【論文精選】數(shù)字調(diào)壓站智能控制器自動化測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
原創(chuàng)
狄鵬，等
煤氣與熱力雜志
煤氣與熱力雜志
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GAS-HEAT1978
《煤氣與熱力》始于1978年，創(chuàng)刊于1981年，中國核心期刊，中國土木工程學(xué)會燃?xì)夥謺：Y選燃?xì)夤嵝袠I(yè)最有價值的技術(shù)信息，新聞分類整理、政策標(biāo)準(zhǔn)、熱點(diǎn)討論、投稿查詢、論文檢索、寫作指導(dǎo)、編委風(fēng)采、精品會議……
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作
者：
狄鵬，王濱濱，彭學(xué)枝，周士鈞，戴曉嬌，劉金梁
第一作者單位：上海飛奧燃?xì)庠O(shè)備有限公司
摘自《煤氣與熱力》2021年11月刊
傳統(tǒng)燃?xì)?/span>
調(diào)壓站
配套的控制器功能主要為壓力監(jiān)測和溫度監(jiān)測，經(jīng)過智能化發(fā)展，飛奧數(shù)字式智能調(diào)壓站控制器（以下簡稱智能控制器）結(jié)合數(shù)字式傳感器，實(shí)現(xiàn)了超低功耗的性能要求，同時能完成各種信號檢測判斷，還可根據(jù)閥位的實(shí)時監(jiān)測，通過算法間接計(jì)算出瞬時流量，這些監(jiān)測到的信號及數(shù)據(jù)會根據(jù)設(shè)定周期定時發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)云平臺端。在裝機(jī)前，需對智能控制器及配套監(jiān)測系統(tǒng)功能的穩(wěn)定性及可靠性進(jìn)行全面檢驗(yàn)。
①壓力及溫度實(shí)時監(jiān)測功能。常規(guī)調(diào)壓站配備有主路和備用路調(diào)壓器，因此需配置多路壓力監(jiān)測系統(tǒng)，通過低功耗數(shù)字式壓力傳感器采集管道壓力。調(diào)壓器出口溫度會有一定變化，需要實(shí)時監(jiān)控，通過低功耗數(shù)字式溫度傳感器采集管道溫度。
②調(diào)壓器實(shí)時閥位監(jiān)測功能。需對主路和備用路調(diào)壓器的閥位進(jìn)行監(jiān)測，通過低功耗數(shù)字式位移傳感器采集調(diào)壓器內(nèi)部盤片位置。
③間接流量計(jì)算功能。采用數(shù)字式位移傳感器檢測到的閥位信息，以及數(shù)字式壓力傳感器檢測到的進(jìn)出口壓力，基于上海飛奧自主知識產(chǎn)權(quán)的算法，計(jì)算出當(dāng)前的流量。
④常規(guī)報(bào)警及數(shù)據(jù)上報(bào)功能。報(bào)警功能主要有主路壓差報(bào)警、備用路壓差報(bào)警、主路閥切斷報(bào)警、備用路閥切斷報(bào)警、泄漏報(bào)警以及門禁報(bào)警。智能控制器會實(shí)時監(jiān)控調(diào)壓站的健康狀況，遇緊急狀況會執(zhí)行兩個動作，報(bào)警信息會立即上傳至云平臺端，數(shù)據(jù)管理中心大屏幕會將報(bào)警位置紅色標(biāo)記，并顯示該調(diào)壓站的監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時報(bào)警信息會通過
4G
模塊發(fā)送短信至區(qū)域維護(hù)責(zé)任人，以便責(zé)任人在最短時間內(nèi)做出反應(yīng)，及時對問題進(jìn)行處理。
⑤調(diào)壓控制功能。在用氣高峰時段，希望調(diào)壓器出口壓力有所增大，而在用氣低谷時段壓力可以適當(dāng)降低。智能控制器需要根據(jù)不同的時段預(yù)先設(shè)置壓力值，然后通過開啟或關(guān)閉電磁閥調(diào)節(jié)調(diào)壓器的開啟程度，使出口壓力在設(shè)定范圍內(nèi)。
