基于自动化的能源计量系统数据采集技术研究及实现

任国明

（唐山钢铁集团微尔自动化有限公司,063000）

基于自动化的能源计量系统数据采集技术研究及实现

任国明

（唐山钢铁集团微尔自动化有限公司,063000）

本文对基于计算机技术的能源计量数据采集系统，结合作者的实践经验进行详细的阐述和解析，从系统工作原理和整体结构出发针对采集数据信号硬件电路设计和系统软件给出了设计方案和总体规划。通过在生产中应用该系统发现，无论是在能源数据数据方面还是系统本身的运行方面都极具优势，对于冶金企业能源管控有深远的影响。

能源计量；数据采集；AD转换；数字滤波

0 引言

现有能源计量系统信息采集与处理速度慢，数据采集的精度偏低，无法满足现代冶金企业生产的安全要求。在此介绍基于自动化的能源计量系统以FPGA为核心，实现4种电压范围AD转换，8通道模拟信号转换以及数字滤波。系统结构简单，可靠性强，信号采集与处理速度快，采集精度高，可实现复杂滤波算法，对于复杂恶劣生产环境适应性强，抗干扰能力优，具有良好的使用价值，完全能满足现代冶金企业生产安全的要求。

1 系统主要硬件电路设计

图1即为AD转换电路。信号传输到AD转换器。为满足能源数据采集系统的设计，本系统的AD转化芯片采用的为ADS774芯片，该芯片由美国Burr-Brown（BB）公司设计生产，可以高精度实时采集宽范围的模拟量信号，满足了本次设计中温度、压力、应力和应变多种信号处理的要求。该芯片可实现双极性输入，有4种电压信号输入，-10v~+10v，-5v~+5V,0~10V,0~20V。该芯片能耗低，转换迅速，能耗最大也不超过120MW，时间最长不超过8.5μs。ADS774芯片可独立运行，基本上可连接所有的数字和微处理器系统。转换电路可以通过跳线来完成对于不同电压范围内输入信号的AD转换。

若模拟信号的输入电压UN在0~10V之间，则对应信号输入需在芯片10V模拟信号输入引脚13中输入，若在0~20V，需从20V输入引脚14输入。信号经转换变为无符号二进制码D，与UN转化关系为

图1 AD转换电路

图1（b）电路图中可看出，若UN从芯片10V模拟信号引脚13输入，则P3跳线器引脚1、3短接，4、6短接，且=10V。若从20V引脚14输入，此时引脚3、5短接，4、6短接，=20V。 AD转换最小分辨率的计算为，从不同引脚输入，值就不同，对应的最小分辨率也会随之变化。

若UN的区间为-10V~+10V或-5V~+5V，此时UN为双极性，应分别从引脚13或14输入。此时D与UN转化关系为

最小分辨率计算方法同上，UN若从引脚13输入，则引脚1、3相接，引脚2、4相接，采用上述方法计算得1LSB=2.44mV；若从引脚14输入，则引脚3、5相接，2、4相接，1LSB=4.88mV。

2 系统软件设计

FPGA可以通过电复位来实现模拟开关通道的开关，这通过定时程序实现。冶金企业环境复杂恶劣，为确保信息采集的实时可靠及稳定，系统在设计时在芯片内部设计FIFO寄存器和软件滤波模块。若想随时读取实时采集的数据信息，可通过上位机在寄存器中读取。同时，数据上传时若丢失还可从FLASH存储器中调用，因FPGA将上传数据在其中做了数据备份。

滤波器分类众多，按信号可分为数字滤波器和模拟滤波器。按功能用途还可分为带阻/带通滤波器，高通/低通滤波器。面对特殊的冶金生产环境，本系统设计时采用模拟滤波的同时还采用了数字滤波。采集信号不同，采用的滤波方法也不同。本系统中采用的主要方法为滑动算术平均值滤波方法。另外，修改滤波算法便可实现其他滤波算法。

3 补偿程序设计

在恶劣且快速变化的环境中进行现场作业会严重影响测量结果，所以我们在设计数据采集部分的程序过程中选择的方法为多次连续测量结合平均值算法，以此来讲测量误差降到最低。我们用y=f(x)来表示函数关系，用y=p(x)来表示其近似表达式，如果想要获得精准的实验结果和研究统计数据，那么就需要获取大量的相关数据，即(xi,yi)(i=0,1,L,m)。对近似函数进行求解通常情况我们所采用的方法有差值法和多项式拟合。实验中产生的误差数据一般情况下通过差值法来进行保留，而对于近似函数y=p(x)来说，采用多项式拟合法对最小偏差ri=p(xi)-yi(i=0,1,,,m)进行求解就能够将数据总体的走势反映出来。该系统在采集能源计量数据的过程中，会在光电耦合器的作用下产生非线性的输入信号，进而获取到的数值与实际数值具有一定的偏差。所以这个时候补偿程序发挥了作用，模拟量输入信号在多项式拟合法的作用下保持不偏移，完成软件补偿。下图2显示了详细的软件补偿程序的流程。传感器对未经拟合的数据进行采集，曲线拟合软件将这些数据与模拟量输入信号进行拟合得到每个通道的数据拟合函数。当然，模拟量通道的数据拟合函数会根据具有不同非线性特性的光耦芯片的实际情况而显示出不同的结果。

图2 软件补偿程序流程图

4 结语

基于自动化的能源计量系统以FPGA为核心，实现4种电压范围AD转换，8通道模拟信号转换以及数字滤波。系统结构简单，可靠性强，信号采集与处理速度快，采集精度高，可实现复杂滤波算法，对于冶金企业中复杂恶劣环境适应性强，抗干扰能力优，具有良好的使用价值，完全能满足现代冶金企业生产安全的要求。

[1] 刘永.基于Web能源管理系统中数据采集与处理方法的研究[D]. 哈尔滨工业大学 2013

[2] 孙长顺.包钢能源计量网络系统的设计与应用[D]. 华北电力大学（河北） 2014

[3] 杨洁.基于现场总线的济南卷烟厂能源监测管理系统[D]. 山东大学 2015

[4] 戴钢.钢铁生产企业计量数据采集管理系统的设计与实现[D]. 哈尔滨工程大学 2014

Research and implementation of data collection technology based on automated energy measurement system

Ren Guoming
（Tangshan iron and Steel Group viooo Automation Co. Ltd.063000）

In this paper,the energy measurement data acquisition system based on computer technology, combined with the author's practical experience in detail and analysis,starting from the working principle of the system and the overall structure of the data signal acquisition hardware circuit design and system software design and overall planning. By using this system in production,it is found that both the energy data data and the operation of the system are extremely advantageous,which have a profound influence on the energy management and control of metallurgical enterprises.

energy measurement;data acquisition;AD conversion;digital filter