數據監測準確度的思考

【摘 要】 本文通過實際項目的實驗數據對比，分析數據采集過程各個環節對數據監測準確度所產生的影響，提出實際應用中數據監測準確度的研究建議。

【關鍵詞】 準確度 模擬量模件 計量級 控制級

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2015.06.009

1 數據監測的應用簡介

隨著科技進步、生產水平的不斷提高，控制系統越來越多的應用于國民生產的各大行業中，同時連續生產中測量溫度、壓力、流量、物位及分析等重要工藝參數各類儀表性能也得到了很大的提升。控制系統的數據監測的準確度逐漸被人們所關注和討論。在實際的應用中控制系統的使用者更關心的是系統采集數據的有效位數是否與現場對應測量設備的有效位數一致，以及系統采集數據是否與現場對應測量設備的實際讀數一致。因此有必要對具體的項目中數據監測過程進行深入的了解，分析測量過程各環節，從而為提高生產工藝和控制水平提供技術依據。

2 數據監測實驗項目

在實驗中所使用的是西門子PLC控制系統硬件及軟件與現場測量儀表等設備一起構成整套系統。控制系統主要組成包括一套S7-300控制站、兩個ET200M DP從站。控制系統構成如圖1所示。

圖1 PLC控制系統的構成

項目中的被測對象，如溫度、濕度、壓力、物位等，由現場測量儀表將這些被測量轉化成控制系統可以接收的電壓、電流或數字信號。控制系統對上述信號的接收就涉及到了實時數據采集、監測的過程控制組件。簡易的控制系統數據測量流程如圖2所示。

圖2 測量流程

3 實驗項目中發現的問題

實驗中發現高精度雷達液位計（輸出信號為4mA～20mA直流電流信號且支持HART協議通訊）傳輸的數據與控制系統輸送給遠程終端的數據存在差異。測量過程中各環節數據傳輸的具體分析如下：現場測量儀表輸出的數據經過信號線路傳輸到控制系統接收卡件，接收卡件將數據轉換后傳輸給控制系統，控制系統將數據傳給終端設備。通過反復實驗發現，液位計專用手操器獲得的雷達液位計輸出的數據與經過信號線路傳輸到控制系統模擬量輸入卡件前的數據一致，即不計信號干擾及信號線路損失的前提下，可以證明數據差異不是發生在此環節。所以可以推測是其他環節出現的問題，控制系統和終端設備間傳輸數據使用的是數字信號，所以從終端設備上反映出的數據實際上是控制系統提供的，最終出現差異的環節應該是控制系統這一環節。

4 數據監測差異的過程分析對比

測量設備傳輸過來的模擬量信號先由控制系統中數據采集系統的具體模件接收。然后再由模擬量模件將模擬量通過A/D轉換變成數字格式提供給控制系統所使用。實驗中所使用的模擬量模件是西門子訂貨號為6ES7 331-7NF11-0AB0的模擬量模件，可測量直流電壓信號（1V～5V、1V～10V、-10V～10V）和直流電流信號（0mA～20mA、-20mA～20mA、4mA～20mA），具有16位A/D轉換。根據廠家提供的技術資料，此模件的基本誤差極限（運行在25℃時）相對于輸入范圍（輸入范圍是指電壓或電流最大值，如20V或20mA）±0.05%。在這個溫度范圍內運行的誤差極限為±0.1%～±0.7%（相對于電壓輸入范圍）、±0.3%～±0.9%（相對于電流輸入范圍）。基本誤差極限是一定溫度范圍內的運行極限，一般情況下模擬量測量精度要優于此誤差極限。

實驗中的雷達液位計的輸出信號為4mA～20mA直流電流信號，模擬量模件的誤差極限±0.3%～±0.9%。假設把模擬量模件比作是一臺測量儀表，那么按照工業控制領域習慣上稱儀表準確度為儀表精度，儀表準確度等級稱儀表精度等級，來計算這臺測量儀表的儀表精度，計算公式如下：

儀表精度=（絕對誤差的最大值/儀表量程）×100%

由上述公式可以推算出模擬量模件的“儀表精度”為±0.375%～±1.125%，取絕對值并去掉百分號可得到儀表精度等級為0.375～1.125級之間。一般的工業用儀表精度等級為0.5～4級之間。實驗中的高精度雷達液位計提供的技術資料描述其測量精度為<0.1%。通過對測量設備和模擬量模件的測量精度對比可知：實驗中的模擬量模件（這里我們根據其測量性能稱其為“控制級”測量設備）能完全滿足工業控制需要，但是對于高精度的雷達液位計或者其他高性能計量器具（這里我們根據其測量性能稱其為“計量級”測量設備）來說，同處于控制系統測量流程中的“控制級”測量設備（模擬量模件）完全限制了“計量級”測量設備（高精度雷達液位計）的性能發揮。

5 關于數據監測準確度的思考

在實際項目調試及設備選型過程中，由于使用者對測量設備的計量精度及準確度的知識理解和掌握的不夠充分，只重視測量設備精度及準確度和模件轉換位數等指標，而忽視了控制系統中數據采集系統中具體模件接收模擬量這個中間環節。因此在實際項目調試及設備選型過程中，測量設備性能被限制的現象應該引起足夠的重視。實際生產中控制系統的數據監測準確度研究建議如下：

（1）分析測量設備及控制系統各自性能指標；

（2）對比所需控制精度或測量精度需求；

（3）調試系統并查找影響測量精度的環節；

（4）得出結論和整改方案。

作者簡介

李堯，助理工程師，東北大學電力系統及其自動化專業碩士研究生，主要從事大容量計量技術工作。

（責任編輯：張曉明）