基于5G 网络的压力变送器高精度测试平台设计*

安 静

(广东松山职业技术学院，广东 韶关 512126)

0 引 言

2019 年全球压力变送器市场规模达36 亿美元，近几年该市场的复合增长率约为5%。 而我国高精度压力变送器产业发展缓慢，导致国内高精度压力传感器和压力变送器高度依赖进口[1]。 据中国仪器仪表行业协会统计，2017 年1 ～12 月我国压力/差压变送器出口约6 024.64 万台，出口金额为2.71 亿美元，进口数量约为1195.19 万台，金额为2.22 亿美元，进口平均单价约是出口的4 倍，高精度、高稳定性的压力变送器仍是行业亟待解决的问题[2]。

压力变送器作为设施的前端测量部件，其稳定性、可靠性、精确度等性能直接影响着相关设施是否可靠。 而且产品性能不仅取决于产品设计，更需要相关配套的高精密测试设备承担老化测试、校准等任务[3]。 目前国内的变送器生产企业基本上采用的是传统的活塞式压力标准器，通过人工手动测试，其压力值由工作状态下标准砝码产生的重力除以活塞有效面积并进行浮力等因素修正得到，可实现最高准确度0.002 级，存在工作效率低和压力输出非连续性的限制，已无法适应压力变送器设备的检定要求，无法严格按照检定规程的要求，对其进行准确、可靠的测试和校准[4]。 尤其在高精度压力变送器产品中无法满足测试需求。

笔者通过对一体化测试平台的3 个重要部分(高精度的压力源的产生，5G 网络信息传输，云数据库信息共享)的研究分析，开发了一种轻巧简便的一体化测试平台。 该平台既可以对产品进行前期校准，也可以对产品进行老化试验以及动态性能验证[5]，最后对产品进行再次校准，精准控制产生测试需要的高精度压力源，并且实时记录反馈数据，相关企业可以把测试数据作为依据，进行科学、有针对性地产品改善与验证，达到实现产品品质的提升的目的。

1 测试平台系统设计

测试平台系统以PAC 控制系统为核心，采用Linux Real-Time 处理器＋可编程FPGA 架构，配合模块化的I/O，实现高精密、高速控制，工业计算机通过5G 通信模块实现与PAC 系统的数据交互，终端设备包含伺服泵组、电磁阀、安全保护器件、参考压力变送器、被测压力变送器等。 PAC 系统通过伺服驱动器实现伺服泵组的压力控制，通过I/O 接口实现对电磁阀的控制和对安全保护器件信号的获取。 被测压力变送器信号和参考压力变送器信号通过信号隔离器变送至模拟量输入模块。 测试平台系统结构图如图1 所示。

图1 测试平台系统结构图

测试平台基于labview 的上位机进行软件开发，实现数据读取、显示、存储以及流程的调度与控制，它是设备与用户人机对话的窗口。 测试平台软件结构图如图2 所示，采用“生产者和消费者”框架，实现软件对于用户的响应与处理，在用户输入指令后，通过全局变量数据总线实现“控制程序”、“报表程序”、“系统配置”。 另外通过“全局变量”实现手动模式/自动模式下的测试命令下传，通过“通讯程序”实现与PAC 的数据交互[6]。 控制程序中，由操作者录入参数，通过“控制选择”程序实现不同的测试需要，后通过“控制执行调度”与“控制执行”程序实现控制，通过数据“采集程序”、“记录程序”、以及测试结果判定程序实现完整的测试过程。

图2 测试平台软件结构图

测试平台采用伺服泵组，通过伺服电动机与高压电磁阀实现高精密压力的控制和动态模拟，并且使用控制算法实现高精度压力源的产生以及模拟各种用户所需的测试波形，如三角波、正弦波、方波以及模拟现场工况的波形[7]。 为实现高精度压力源的产生，需要对传统的泵、阀件进行改良，并且对控制系统进行数学建模分析，优化控制算法，最终实现高速的动态响应和高精度压力控制。 高精度的压力源不仅满足常规静态压力的测试需要，更可进行动态的测试过程模拟，模拟使用工况，可快速验证设计的产品性能与品质。

在实际应用中，在被测对象接入后，测试平台管道内可能存在没有排出的气体，而由于气体的可压缩性、阀的非线性、管路特性以及负载容腔内压力变化的不均匀性等因素的影响，可能对测试平台的压力控制系统实现高精度控制产生一定的影响，所以需要尽量减少测试平台管道内的气体，从而减少管道内气体对高精度压力控制产生影响。

