【文章內(nèi)容簡介】 ，綜合考慮各方面因素，對電量檢測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格比，應(yīng)盡可能采用簡單、實用的方案。同時盡量選擇性價比較高、功能強大的元器件，一方面降低成本，另一方面簡化系統(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)控的實質(zhì)：一是利用計算機工業(yè)控制的技術(shù)實現(xiàn)通信電源的智能化，二是利用數(shù)據(jù)通信技術(shù)實現(xiàn)智能化開關(guān)電源 的組網(wǎng)，三是充分考慮到現(xiàn)場信號特點，采用相應(yīng)的信號處理方式，達到可靠精確的目的。 對與系統(tǒng)的具體特點來說，主要具有信號的種類多（電壓、電流、開關(guān)量），范圍廣（ l0mV～ 5V），現(xiàn)場環(huán)境惡劣（潮濕、多塵），可靠性要求高等特點。 系統(tǒng)要達到以下幾點要求： a) 根據(jù)現(xiàn)場信號特點選擇合適的濾波方式； b) 能進行零點自校準； c) 能存儲一定時間的現(xiàn)場數(shù)據(jù)； d) 能實現(xiàn)現(xiàn)場信號的顯示； e) 能完成雙極性電壓 /電流信號的輸入； f) 能高效準確傳輸數(shù)據(jù)。 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化 對開關(guān)電源集中監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控 內(nèi)容的要求，應(yīng)以滿足開關(guān)電源及設(shè)備維護管理的需要為準則。同時應(yīng)盡量精簡監(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、實用為基本準則?？紤]到現(xiàn)場采用的是新型智能開關(guān)電源，具有較高的獨立工作能力，所以當(dāng)前的監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)以監(jiān)測、管理為主，控制為輔，設(shè)計既要簡單可靠，又要滿足需要。 電源監(jiān)控系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能有：一是對電源及設(shè)備的監(jiān)測控制；二是對監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸、記錄、處理、管理和分析；三是根據(jù)處理現(xiàn)場數(shù)據(jù)，選擇適當(dāng)?shù)目刂品桨?，采用開關(guān)量和反饋電壓控制現(xiàn)場電源的工作，并且對緊急狀態(tài)及時報警。 在考慮系統(tǒng)總體方案時，主要進行新一代的現(xiàn)場總線控制系統(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)計說明書（ 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)。從上到下的樹狀拓撲系統(tǒng)，其中通信（ Communication）是關(guān)鍵。 PID在中斷站中，中斷站聯(lián)接計算機與現(xiàn)場儀器儀表與控制裝置。是樹狀拓撲和并行連續(xù)的鏈 路結(jié)構(gòu)，也有大量電纜從中繼站并行到現(xiàn)場儀器儀表。采用模擬信號、 A/DD/A、帶微處理器的混合。一臺儀表一對線接到 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)場儀表（現(xiàn)場測控站）的 3級結(jié)構(gòu)。 DCS的缺點是成本高，各公司產(chǎn)品不能互換，不能互操作。 而 FCS的特點是：應(yīng)對危險區(qū)域、易變過程、難于對付的非常環(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、串 行、數(shù)字通信系統(tǒng)；是互聯(lián)的、雙向的、開放的；采用分散的虛擬控制站；由現(xiàn)場電腦操縱，還可掛到上位機，接同一總線的上一級計算機局域網(wǎng)。 由此可見現(xiàn)場總線方案具有無可比擬的優(yōu)點，采用其作為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)符合整個監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計需求。 監(jiān)控系統(tǒng)采用智能節(jié)點組合式結(jié)構(gòu)，由現(xiàn)場智能節(jié)點和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)兩部分組合而成，系統(tǒng)通過通信接口可與監(jiān)控中心進行通信。遠端監(jiān)控中心通過現(xiàn)場總線與下位機相連，通過數(shù)據(jù)通信獲得開關(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)場參數(shù)，并可對這些信息進行查詢、處理和控制，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能 。同時系統(tǒng)也可通過智能節(jié)點實現(xiàn)本地直接監(jiān)控。 由于開關(guān)電源廣泛的分布在埋地管 8線的整個區(qū)域，要實現(xiàn)對它的集中管理和控制，可以借鑒計算機分布式控制系統(tǒng)（ DCS）的工作思想，采用層次結(jié)構(gòu)，以一個主計算機和多個從計算機組成通信網(wǎng)絡(luò)來完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的功能。監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)以多級監(jiān)控級自下而上逐級匯接的方式構(gòu)成，每個監(jiān)控級一般均按照輻射方式與若干下級監(jiān)控級連接成一點對多點的監(jiān)控系統(tǒng)，最低一級監(jiān)控級（設(shè)備監(jiān)控單元）與其監(jiān)控的若干設(shè)備連接。