基于FPGA的高精度变送器在丰满电厂的应用

2018-09-14王秀霞胡小山胡育松郭春民徐小方

水电站机电技术 2018年8期

王秀霞，胡小山，胡育松，宁宇，郭春民，徐小方

（1. 丰满水电站，吉林吉林 132108；2. 中国电器科学研究院有限公司，广东广州 510860）

0 引言

变送器是工业过程重要的基础自动化设备之一。主要完成物理信号的测量和变换处理。直流变送器是一种能将被测直流信号转换成按线性比例输出直流电压或直流电流信号的装置，广泛应用于电力、远程监控、仪器仪表、医疗设备、工业自控等需要隔离测控的行业。

随着高参数、大容量设备的增加和过程工艺的复杂化，对自动化的依赖性越来越大，变送器用量不断增多，要求也不断提高。针对传统模拟式变送器存在精确度不够高、响应速度慢、漂移过大、量程有限、维护和维修费用大等一系列问题，本文设计了一种基于FPGA的高精度直流变送器。该变送器有5个输入量程可供选择，可根据被测信号的测量范围选择相应的量程。外部输入信号调制后，经线性光电隔离芯片实现强弱电间的线性隔离，FPGA通过高速A/D转换芯片对线性光电隔离后的模拟量信号进行高速同步数据采集运算，并把运算结果通过D/A转换芯片转换为0～5 V的电压信号和4～20 mA的电流信号快速输出。响应时间可达20 ms，远低于常规直流变送器。

1 变送器的主要特点及系统组成

本文所设计的基于FPGA的高精度变送器符合GB/T13850-1998、IEC-688标准。

1.1 主要特点

（1）响应速度快

传统模拟式变送器的响应时间一般为300 ms左右，本文所设计的变送器，响应速度可达20 ms，便于上位机对模拟量进行实时测量和监控。

（2）测量范围广

本文所设计的变送器有5个量程可供选择，分别为0～75 mV、0～200 V、0～350 V、0～600 V、0～1 000 V。针对不同的输入电压范围，可选择相应量程。

（3）测量精度高

本文所设计的直流变送器对线性隔离转换后的模拟量采用16位A/D转换芯片进行数据采集，每个采样周期采样512个点。

1.2 系统组成

本文所设计的直流变送器板系统框图如图1如示。

图1 系统框图

外部输入的0～75 mV弱电信号或者强电信号通过光电隔离环节实现信号隔离，把外部易受干扰的模拟量信号转换为可被测量的信号量。外部输入和模拟量同频或整数倍频的同步信号，经调制后输出至FPGA，FPGA通过控制A/D转换芯片，实现对光电隔离后的外部模拟量信号进行同步采样，FPGA对采集到的数据进行移窗算法求平均值后通过D/A转换输出，本设计可输出0～5 V的电压信号和4～20 mA的电流信号。

2 变送器的硬件设计

基于FPGA的直流变送器由线性光电隔离、同步调制、A/D转换、FPGA核心处理单元、D/A转换和电流变送等功能模块组成。

2.1 光电隔离模块

在工业测量和控制系统中，为避免内外部电路因接地点不同带来误差，同时为了保护内部电路免受外部电路的影响，防止外界的各种干扰，必须将测量系统和计算机系统进行电气隔离[1]。对于数字信号的隔离，使用一般的光耦器件隔离就能达到很好的效果。然而一般的光耦具有较大的非线性电流传输特性且受温度变化的影响较大，对于模拟信号的传输其精度和线性度难以满足系统要求。为了能更精确地传送模拟信号，用线性光耦隔离是最好的选择。线性光耦输出信号随输入信号变化而成比例变化，它为模拟信号传输带来了方便。

光电隔离模块实现外部输入模拟量和内部测量信号之间的电气隔离转换功能。在励磁系统中，励磁电压和励磁电流信号直接从发电机的转子取样，容易受到强电磁干扰和尖峰电压的影响，经光电隔离模块转换后转换为可被数据处理单元接受的弱电信号。本文设计的变送器采用HCRN201[2]高线性度光电耦合器实现模拟信号的隔离变换。此线性光耦体积小，价格便宜，隔离电路简单且可以完全消除前后级的相互干扰，具有较强的抗干扰能力。

