【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，綜合考慮各方面因素，對(duì)電量檢測(cè)有影響的干擾因素作必要的技術(shù)處理。 e) 降低系統(tǒng)成本。在能滿足系統(tǒng)任務(wù)要求的情況下，為了獲得較高性能價(jià)格比，應(yīng)盡可能采用簡(jiǎn)單、實(shí)用的方案。同時(shí)盡量選擇性價(jià)比較高、功能強(qiáng)大的元器件，一方面降低成本，另一方面簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，縮小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)可靠性。 監(jiān)控系統(tǒng)功能 電源集中監(jiān)控的實(shí)質(zhì)：一是利用計(jì)算機(jī)工業(yè)控制的技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信電源的智能化，二是利用數(shù)據(jù)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化開(kāi)關(guān)電源 的組網(wǎng)，三是充分考慮到現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)特點(diǎn)，采用相應(yīng)的信號(hào)處理方式，達(dá)到可靠精確的目的。 對(duì)與系統(tǒng)的具體特點(diǎn)來(lái)說(shuō)，主要具有信號(hào)的種類多（電壓、電流、開(kāi)關(guān)量），范圍廣（ l0mV～ 5V），現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣（潮濕、多塵），可靠性要求高等特點(diǎn)。 系統(tǒng)要達(dá)到以下幾點(diǎn)要求： a) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)特點(diǎn)選擇合適的濾波方式； b) 能進(jìn)行零點(diǎn)自校準(zhǔn)； c) 能存儲(chǔ)一定時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)； d) 能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的顯示； e) 能完成雙極性電壓 /電流信號(hào)的輸入； f) 能高效準(zhǔn)確傳輸數(shù)據(jù)。 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化 對(duì)開(kāi)關(guān)電源集中監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控 內(nèi)容的要求，應(yīng)以滿足開(kāi)關(guān)電源及設(shè)備維護(hù)管理的需要為準(zhǔn)則。同時(shí)應(yīng)盡量精簡(jiǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，可要可不要的監(jiān)控內(nèi)容應(yīng)盡可能取消以降低成本，監(jiān)控內(nèi)容應(yīng)以方便、實(shí)用為基本準(zhǔn)則?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)采用的是新型智能開(kāi)關(guān)電源，具有較高的獨(dú)立工作能力，所以當(dāng)前的監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)以監(jiān)測(cè)、管理為主，控制為輔，設(shè)計(jì)既要簡(jiǎn)單可靠，又要滿足需要。 電源監(jiān)控系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能有：一是對(duì)電源及設(shè)備的監(jiān)測(cè)控制；二是對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸、記錄、處理、管理和分析；三是根據(jù)處理現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，選擇適當(dāng)?shù)目刂品桨?，采用開(kāi)關(guān)量和反饋電壓控制現(xiàn)場(chǎng)電源的工作，并且對(duì)緊急狀態(tài)及時(shí)報(bào)警。 在考慮系統(tǒng)總體方案時(shí)，主要進(jìn)行新一代的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) FCS（ Fieldbus Control System）和傳統(tǒng)的分散控制系統(tǒng) DCS（ Distributed Control System）兩種方案鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（ 2021） 7 的比較和分析： 分散控制系統(tǒng) DCS與集散控制系統(tǒng) TDCS是集 4C（ Communication， Computer，Control， CRT）技術(shù)于一身的監(jiān)控技術(shù)。從上到下的樹(shù)狀拓?fù)湎到y(tǒng)，其中通信（ Communication）是關(guān)鍵。 