搭建的測試環(huán)境需要模擬出盡可能多的工況，確保后續(xù)產(chǎn)品安裝到現(xiàn)場能長期可靠運(yùn)行。
智能控制器配套的壓力傳感器為數(shù)字式低功耗傳感器，供電電壓為
DC 2.7
～
3.6 V
，靜態(tài)電流在
2
μ
A
以下，測試精度在
0.3%
以內(nèi)，防爆等級達(dá)到
Ex ia
Ⅱ
C T6
級別。在中低壓調(diào)壓站中，進(jìn)口壓力傳感器量程為
0
～
0.6 MPa
，出口壓力傳感器量程為
0
～
10 kPa
。為了測試傳感器的精度是否在要求范圍內(nèi)，我們選用了
GE6000
系列的智能壓力控制器，提供雙路穩(wěn)定的壓力輸出。根據(jù)傳感器的量程，壓力控制模塊盡量選用與之匹配的量程，這里選用量程為
0
～
1 MPa
和
0
～
20 kPa
的壓力控制模塊，模塊精度控制在
0.02%
以內(nèi)。待測壓力傳感器安裝在定制的測試工裝上，可滿足一拖四路、一拖六路或一拖八路壓力傳感器的測試。
考慮到壓力傳感器的使用工況，需要模擬出不同的溫度環(huán)境，以驗(yàn)證壓力傳感器內(nèi)部的溫度補(bǔ)償是否合格。因此，要配置一臺高低溫試驗(yàn)箱，測試壓力傳感器在
-25
～
65
℃條件下壓力輸出的穩(wěn)定性。常規(guī)測試有兩種：
a.
持續(xù)高溫或低溫測試。高溫測試時，將高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度升至
65
℃，然后放入待測壓力傳感器，接好燃?xì)夤苈罚ㄒ韵潞喎Q氣路）及數(shù)據(jù)線纜，在該溫度下連續(xù)測試
16 h
，記錄測試時段內(nèi)的壓力曲線；同樣在低溫測試時，記錄高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)溫度為
-25
℃時，壓力傳感器持續(xù)測試
16h
的壓力輸出曲線。要求整個測試過程，測試數(shù)據(jù)符合壓力傳感器設(shè)計(jì)精度
0.3%
。
b.
溫度交變試驗(yàn)。按照高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度分別為
-25
、
-10
、
0
、
20
、
40
、
65
、
40
、
20
、
0
、
-10
、
-25
℃的順序?qū)Υ郎y壓力傳感器進(jìn)行測試，每個溫度保持
2 h
，要求各溫度下的數(shù)據(jù)全部符合壓力傳感器設(shè)計(jì)精度
0.3%
。壓力傳感器的數(shù)據(jù)通過
I2C
協(xié)議，按照預(yù)先設(shè)定的
2 s
一次傳輸至智能控制器，智能控制器定時將收到的壓力數(shù)據(jù)通過
4G
模塊上傳至網(wǎng)絡(luò)云平臺，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。
智能控制器配套的溫度傳感器為數(shù)字式低功耗傳感器，供電電壓為
DC 2.7
～
3.6 V
，靜態(tài)電流在
2
μ
A
以下，測試精度在
0.3%
以內(nèi)，防爆等級達(dá)到
Ex ia
Ⅱ
C T6
級別，可滿足
-40
～
100
℃的寬量程測試?？紤]到傳感器允許誤差僅
0.42
℃，高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)部的溫度均勻度無法達(dá)到測試要求，因此采用精密恒溫槽來提供恒定的溫度，溫度波動絕對值可控制在
0.05
℃以內(nèi)。通過簡易的支架，一次可掛載
4
個溫度傳感器同時進(jìn)行測試。數(shù)據(jù)傳輸與壓力傳感器流程相同，按照預(yù)先設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。
②調(diào)壓器實(shí)時閥位監(jiān)測功能測試方案
為模擬實(shí)際閥位狀況，需搭建一個閥位控制氣路，調(diào)壓器進(jìn)行特殊加工，上蓋預(yù)留多個傳感器安裝孔，用于安裝數(shù)字式位移傳感器，被測數(shù)字式位移傳感器可同時安裝，均布在內(nèi)側(cè)圓形盤片上。當(dāng)調(diào)壓器閥芯動作時，帶動數(shù)字式位移傳感器探頭上下運(yùn)動，實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)通過傳感器線纜傳輸至智能控制器。