2.2 同步调制模块

处理单元FPGA通过对同步信号的测量实现对外部输入信号的同步采样。要实现同步采样，需要外部输入信号的频率是同步信号频率的整数倍。同步调制回路如图2所示。在励磁系统中，Utb为外部输入的交流电压信号，可取自同步变压器的副边，经RC回路滤波和放大比较，生成方波同步信号syn接入FPGA。由于励磁系统一般采用三相全控桥整流电路[3,4]作为功率单元，在工频下励磁电压在一个周波内有6个脉动的波形，此时励磁电压的频率为同步频率的6倍。

2.3 A/D转换模块

核心处理单元FPGA通过A/D转换模块对光电隔离转换后的模拟量进行采样，AD芯片与FPGA采用SPI接口。本设计采用6位4通道AD转换芯片AD7682对模拟量进行数据采集。输入电压范围0～5 V，具有采样精度高、吞吐速率大的特点。在本设计中，采样速率可达51.2千次/s。

图2 同步测量回路

2.4 核心处理单元

本文采用FPGA作为控制器的运算、逻辑处理单元，其性能优劣直接关系到变送器的性能。与其他FPGA不同，Microsemi公司的smartfusion2[5]系列采用Flash技术，在单一芯片上集成了FPGA、一个ARM Cortex-M3处理器、先进的安全处理加速器、DSP模块、SRAM、eNVM和业界所需的高性能通信接口，简化了硬件电路的设计。核心处理单元主要实现A/D快速采样、软件滤波算法实现及D/A转换输出等功能。

2.5 D/A转换及电流变送模块

经核心处理单元FPGA处理后的数据通过D/A转换模块输出0～5 V的电压信号，转换速度达100 k点/s。同时经D/A转换输出的电压信号还可以通过电流变送模块转换为4～20 mA的标准信号输出，供DCS采样使用。

3 变送器软件设计

本文采用Microsemi公司的Libero SoC v11.8软件，利用Verilog HDL语言实现同步测量、A/D同步采样、软件滤波算法、D/A转换输出等功能。系统软件结构图如图3所示。

图3 系统软件结构图

外部输入时钟信号经锁相环输出后为各测量及运算环节提供时钟源，同步采样为后续滤波环节提供基础数据。同步采样得到的数据经软件滤波后，通过D/A转换后输出。

传统上一般采用RC电路对模拟信号进行滤波，当RC参数设置过小时纹波不能有效消除，RC参数过大时响应时间太长，不能实时反映输入信号的变化。针对这一现象，本文采用软件滤波的方法对同步采样到的数据进行数据优化处理，即采用单一周期内数据求平均值的方法对输入信号进行滤波，取得了很好的效果。

4 功能测试

4.1 静态测试

基于FPGA的直流变送器通过同步采样实现更快的响应速度和更宽的测量范围。当在A/D的输入端输入方波信号时，经A/D转换芯片的高速采样、软件滤波、D/A输出及电流变送环节，输出波形与输入方波的对应关系如图4所示。其中方波信号幅值为4 V，频率为50 Hz，占空比50%，输出的电流回路并联100 Ω1/4 W的电阻，测得的电压值为1.062 8 V，和理论计算值相符。

图4 A/D输入为方波时的变送器输出波形

当设定外部模拟量输入量程为0～200 V，用继电保护测试仪加入0～200 V的直流电压信号时测得输入电压与输出电流的线性关系如图5所示，输入电压与输出电流具有较好的线性关系。

4.2 动态测试

丰满电厂位于吉林省吉林市，总装机容量为100.25万kW，励磁系统采用中国电器科学研究院/广州擎天实业有限公司的EXC9200励磁系统，本文所设计的变送器应用于丰满电厂，取得了很好的控制效果。由于励磁系统采用三相桥式全控整流电路，所以励磁电压的波形在一个周波内有6个连续的脉动波形，如图6所示。其中整流桥阳极电压为44.3 V，直流侧整流输出电压为54.4 V，可控硅的触发角为10°，直流电流变送输出侧并联330 Ω电阻。从图中可以看出，输出电流波形没有脉动，对输入的励磁电压波形进行了有效的滤波。