PID在中斷站中，中斷站聯(lián)接計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表與控制裝置。是樹(shù)狀拓?fù)浜筒⑿羞B續(xù)的鏈 路結(jié)構(gòu)，也有大量電纜從中繼站并行到現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表。采用模擬信號(hào)、 A/DD/A、帶微處理器的混合。一臺(tái)儀表一對(duì)線接到 I/O，由控制站掛到局域網(wǎng) LAN。 DCS是控制（工程師站）、操作（操作員站）、現(xiàn)場(chǎng)儀表（現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控站）的 3級(jí)結(jié)構(gòu)。 DCS的缺點(diǎn)是成本高，各公司產(chǎn)品不能互換，不能互操作。 而 FCS的特點(diǎn)是：應(yīng)對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域、易變過(guò)程、難于對(duì)付的非常環(huán)境；全數(shù)字化、智能、多功能的儀器、儀表、控制裝置；用兩根線聯(lián)接分散的現(xiàn)場(chǎng)儀表、控制裝置、PID與控制中心；在總線上 PID與儀器、儀表、控制裝置都是平等的；多變量、多節(jié)點(diǎn)、串 行、數(shù)字通信系統(tǒng)；是互聯(lián)的、雙向的、開(kāi)放的；采用分散的虛擬控制站；由現(xiàn)場(chǎng)電腦操縱，還可掛到上位機(jī)，接同一總線的上一級(jí)計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。 由此可見(jiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線方案具有無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，采用其作為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)符合整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。 監(jiān)控系統(tǒng)采用智能節(jié)點(diǎn)組合式結(jié)構(gòu)，由現(xiàn)場(chǎng)智能節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)兩部分組合而成，系統(tǒng)通過(guò)通信接口可與監(jiān)控中心進(jìn)行通信。遠(yuǎn)端監(jiān)控中心通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與下位機(jī)相連，通過(guò)數(shù)據(jù)通信獲得開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的管地電位、輸出電流、輸入電壓、控制電流等現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，并可對(duì)這些信息進(jìn)行查詢、處理和控制，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能 。同時(shí)系統(tǒng)也可通過(guò)智能節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)本地直接監(jiān)控。 由于開(kāi)關(guān)電源廣泛的分布在埋地管 8線的整個(gè)區(qū)域，要實(shí)現(xiàn)對(duì)它的集中管理和控制，可以借鑒計(jì)算機(jī)分布式控制系統(tǒng)（ DCS）的工作思想，采用層次結(jié)構(gòu)，以一個(gè)主計(jì)算機(jī)和多個(gè)從計(jì)算機(jī)組成通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的功能。監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)以多級(jí)監(jiān)控級(jí)自下而上逐級(jí)匯接的方式構(gòu)成，每個(gè)監(jiān)控級(jí)一般均按照輻射方式與若干下級(jí)監(jiān)控級(jí)連接成一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的監(jiān)控系統(tǒng)，最低一級(jí)監(jiān)控級(jí)（設(shè)備監(jiān)控單元）與其監(jiān)控的若干設(shè)備連接。在絕大部分時(shí)間內(nèi)， DCS系統(tǒng)的從機(jī)并行工作，只有在必要時(shí)才與主機(jī)通信交換數(shù)據(jù)信息。這種 層次結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)具有較高的可靠性，而且控制靈活、速度快。