結(jié)合調(diào)壓器實(shí)時閥位監(jiān)測功能，智能控制器具備流量計(jì)算功能，此功能涉及一套完整的算法，集成在智能控制器的固件內(nèi)。為測試該功能是否達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，需要一個準(zhǔn)確的參考值，此處選用飛奧生產(chǎn)的
TGM-Q
系列流量計(jì)，該型流量計(jì)精度等級達(dá)
1.5
級，具有體積小、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，表體長度與口徑比近
1.5
∶
1
。流量計(jì)的實(shí)測流量通過
485
接口傳輸給智能控制器。智能控制器又根據(jù)接收到的閥口開度等數(shù)據(jù)，計(jì)算出流量（稱為間接流量）。自動化測試平臺讀取智能控制器上的實(shí)測流量和間接流量，計(jì)算間接流量的相對誤差，如果在控制范圍內(nèi)，則判定合格。目前間接流量相對誤差可控制在
8%
以內(nèi)，后續(xù)間接流量算法還會不斷優(yōu)化，提升準(zhǔn)確度，最終實(shí)現(xiàn)相對誤差控制在
5%
以內(nèi)。
④常規(guī)報(bào)警及數(shù)據(jù)上報(bào)功能的測試方案
智能控制器具備
6
種常規(guī)報(bào)警功能?，F(xiàn)場使用時，報(bào)警信號輸出均為開關(guān)量，因此只要用繼電器模擬
6
個開關(guān)量信號傳輸至智能控制器，同時監(jiān)測反饋數(shù)據(jù)即可。如果將某個報(bào)警信號開關(guān)量傳輸至智能控制器，沒有監(jiān)測到相應(yīng)反饋，則判斷該路功能異常。數(shù)據(jù)上報(bào)（上報(bào)內(nèi)容和上報(bào)頻率等）是根據(jù)程序設(shè)定的規(guī)則來執(zhí)行。
智能控制器自動調(diào)壓功能的實(shí)現(xiàn)通過控制調(diào)壓器前方兩個氣包的電磁閥通斷來實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)室只要模擬出
4
個電磁閥的準(zhǔn)確通斷即可，不必搭建過于復(fù)雜的氣路，因?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)部分已通過量產(chǎn)的驗(yàn)證。自動化測試系統(tǒng)會模擬發(fā)送相關(guān)信號，控制電磁閥的動作，通過反饋信號來判斷動作是否已執(zhí)行，從而完成調(diào)壓功能的驗(yàn)證。
4
整體自動化測試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
自動化測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動模擬測試數(shù)據(jù)環(huán)境、自動執(zhí)行測試過程、驗(yàn)證測試結(jié)果、生成測試報(bào)告并自動發(fā)送的功能。采用持續(xù)集成全自動化測試，從檢出代碼、編譯構(gòu)建、運(yùn)行測試、結(jié)果記錄到測試統(tǒng)計(jì)等均為自動完成，全程無需人工干預(yù)，減少重復(fù)過程以節(jié)省時間、費(fèi)用和工作量；解決了手工測試的低效率和高失誤率問題。自動化測試系統(tǒng)連接見圖
1
。在
PC
端使用
Python
語言進(jìn)行自動化測試程序開發(fā)，在程序中通過
RS232
或
485
通信控制各硬件測試設(shè)備的參數(shù)值和連接狀態(tài)，以模擬真實(shí)使用環(huán)境。同時智能控制器通過采集各類傳感器數(shù)據(jù)來顯示當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)及計(jì)算流量數(shù)據(jù)。自動化測試系統(tǒng)可測試不同溫度、壓力、閥位等環(huán)境下智能控制器對當(dāng)前數(shù)據(jù)的計(jì)算、輸出和性能表現(xiàn)。
