基于正弦信號的AO 跳變自動測試方法研究與應用

劉曉娟,李春雅,劉斯淇,張立然

(浙江中控技術股份有限公司,浙江 杭州 310053)

0 引言

工業自動化控制系統在各個行業生產過程中有著廣泛的應用[1]。其中,模擬量輸出(analog output,AO)電流輸出模塊在控制執行機構方面起著不可或缺的作用。其是否按預期輸出關系到現場裝置的安全性。在分布式控制系統(distributed control system,DCS)進行系統測試時監控AO 信號輸出,可以有效驗證AO 輸出信號的穩定性。

目前,常用的測試方法包括模塊自帶回檢、電流檢測儀器、模擬量輸入(analog input,AI)模塊輔助測試以及將其轉換成電壓信號通過示波器監測這四種方法。模塊自帶回檢受限于自身檢測分辨率與本身模塊的可靠性,即同時作為被測模塊和測量模塊,不能保證測試結果的正確性。電流檢測儀器只能觀測某點數據,不適合長期信號監測。AO 輸出至AI 模塊進行輸入監測,由于監控軟件刷新時間間隔較長,不能檢測短時間的信號跳變。AO 正弦信號轉換電壓并通過示波器監測是目前較常用的AO 動態信號可信性測試方法。該方法實時性強、直觀,但異常跳變信號無法存儲,且需人為監測,效率低、易出現人因差錯。

針對上述AO 動態信號測試方法的缺點,設計了一套以AO 正弦波形輸出為例的多通道AO 正弦信號跳變監控系統。該系統基于NI 的PCI-6224 卡件,結合LabVIEW 軟件開發[2]。

1 系統架構設計

完整的測試系統應包含被測信號源、數據采集系統、信號處理與結果輸出三個方面。

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

數據采集系統采用NI 數據采集卡的AI 部分,結合LabVIEW 數據采集DAQmx 函數實現[3]。

信號處理與結果輸出主要在進行相關參數設置后,實現多通道AO 信號的實時監控、異常數據處理、異常跳變回放等功能,并顯示采集狀態、測量起始時間及各個通道測試結果,以便操作者使用。

AO 正弦信號跳變監控系統架構如圖1 所示[4]。

圖1 AO 正弦信號跳變監控系統架構圖Fig.1 Architecture diagram of AO sinusoidd signal jump monitoring system

2 功能實現

本文對多通道AO 正弦信號跳變識別系統進行了研究,并從四個方面對AO 正弦信號跳變監控系統進行介紹,分別為數據采集、算法設計與實現、誤差分析以及數據存儲與回放功能。軟件實現流程如圖2 所示。首先,信號進入多通道數據采集模塊進行通道切換;其次,通過算法確定初相角,進而生成各通道邊界信號;最后,對采集信號與邊界信號進行對比判定,并存儲異常數據。

圖2 軟件實現流程圖Fig.2 Software implementation flowchart

2.1 數據采集

數據采集功能由NI 數據采集卡和NI-DAQmx 完成。外部信號進入數據采集卡后,經處理轉換,先進入數據采集卡自身緩沖區內,進而上傳到計算機內存。

數據采集與處理使用兩個并行循環作為獨立線程,互不干擾以免漏采數據。數據采集過程首先進行通道選擇,并設置采樣速率和通道采樣數等參數。設置完成后,將讀取到的數據存入隊列,待后續從隊列中獲取各個通道的數據[5-6]。

2.2 算法設計和實現

在該監測系統中,采集到的信號為階梯信號。AO階梯正弦信號如圖3 所示。AO 階梯正弦信號包含如下參數:①正弦周期T;②數據發布周期t1;③AO 輸出電流4～20 mA 對應的采樣電壓等信息。階梯正弦信號光滑程度取決于數據發布周期t1。本設計采樣自動檢測技術,需將階梯信號作為如圖3 所示的光滑AO正弦信號進行運算。

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

對AO 輸出的正弦波形數據進行邊界限制,并將輸入信號與上、下限進行比較,超出該限定即認為發生跳變。因此,首先應完成上、下邊界的生成。AO 標準正弦公式為:

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

該系統中選用250 Ω 采樣電阻,將4～20 mA 轉換為1～5 V 電壓信號。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,并生成與之同相位的上、下邊界信號。通過式(2),計算正弦信號的初相角θ。

由于正弦信號為周期函數,一個周期內一般包含兩個相位,因此需進行初相角的選擇。邊界信號初相角確定流程如圖4 所示。

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

首先,通過采集的第一個采樣值,計算出一個周期內的兩個相位θ′和θ″,并同時生成兩組上、下邊界信號。然后,通過后續采樣點進一步確認哪個初相角的波形擬合度最高,從而確定實際邊界信號。

通過實際測試,該方法初相角的確定不受數據發布周期限制,兼容不同系統的不同參數設置,正確率達到100%,可有效避免初相角判斷錯誤造成的誤報。以2019 年12 月16 日為例,上、下邊界信號如圖5 所示。三條曲線的初相角的信號差為設置的跳變精度,信號超出上、下限的信號定義為跳變點。