因此整個(gè)系統(tǒng)分為： 監(jiān)控模塊 ——實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)采集、響應(yīng)遠(yuǎn)端控制、監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)電源的工作情況等功能； 監(jiān)控管理中心 ——實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的收集、處理、遙控以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控 節(jié)點(diǎn)報(bào)警的響應(yīng)； 通訊網(wǎng)絡(luò) ——實(shí)現(xiàn)監(jiān)控管理中心和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的可靠傳輸； 本監(jiān)控系統(tǒng)是定位于現(xiàn)場(chǎng)的智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。每公里的埋地管線有 10個(gè)常用的電源模塊， 2個(gè)備用電源模塊，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定的監(jiān)控參數(shù)為：各個(gè)電源模塊的現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)信號(hào)，具體的系統(tǒng)框圖如圖 32所示。在一定長(zhǎng)度的范圍內(nèi)設(shè)置一個(gè)工 作站，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)數(shù)十個(gè)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總和實(shí)時(shí)處理。然后通過(guò)公共網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)基于 CAN 總線開(kāi)關(guān)電源的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 工作站聯(lián)系在一起，設(shè)立管理中心，對(duì)整個(gè)開(kāi)關(guān)工程進(jìn)行集中管理。 采用了以上的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)后，智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)便成為最基礎(chǔ)和最關(guān)鍵的模塊，也是本課題重點(diǎn)的部分。智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)要完成數(shù)據(jù)的采集，與監(jiān)控管理中心的遠(yuǎn)程通信，以及對(duì)電源設(shè)備進(jìn)行控制等功能。 智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)采用自行設(shè)計(jì)的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)傳輸，以及將上位的數(shù)字控制命令轉(zhuǎn)化為現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器可接受的模擬信號(hào)；工作站要完成對(duì)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，響應(yīng)監(jiān)控模塊的異常告警 ，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)和告警信息進(jìn)行相應(yīng)的處理。工作站大致可以分為遠(yuǎn)程通信模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、系統(tǒng)配置模塊、安全模塊等。工作站與多個(gè)智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)相結(jié)合，互相配合，便構(gòu)成了一個(gè)可靠的監(jiān)控系統(tǒng)。 圖 32 系統(tǒng)框圖 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵技術(shù)分析 電流 電壓轉(zhuǎn)換 監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)中有控制電流，屬于電流信號(hào)。由于在模數(shù)轉(zhuǎn)換中，通常的轉(zhuǎn)換器件只能將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，為了取得良好的轉(zhuǎn)換效果和轉(zhuǎn)換精度，必須把現(xiàn)場(chǎng)的電流信號(hào)線性轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。 如圖 33所示，直接將電流信號(hào)通過(guò)純電阻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。從表面看E=RfI i，但成立的條件是變送器為理想的恒流源，并且 RfRi。實(shí)際使用中，為了取得較大轉(zhuǎn)換效率，必須選擇較大的參考電阻 Rf，這樣便產(chǎn)生電流變送器內(nèi)阻引起的測(cè)量誤差。不光如此由于變送器與輸入點(diǎn)并沒(méi)有直接連接，存在兩個(gè)接地點(diǎn)之間的對(duì)地電勢(shì)差，使兩端信號(hào)疊加同方向干擾信號(hào) E0，即在存在由對(duì)地電動(dòng)勢(shì)引起的共模干擾。純電阻網(wǎng)絡(luò)無(wú)法消除共模干擾，進(jìn)一步加大了測(cè)量誤差。