在
PC
端的測試程序按照測試用例的設(shè)計(jì)，通過
485
或
RS232
通信對恒溫槽溫度、智能壓力控制器輸出壓力以及閥位控制氣路電磁閥狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置與讀?。ㄔO(shè)置與讀取是同步過程，需要讀取以驗(yàn)證設(shè)置的正確性）。智能控制器通過
I2C
通信，獲得溫度傳感器、位移傳感器、壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)作為當(dāng)前溫度、壓力和閥位。
②數(shù)據(jù)計(jì)算與驗(yàn)證
PC
端測試程序應(yīng)用內(nèi)部協(xié)議，通過串口對智能控制器當(dāng)前溫度、壓力、閥位等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。將設(shè)置值和采集值對比，驗(yàn)證智能控制器數(shù)據(jù)采集的正確性。對采集數(shù)據(jù)按行業(yè)計(jì)算公式計(jì)算出瞬時流量值，與智能控制器輸出的瞬時流量值對比，驗(yàn)證智能控制器輸出的正確性。
智能控制器支持系統(tǒng)狀態(tài)和閾值的報(bào)警，自動化測試系統(tǒng)設(shè)置各測試設(shè)備的參數(shù)值達(dá)到閾值，
PC
測試程序讀取智能控制器的系統(tǒng)狀態(tài)和抓取網(wǎng)絡(luò)云平臺端的報(bào)警狀態(tài)，驗(yàn)證是否有閾值報(bào)警。系統(tǒng)的異常狀態(tài)也將通過繼電器開斷模擬信號來測試。
④網(wǎng)絡(luò)云平臺交互與數(shù)據(jù)分析
網(wǎng)絡(luò)云平臺端可以對數(shù)字調(diào)壓站的設(shè)備進(jìn)行有效管理、監(jiān)控、數(shù)據(jù)收集。智能控制器將本地?cái)?shù)據(jù)及狀態(tài)上報(bào)到網(wǎng)絡(luò)云平臺端，云平臺端可以將各類參數(shù)配置下發(fā)給智能控制器。自動化測試系統(tǒng)在規(guī)定時間利用
Seleium
技術(shù)抓取網(wǎng)絡(luò)云平臺端數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析，以驗(yàn)證交互和顯示的正確性。
使用開源
Jenkins
平臺持續(xù)集成優(yōu)化代碼，當(dāng)新固件代碼提交后，自動觸發(fā)客戶機(jī)下載并為智能控制器燒錄新固件代碼，此外，自動觸發(fā)測試程序運(yùn)行，按照測試程序設(shè)計(jì)的測試用例對新固件代碼進(jìn)行驗(yàn)證與測試。測試完成后，自動生成新固件代碼測試報(bào)告，及時發(fā)送給代碼開發(fā)人員及測試人員，同時將測試結(jié)果標(biāo)識給代碼審核服務(wù)器，將新固件代碼歸檔到服務(wù)器。通過代碼持續(xù)集成優(yōu)化，確保自動化測試系統(tǒng)功能不斷完善。
自動化測試系統(tǒng)在被觸發(fā)后，自動執(zhí)行測試過程，生成含有時間、版本、平臺地址、測試人信息、測試內(nèi)容及結(jié)果等信息的
HTML
格式的智能控制器及配套監(jiān)測系統(tǒng)測試報(bào)告，并將測試報(bào)告發(fā)送到指定的郵箱或服務(wù)器。
數(shù)字調(diào)壓站智能控制器自動化測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了測試過程的自動化，提高了測試效率，避免了人為因素造成的測試數(shù)據(jù)偏差，測試記錄及測試報(bào)告由電腦自動生成，全程無紙化操作，促進(jìn)綠色制造的發(fā)展。
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