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

初相位確定后,可根據設置的跳變精度,生成上、下邊界正弦信號。LabVIEW 的信號跳變邊界測試如圖6 所示。將輸入信號和上、下邊界信號連接至邊界測試模塊,可自動判別是否有跳變,并輸出異常數據及異常跳變波形[7]。

圖6 信號跳變邊界測試示意圖Fig.6 Signal jump boundary test

2.3 誤差分析

該測試需考慮多方面的累計誤差。誤差來源主要有三個方面:AO 模塊輸出精度、采樣電阻精度、數據發布周期造成的邊界移相。其中,采樣電阻選用精度高、穩定性好的電阻,影響很小。重點對AO 精度內跳變和數據發布周期造成的邊界移相誤差進行說明。

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

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

由圖7(a)可知:當第一個采樣點在相角為0°(180°)附近時,斜率大,精度內跳變導致的邊界移相小;在相角為90°(270°)時,斜率最小,相同跳變導致的邊界移相最大。經查,正弦函數移相約為4°。由圖7(b)可知,在影響最大的點會造成約2.6%的跳變。

數據發布周期誤差影響如圖8 所示。

圖8 數據發布周期誤差影響示意圖Fig.8 Impact of data release cycle errors

如2.2 節所述,控制系統數據發布周期指階梯正弦信號的階梯保持時間。而數據第一個采樣點可能在數據保持時間內任意時刻并以此計算初相角。以上邊界信號為例,將發布周期起始和結束邊界作為第一個采樣點生成邊界信號會造成下降或上升階段誤報。

其中,相位偏差與正弦周期T、控制系統數據發布周期t1的關系如下:

式中:θ′為最大相移。

以DCS 系統典型數據發布周期為例,經查正弦函數表,極限誤差計算表如表1 所示。

表1 極限誤差計算表Tab.1 Calculation table of limit errors

經上述分析,首先該監測軟件的精度受AO 模塊自身精度內跳變、數據發布周期、AO 正弦周期等因素的影響。在設置相關參數時,數據發布周期適當減小,AO 正弦周期適當增大。經查正弦表,建議AO 正弦周期為數據發布周期的72 倍以上。此時,最大精度誤差小于5%。當信號跳變存儲后,人為排查異常情況。

2.4 數據存儲與回放

為更好地追溯異常跳變發生,本設計對異常數據以文本和圖形波形兩種方式存儲[8],極大地滿足了需求。文本存儲包含通道異常數據統計與各通道異常數據兩部分。通道異常數據統計如表2 所示,顯示各跳變通道的跳變點數。各通道異常數據如表3 所示,顯示各通道的跳變時間和異常數據。

表2 通道異常數據統計Tab.2 Channel abnormal data statistics

表3 各通道異常數據Tab.3 Abnormal data of different channels

波形存儲為異常跳變發生時的一組10 s 通道畫面,可通過跳變信號回放畫面查看信號異常情況。以2019 年12 月15 日為例,跳變信號回放畫面如圖9所示。

圖9 跳變信號回放畫面Fig.9 Playback image of jump signal

異常數據存儲可以有效發現異常信息、確定異常信息所在位置,并記錄詳細信息,清晰、直觀;可回看異常點前后的數據,確保采集信息不缺失,保持數據的連續性。

3 應用前景

AO 正弦信號跳變監控系統挑選更高精度的NI 卡件,8 個通道的正弦周期單獨配置,進行通道選擇及相關設置后,即可進行DCS 系統AO 正弦跳變的異常監控。

該自動測試方法廣泛用于DCS 系統各項功能、性能測試中,應用場景很多。其優點和創新性如下。

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

②測試效率高:無人值守運行。

③可回溯性強:以圖片與文本方式進行回溯。

④高精度:對于快速變化的信號,精度高于5‰。

⑤使用方便,可移植性強:當更換新的NI 卡件時,只需選擇對應的卡件,無需重新編程。

該自動測試方法將對DCS 輸出信號的高精度檢測產生影響,可有效保證測試質量、產品質量。該方法也可應用在通用控制系統(general control system,GCS)、分布式采集與控制系統相關領域。該領域數據發布更快,測試準確度更高,應用更加廣泛。

4 結論

本文設計的監控系統利用虛擬儀器的靈活多樣性,通過NI 硬件平臺結合LabVIEW 軟件的方式實現[9]。經過DCS 系統測試表明,應用AO 正弦信號跳變監控系統有效改善了現有測試方法的缺點,同時有效緩解了測試設備的緊缺,節約了測試人員的投入。對8 通道進行了深入研究,可輕松擴展到更多通道,以滿足更大規模應用的需求,在后續測試中具有十分重要的意義和使用價值。除此之外,該成果目前廣泛應用于偶現信號質量問題的長期監控。該方法可以逐步實現工業4.0 的知識工作自動化[10],同時為CE 認證、船級社認證信號健壯性要求打下堅實的基礎。