因此用純電阻網(wǎng)絡(luò)直接將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的精度無(wú)法得到保證的。 PC 機(jī) 信號(hào)采集系統(tǒng) 1 信號(hào)采集系統(tǒng) n 信號(hào)調(diào)整 n 信號(hào)調(diào)整 1 防腐電源 n 防腐電源 1 參 比 電 位 陰極電流 陰極電壓 參 比 電 位 陰極電流 陰極電壓 參 比 電 位 陰極電流 陰極電壓 參 比 電 位 陰極電流 陰極電壓 信號(hào)調(diào)整 n 信號(hào)調(diào)整 1 防腐電源 n 防腐電源 1 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（ 2021） 9 ERfIiRiEiE0 圖 33 電流轉(zhuǎn)換等效圖 所以采用電流環(huán)技術(shù)，使用美國(guó) RURR—BROWN公司生產(chǎn)的精密電流環(huán)接收器芯片 RCV420，將 0～ 20mA輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成為 0～ 5V輸出信號(hào)，其具有很高的性能價(jià)格比。它包含一個(gè)高級(jí)運(yùn)算放大器、一個(gè)片內(nèi)精密電阻網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)精密 10V電壓基準(zhǔn)。其總轉(zhuǎn)換精度為 %，共模抑制比 CMR達(dá) 86dB，共模輸入范圍達(dá) 177。40V。 RCV420在滿量程時(shí)的電壓下降僅為 ，在環(huán)路中串有其他儀表負(fù)載，或者在對(duì)變送器電壓有嚴(yán)格范圍要求的應(yīng)用場(chǎng)合是非常有用的。 RCV420無(wú)需其它外圍器件輔助，就能實(shí)現(xiàn)諸多功能：增益、偏置和 CMR，并且無(wú)需調(diào)節(jié)，較之由分立器件設(shè)計(jì)的電路， RCV420具有更低的開(kāi)發(fā)成本、制造成本和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)費(fèi)用。 小信號(hào)處理和自動(dòng)增益放大 管地電位是極其微小的電壓信號(hào)，在整個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)中，只有幾mV到十幾 mV，卻是極其重要的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，能否準(zhǔn)確采集決定了整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的精確性。 轉(zhuǎn)換模塊的精確性決定了采集信號(hào)的精確性，以及變送器內(nèi)阻與轉(zhuǎn)換模塊輸入內(nèi)阻的匹配關(guān)系。如圖 34是變送器內(nèi)阻與輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊輸入阻抗的關(guān)系，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換模 塊所測(cè)量的電壓 Esr，并非原電動(dòng)勢(shì) Ei，是 Esr= EiIRi，即： irsr srsr ERR RE ?? （ 31） Es rRs rIRiEi 圖 34 內(nèi)阻等效圖 其中， Ri為變送器內(nèi)阻， Rsr為流量信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊的輸入阻抗。因此若要保證測(cè)基于 CAN 總線開(kāi)關(guān)電源的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 量精度，必須使 RsrRi，才能得到 Esr=Ei。 由于被測(cè)對(duì)象的導(dǎo)電率變化會(huì)引起變送器內(nèi)阻的變化，而變送器內(nèi)阻變化又會(huì)引起測(cè)量 誤差，為使測(cè)量精度不受變送器內(nèi)阻變化的影響，小信號(hào)放大模塊的輸入阻抗必須足夠大，以至于變送器內(nèi)阻變化引起的測(cè)量誤差可以忽略不計(jì)，同時(shí)輸入阻抗提高也可以降低對(duì)被測(cè)對(duì)象的導(dǎo)電率測(cè)量限制范圍。另外，由于變送器產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最小只有幾 mV，理論上傳感器輸出的小信號(hào)可以直接用高性能運(yùn)算放大器進(jìn)行放大，但事實(shí)上傳感器工作環(huán)境往往比較復(fù)雜甚至惡劣，使運(yùn)算放大器差動(dòng)輸入端上的信號(hào)疊加有共模干擾，因此小信號(hào)放大電路必須具有較高的共模抑制比。 在現(xiàn)代電子測(cè)量技術(shù)和處理技術(shù)中，對(duì)信號(hào)的放大都是必不可少的。然而在確定某個(gè)放大器的 增益時(shí)，卻經(jīng)常遇到這樣的矛盾：增益定的較高，對(duì)小信號(hào)的放大有利，而對(duì)于大信號(hào)則可能導(dǎo)致進(jìn)入放大器的非線性區(qū)，造成很大的誤差；若增益定的較低，雖然保證了大信號(hào)處于放大器的線性區(qū)，但對(duì)小信號(hào)的放大量又不夠，不利于后續(xù)電路的處理。