测试平台采用24 bit， 100kS/s/ch 的数据采集器，并通过滤波等硬件措施和算法开发高精度的压力数据采集，并且通过5G 通信网络实时连接到物联网云平台服务器的数据库中，数据进行实时更新，精准的测试过程数据可为压力变送器产品分析和产品升级提供数据基础。 数据采集器具有实时信息数据采集、自动存储、自动处理、自动传输等功能，可以为现场数据的真实性、有效性、实时性、可用性提供保证[8]。

数据采集器具有高采样速率，可快速记录下测试过程中的压力与数据变化全过程，发现常规人工无法发现的异常信息，从而改变目前行业内采用“人工校验”作为“自动校验”和“自动判定”的落后方式，并能减少人工操作，减少人工出错的可能。 测试平台通过计算机存储与图形化显示，将被测对象与标准参考对象的过程压力曲线进行直观显示，可以快速实现数据的对比和分析。

2 5G 网络进行信息传输

5G 通信网络的峰值传输速率为20Gbps 以上，任何地方都具备1Gbps 以上传输速率。 在测试平台设备、PAC 控制器、工业计算机、云平台服务器等设备上安装5G 通信模块，将这些设备接入5G 通信网络中，通过5G 通信网络高速信息传输通道，实现PAC控制器与工业计算机之间的实时数据交互，将数据传送到物联网云平台服务器中，实现测试过程与测试结果的多地研发团队之间数据和经验分享[9]。 测试平台5G 网络传输架构图如图3 所示。

图3 测试平台5G 网络传输架构图

测试平台同时对多个压力变送器的各项特性参数进行数据采集，5G 通信网络传输通道具有1Gbps以上传输速率，将满足大量数据信息传输需求。 5G网络端到端的传输时延为5 ms，空口时延减少到1 ms，可以实现PAC 控制器、工业计算机等不同设备之间实时进行各种信息的交互，保证通信的实时性和有效性[10]。 5G 网络可以实现海量设备接入5G 网络中，最大可以达到120 亿个终端接入5G 网络的能力，可以满足大量的压力变送器性能参数测试相关设备接入5G 网络中，从而满足5G 网络对压力变送器性能参数测试数据信息传输需求[11]。

目前国内工业控制系统中一般采用工业交换机，采用NI Shared variable 协议实现可编程自动化控制器、工业计算机等设备之间的数据交互。 工业交换机采用有线接入网的方式，设备不具有移动性，而且工业交换机的价格也特别昂贵。 文中采用5G 通信模块替代工业交换机，降低了企业成本，各种工业控制系统设备也具有灵活的移动性，同时也满足高速率，低时延的数据交互需要[12]。

3 云数据库实现信息共享

云数据库是被优化或部署在一个虚拟计算环境中的数据库，它可以进行实例创建、数据备份、Binlog备份、监控与消息通知等[13]。 测试平台所有测试过程的数据将存储于云数据库中。 云数据库采用关系型数据库，它可以提供WEB 界面进行配置、操作数据库实例，并且具有可靠的数据备份和恢复、完备的安全管理、完善的监控、轻松扩展等功能[14]。 与企业自建数据库相比较，云数据库具有更经济、更专业、更高效、更可靠等特点，从而更好地实现测试数据信息共享。

采用云数据库进行测试数据存储和信息共享具有的优点包括:①在压力变送器全生命周期管理中，在云数据库中调取产品出厂前测试数据和投放市场后产品使用时的测试数据，并进行对比分析，为以后持续改进提供数据支持；②通过云数据库实现测试过程的远程监控，并可通过远程调节运行设定参数，实现快速验证设想[15]；③通过云数据库实现技术数据的多地合作团队之间的信息分享，可以减少团队沟通成本、分享团队知识和经验、推动开发流程闭环。

4 实验测试

压力变送器高精度测试曲线如图4 所示，波形选择为方波，根据设定曲线和输出压力曲线对比分析得出结论，基于5G 网络的压力变送器一体化检测平台可以实现稳定、高精度的压力变送器动态测试。

图4 压力变送器高精度测试曲线图

5 结 语

文中介绍了一款一体化测试平台，该平台使用高精度压力源的产生，5G 网络高速信息传输，云数据库信息共享等方法，对压力变送器进行全自动测试与检定，将压力变送器控制精度提高到0.002 级，满足行业对高精度压力变送器测试指标要求，解决了高精度，高稳定性压力变送器存在的问题，推动我国高精度压力变送器产业发展。