、確定異常信息所在位置,并記錄詳細(xì)信息,清晰、直觀;可回看異常點(diǎn)前后的數(shù)據(jù),確保采集信息不缺失,保持?jǐn)?shù)據(jù)的連續(xù)性。

3 應(yīng)用前景

AO 正弦信號(hào)跳變監(jiān)控系統(tǒng)挑選更高精度的NI 卡件,8 個(gè)通道的正弦周期單獨(dú)配置,進(jìn)行通道選擇及相關(guān)設(shè)置后,即可進(jìn)行DCS 系統(tǒng)AO 正弦跳變的異常監(jiān)控。

該自動(dòng)測(cè)試方法廣泛用于DCS 系統(tǒng)各項(xiàng)功能、性能測(cè)試中,應(yīng)用場(chǎng)景很多。其優(yōu)點(diǎn)和創(chuàng)新性如下。

①覆蓋率高:通道多,可擴(kuò)展至16 通道甚至更多;可捕捉到手工測(cè)試可能忽略的異常。

②測(cè)試效率高:無人值守運(yùn)行。

③可回溯性強(qiáng):以圖片與文本方式進(jìn)行回溯。

④高精度:對(duì)于快速變化的信號(hào),精度高于5‰。

⑤使用方便,可移植性強(qiáng):當(dāng)更換新的NI 卡件時(shí),只需選擇對(duì)應(yīng)的卡件,無需重新編程。

該自動(dòng)測(cè)試方法將對(duì)DCS 輸出信號(hào)的高精度檢測(cè)產(chǎn)生影響,可有效保證測(cè)試質(zhì)量、產(chǎn)品質(zhì)量。該方法也可應(yīng)用在通用控制系統(tǒng)(general control system,GCS)、分布式采集與控制系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域。該領(lǐng)域數(shù)據(jù)發(fā)布更快,測(cè)試準(zhǔn)確度更高,應(yīng)用更加廣泛。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)利用虛擬儀器的靈活多樣性,通過NI 硬件平臺(tái)結(jié)合LabVIEW 軟件的方式實(shí)現(xiàn)[9]。經(jīng)過DCS 系統(tǒng)測(cè)試表明,應(yīng)用AO 正弦信號(hào)跳變監(jiān)控系統(tǒng)有效改善了現(xiàn)有測(cè)試方法的缺點(diǎn),同時(shí)有效緩解了測(cè)試設(shè)備的緊缺,節(jié)約了測(cè)試人員的投入。對(duì)8 通道進(jìn)行了深入研究,可輕松擴(kuò)展到更多通道,以滿足更大規(guī)模應(yīng)用的需求,在后續(xù)測(cè)試中具有十分重要的意義和使用價(jià)值。除此之外,該成果目前廣泛應(yīng)用于偶現(xiàn)信號(hào)質(zhì)量問題的長(zhǎng)期監(jiān)控。該方法可以逐步實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0 的知識(shí)工作自動(dòng)化[10],同時(shí)為CE 認(rèn)證、船級(jí)社認(rèn)證信號(hào)健壯性要求打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。