此外，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，常常采用 ADC轉(zhuǎn)換器件來(lái)進(jìn)行模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，若既要保證 ADC器件有足夠的動(dòng)態(tài)范圍，又要使其有較高的分辨能力，則需采用高量化位數(shù)的 ADC器件。而普通的高量化位數(shù) ADC器件在轉(zhuǎn)換精度和速度上總是難以兼顧的。若需同時(shí)滿足高速和高精度的測(cè)量，則 ADC的價(jià)格將變得難以承受 。 采集的信號(hào)多種多樣、范圍廣，因此需要采集電路能根據(jù)輸入信號(hào)的大小，實(shí)時(shí)的改變放大倍數(shù)，使待處理的信號(hào)始終處于 A/D芯片的有效量程內(nèi)，所以提出了一種實(shí)時(shí)變?cè)鲆娣糯箅娐纺軌蛴行У慕鉀Q上述問(wèn)題。電路設(shè)計(jì)思想如圖 35所示。 設(shè) Vin為輸入信號(hào)， Vout為輸出信號(hào)，放大器是一個(gè)可編程運(yùn)算放大器，根據(jù)輸入控制信號(hào)的不同，即可形成不同的增益值。信號(hào)幅度比較器是由一組電壓比較器構(gòu)成，其作用是將輸入信號(hào) Vin與一組參考電壓進(jìn)行比較，輸出的一組比較值提供給處理器進(jìn)行編碼，作為可編程放大器的控制信號(hào)。 Vin進(jìn)入信號(hào)幅度比較 器與比較器中的固定參考電壓進(jìn)行比較，比較的結(jié)果以數(shù)字量的形式送到處理器。信號(hào)幅度的不同，將會(huì)使得信號(hào)幅度比較器的輸出數(shù)字量不同，處理器將這些數(shù)字量進(jìn)行編碼后，輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，將可編程運(yùn)算放大器的增益設(shè)置在相應(yīng)的數(shù)值上。若 Vin的幅度發(fā)生變化，則將導(dǎo)致處理器的相應(yīng)控制信號(hào)也發(fā)生變化，從而控制可編程運(yùn)算放大器擴(kuò)大倍數(shù)，以達(dá)到自動(dòng)增益的目的。 可編程放大器 處理器 信號(hào)幅度比較器 比較結(jié)果 控制信號(hào) Vout 圖 35 可變?cè)鲆媸疽鈭D Vin 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（ 2021） 11 4 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)智能化的要求比較高，在各個(gè)監(jiān)控接點(diǎn)都采用微處理器來(lái)進(jìn)行運(yùn) 算處理。單片機(jī)具有體積小，功能強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，環(huán)境要求不高，價(jià)格低廉，可靠性高，靈活性好，功耗低，開(kāi)發(fā)較為容易的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，使用單片機(jī)為核心，圍繞其 I/O口，利用外部功能芯片實(shí)現(xiàn)所要求的數(shù)據(jù)采集，信號(hào)調(diào)理，數(shù)據(jù)通訊的功能。 系統(tǒng)硬件由兩部分組成分別是數(shù)字板和模擬板。數(shù)字板主要完成采樣信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換、計(jì)算（消除噪聲并還原信號(hào)），參數(shù)設(shè)置和通訊；模擬板主要完成來(lái)自開(kāi)關(guān)電源的待測(cè)信號(hào)的濾波、放大、采樣以及放大倍數(shù)的自動(dòng)選擇。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的總體框圖如下圖 41： 圖 41 監(jiān)控系統(tǒng)框圖 監(jiān)控系統(tǒng)直接測(cè)量的是來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的電信號(hào)，系統(tǒng)采集的信號(hào)為現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，包括電壓信號(hào)和電流信號(hào)。開(kāi)關(guān)電源的工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，難免夾雜著干擾信號(hào)，為了抑制被測(cè)信號(hào)中的共模信號(hào)和高頻干擾，增加了包含差模放大部分和濾波部分的前置電路。經(jīng)過(guò)前置處理，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，被測(cè)信號(hào)就成為所需的真實(shí)信號(hào)。放大器將被測(cè)信號(hào)進(jìn)一步放大，使之進(jìn)入 A/D轉(zhuǎn)換正常工作范圍。為拓寬測(cè)量范圍，系統(tǒng)還包括電壓分檔的功能，該功能與可編程放大器配合，由單片機(jī)根據(jù)電壓分檔電路的信號(hào)，控制可編程放大器的放大 倍數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)可變?cè)鲆娣糯?。放大器的輸出信?hào)經(jīng)采樣保持， A/D轉(zhuǎn)換變換為數(shù)字信號(hào)，由單片機(jī)進(jìn)行處