在絕大部分時間內(nèi)， DCS系統(tǒng)的從機并行工作，只有在必要時才與主機通信交換數(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。因此整個系統(tǒng)分為： 監(jiān)控模塊 ——實現(xiàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場采集、響應(yīng)遠端控制、監(jiān)測開關(guān)電源的工作情況等功能； 監(jiān)控管理中心 ——實現(xiàn)對各個節(jié)點數(shù)據(jù)的收集、處理、遙控以及對現(xiàn)場監(jiān)控 節(jié)點報警的響應(yīng)； 通訊網(wǎng)絡(luò) ——實現(xiàn)監(jiān)控管理中心和現(xiàn)場監(jiān)控節(jié)點之間數(shù)據(jù)的可靠傳輸； 本監(jiān)控系統(tǒng)是定位于現(xiàn)場的智能監(jiān)控節(jié)點。每公里的埋地管線有 10個常用的電源模塊， 2個備用電源模塊，對監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定的監(jiān)控參數(shù)為：各個電源模塊的現(xiàn)場狀態(tài)信號，具體的系統(tǒng)框圖如圖 32所示。在一定長度的范圍內(nèi)設(shè)置一個工 作站，通過現(xiàn)場總線對數(shù)十個現(xiàn)場節(jié)點進行數(shù)據(jù)匯總和實時處理。然后通過公共網(wǎng)絡(luò)將各個基于 CAN 總線開關(guān)電源的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 8 工作站聯(lián)系在一起，設(shè)立管理中心，對整個開關(guān)工程進行集中管理。 采用了以上的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)后，智能監(jiān)控節(jié)點便成為最基礎(chǔ)和最關(guān)鍵的模塊，也是本課題重點的部分。智能監(jiān)控節(jié)點要完成數(shù)據(jù)的采集，與監(jiān)控管理中心的遠程通信，以及對電源設(shè)備進行控制等功能。 智能監(jiān)控節(jié)點采用自行設(shè)計的單片機應(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)場執(zhí)行器可接受的模擬信號；工作站要完成對監(jiān)控節(jié)點的數(shù)據(jù)采集，響應(yīng)監(jiān)控模塊的異常告警 ，并對采集的數(shù)據(jù)和告警信息進行相應(yīng)的處理。工作站大致可以分為遠程通信模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、系統(tǒng)配置模塊、安全模塊等。工作站與多個智能監(jiān)控節(jié)點相結(jié)合，互相配合，便構(gòu)成了一個可靠的監(jiān)控系統(tǒng)。 圖 32 系統(tǒng)框圖 監(jiān)控節(jié)點的關(guān)鍵技術(shù)分析 電流 電壓轉(zhuǎn)換 監(jiān)測的現(xiàn)場數(shù)據(jù)中有控制電流，屬于電流信號。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轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，為了取得良好的轉(zhuǎn)換效果和轉(zhuǎn)換精度，必須把現(xiàn)場的電流信號線性轉(zhuǎn)換成電壓信號。 如圖 33所示，直接將電流信號通過純電阻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成電壓信號。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)阻引起的測量誤差。不光如此由于變送器與輸入點并沒有直接連接，存在兩個接地點之間的對地電勢差，使兩端信號疊加同方向干擾信號 E0，即在存在由對地電動勢引起的共模干擾。純電阻網(wǎng)絡(luò)無法消除共模干擾，進一步加大了測量誤差。因此用純電阻網(wǎng)絡(luò)直接將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號的精度無法得到保證的。 PC 機 信號采集系統(tǒng) 1 信號采集系統(tǒng) n 信號調(diào)整 n 信號調(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 信號調(diào)整 n 信號調(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)計說明書（ 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 RURR—BROWN公司生產(chǎn)的精密電流環(huán)接收器芯片 RCV420，將 0～ 20mA輸入信號轉(zhuǎn)換成為 0～ 5V輸出信號，其具有很高的性能價格比。它包含一個高級運算放大器、一個片內(nèi)精密電阻網(wǎng)絡(luò)和一個精密 10V電壓基準。其總轉(zhuǎn)換精度為 %，共模抑制比 CMR達 86dB，共模輸入范圍達 177。40V。 RCV420在滿量程時的電壓下降僅為 ，在環(huán)路中串有其他儀表負載，或者在對變送器電壓有嚴格范圍要求的應(yīng)用場合是非常有用的。 RCV420無需其它外圍器件輔助，就能實現(xiàn)諸多功能：增益、偏置和 CMR，并且無需調(diào)節(jié)，較之由分立器件設(shè)計的電路， RCV420具有更低的開發(fā)成本、制造成本和現(xiàn)場維護費用。 小信號處理和自動增益放大 管地電位是極其微小的電壓信號，在整個監(jiān)控節(jié)點采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)中，只有幾mV到十幾 mV，卻是極其重要的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，能否準確采集決定了整個監(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)阻與輸入信號轉(zhuǎn)換模塊輸入阻抗的關(guān)系，現(xiàn)場信號轉(zhuǎn)換模 塊所測量的電壓 Esr，并非原電動勢 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為流量信號轉(zhuǎn)換模塊的輸入阻抗。因此若要保證測基于 CAN 總線開關(guān)電源的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 10 量精度，必須使 RsrRi，才能得到 Esr=Ei。 由于被測對象的導(dǎo)電率變化會引起變送器內(nèi)阻的變化，而變送器內(nèi)阻變化又會引起測量 誤差，為使測量精度不受變送器內(nèi)阻變化的影響，小信號放大模塊的輸入阻抗必須足夠大，以至于變送器內(nèi)阻變化引起的測量誤差可以忽略不計，同時輸入阻抗提高也可以降低對被測對象的導(dǎo)電率測量限制范圍。另外，由于變送器產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最小只有幾 mV，理論上傳感器輸出的小信號可以直接用高性能運算放大器進行放大，但事實上傳感器工作環(huán)境往往比較復(fù)雜甚至惡劣，使運算放大器差動輸入端上的信號疊加有共模干擾，因此小信號放大電路必須具有較高的共模抑制比。 在現(xiàn)代電子測量技術(shù)和處理技術(shù)中，對信號的放大都是必不可少的。然而在確定某個放大器的 增益時，卻經(jīng)常遇到這樣的矛盾：增益定的較高，對小信號的放大有利，而對于大信號則可能導(dǎo)致進入放大器的非線性區(qū)，造成很大的誤差；若增益定的較低，雖然保證了大信號處于放大器的線性區(qū)，但對小信號的放大量又不夠，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)換器件來進行模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，若既要保證 ADC器件有足夠的動態(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。若需同時滿足高速和高精度的測量，則 ADC的價格將變得難以承受 。 采集的信號多種多樣、范圍廣，因此需要采集電路能根據(jù)輸入信號的大小，實時的改變放大倍數(shù)，使待處理的信號始終處于 A/D芯片的有效量程內(nèi)，所以提出了一種實時變增益放大電路能夠有效的解決上述問題。電路設(shè)計思想如圖 35所示。 設(shè) Vin為輸入信號， Vout為輸出信號，放大器是一個可編程運算放大器，根據(jù)輸入控制信號的不同，即可形成不同的增益值。信號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 Vin與一組參考電壓進行比較，輸出的一組比較值提供給處理器進行編碼，作為可編程放大器的控制信號。 Vin進入信號幅度比較 器與比較器中的固定參考電壓進行比較，比較的結(jié)果以數(shù)字量的形式送到處理器。信號幅度的不同，將會使得信號幅度比較器的輸出數(shù)字量不同，處理器將這些數(shù)字量進行編碼后，輸出相應(yīng)的控制信號，將可編程運算放大器的增益設(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)控制信號也發(fā)生變化，從而控制可編程運算放大器擴大倍數(shù)，以達到自動增益的目的。 可編程放大器 處理器 信號幅度比較器 比較結(jié)果 控制信號 Vout 圖 35 可變增益示意圖 Vin 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（ 2021） 11 4 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計 系統(tǒng)智能化的要求比較高，在各個監(jiān)控接點都采用微處理器來進行運 算處理。單片機具有體積小，功能強，抗干擾能力強，環(huán)境要求不高，價格低廉，可靠性高，靈活性好，功耗低，開發(fā)較為容易的優(yōu)點。根據(jù)設(shè)計要求，使用單片機為核心，圍繞其 I/O口，利用外部功能芯片實現(xiàn)所要求的數(shù)據(jù)采集，信號調(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的模數(shù)轉(zhuǎn)換、計算（消除噪聲并還原信號），參數(shù)設(shè)置和通訊；模擬板主要完成來自開關(guān)電源的待測信號的濾波、放大、采樣以及放大倍數(shù)的自動選擇。監(jiān)控節(jié)點的總體框圖如下圖 41： 圖 41 監(jiān)控系統(tǒng)框圖 監(jiān)控系統(tǒng)直接測量的是來自現(xiàn)場的電信號，系統(tǒng)采集的信號為現(xiàn)場信號，包括電壓信號和電流信號。開關(guān)電源的工作現(xiàn)場環(huán)境惡劣，難免夾雜著干擾信號，為了抑制被測信號中的共模信號和高頻干擾，增加了包含差模放大部分和濾波部分的前置電路。經(jīng)過前置處理，將電流信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓信號，被測信號就成為所需的真實信號。放大器將被測信號進一步放大，使之進入 A/D轉(zhuǎn)換正常工作范圍。為拓寬測量范圍，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，由單片機根據(jù)電壓分檔電路的信號，控制可編程放大器的放大 倍數(shù)，從而實現(xiàn)可變增益放大。放大器的輸出信號經(jīng)采樣保持， A/D轉(zhuǎn)換變換為數(shù)字信號，由單片機進行處