基于5G 網(wǎng)絡(luò)的壓力變送器高精度測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)*

安 靜

(廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512126)

0 引 言

2019 年全球壓力變送器市場(chǎng)規(guī)模達(dá)36 億美元，近幾年該市場(chǎng)的復(fù)合增長(zhǎng)率約為5%。 而我國(guó)高精度壓力變送器產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)高精度壓力傳感器和壓力變送器高度依賴進(jìn)口[1]。 據(jù)中國(guó)儀器儀表行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2017 年1 ～12 月我國(guó)壓力/差壓變送器出口約6 024.64 萬(wàn)臺(tái)，出口金額為2.71 億美元，進(jìn)口數(shù)量約為1195.19 萬(wàn)臺(tái)，金額為2.22 億美元，進(jìn)口平均單價(jià)約是出口的4 倍，高精度、高穩(wěn)定性的壓力變送器仍是行業(yè)亟待解決的問(wèn)題[2]。

壓力變送器作為設(shè)施的前端測(cè)量部件，其穩(wěn)定性、可靠性、精確度等性能直接影響著相關(guān)設(shè)施是否可靠。 而且產(chǎn)品性能不僅取決于產(chǎn)品設(shè)計(jì)，更需要相關(guān)配套的高精密測(cè)試設(shè)備承擔(dān)老化測(cè)試、校準(zhǔn)等任務(wù)[3]。 目前國(guó)內(nèi)的變送器生產(chǎn)企業(yè)基本上采用的是傳統(tǒng)的活塞式壓力標(biāo)準(zhǔn)器，通過(guò)人工手動(dòng)測(cè)試，其壓力值由工作狀態(tài)下標(biāo)準(zhǔn)砝碼產(chǎn)生的重力除以活塞有效面積并進(jìn)行浮力等因素修正得到，可實(shí)現(xiàn)最高準(zhǔn)確度0.002 級(jí)，存在工作效率低和壓力輸出非連續(xù)性的限制，已無(wú)法適應(yīng)壓力變送器設(shè)備的檢定要求，無(wú)法嚴(yán)格按照檢定規(guī)程的要求，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確、可靠的測(cè)試和校準(zhǔn)[4]。 尤其在高精度壓力變送器產(chǎn)品中無(wú)法滿足測(cè)試需求。

筆者通過(guò)對(duì)一體化測(cè)試平臺(tái)的3 個(gè)重要部分(高精度的壓力源的產(chǎn)生，5G 網(wǎng)絡(luò)信息傳輸，云數(shù)據(jù)庫(kù)信息共享)的研究分析，開(kāi)發(fā)了一種輕巧簡(jiǎn)便的一體化測(cè)試平臺(tái)。 該平臺(tái)既可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行前期校準(zhǔn)，也可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行老化試驗(yàn)以及動(dòng)態(tài)性能驗(yàn)證[5]，最后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行再次校準(zhǔn)，精準(zhǔn)控制產(chǎn)生測(cè)試需要的高精度壓力源，并且實(shí)時(shí)記錄反饋數(shù)據(jù)，相關(guān)企業(yè)可以把測(cè)試數(shù)據(jù)作為依據(jù)，進(jìn)行科學(xué)、有針對(duì)性地產(chǎn)品改善與驗(yàn)證，達(dá)到實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品品質(zhì)的提升的目的。

1 測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)以PAC 控制系統(tǒng)為核心，采用Linux Real-Time 處理器＋可編程FPGA 架構(gòu)，配合模塊化的I/O，實(shí)現(xiàn)高精密、高速控制，工業(yè)計(jì)算機(jī)通過(guò)5G 通信模塊實(shí)現(xiàn)與PAC 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，終端設(shè)備包含伺服泵組、電磁閥、安全保護(hù)器件、參考?jí)毫ψ兯推鳌⒈粶y(cè)壓力變送器等。 PAC 系統(tǒng)通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)伺服泵組的壓力控制，通過(guò)I/O 接口實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥的控制和對(duì)安全保護(hù)器件信號(hào)的獲取。 被測(cè)壓力變送器信號(hào)和參考?jí)毫ψ兯推餍盘?hào)通過(guò)信號(hào)隔離器變送至模擬量輸入模塊。 測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

測(cè)試平臺(tái)基于labview 的上位機(jī)進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取、顯示、存儲(chǔ)以及流程的調(diào)度與控制，它是設(shè)備與用戶人機(jī)對(duì)話的窗口。 測(cè)試平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示，采用“生產(chǎn)者和消費(fèi)者”框架，實(shí)現(xiàn)軟件對(duì)于用戶的響應(yīng)與處理，在用戶輸入指令后，通過(guò)全局變量數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)“控制程序”、“報(bào)表程序”、“系統(tǒng)配置”。 另外通過(guò)“全局變量”實(shí)現(xiàn)手動(dòng)模式/自動(dòng)模式下的測(cè)試命令下傳，通過(guò)“通訊程序”實(shí)現(xiàn)與PAC 的數(shù)據(jù)交互[6]。 控制程序中，由操作者錄入?yún)?shù)，通過(guò)“控制選擇”程序?qū)崿F(xiàn)不同的測(cè)試需要，后通過(guò)“控制執(zhí)行調(diào)度”與“控制執(zhí)行”程序?qū)崿F(xiàn)控制，通過(guò)數(shù)據(jù)“采集程序”、“記錄程序”、以及測(cè)試結(jié)果判定程序?qū)崿F(xiàn)完整的測(cè)試過(guò)程。

圖2 測(cè)試平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)圖

測(cè)試平臺(tái)采用伺服泵組，通過(guò)伺服電動(dòng)機(jī)與高壓電磁閥實(shí)現(xiàn)高精密壓力的控制和動(dòng)態(tài)模擬，并且使用控制算法實(shí)現(xiàn)高精度壓力源的產(chǎn)生以及模擬各種用戶所需的測(cè)試波形，如三角波、正弦波、方波以及模擬現(xiàn)場(chǎng)工況的波形[7]。 為實(shí)現(xiàn)高精度壓力源的產(chǎn)生，需要對(duì)傳統(tǒng)的泵、閥件進(jìn)行改良，并且對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模分析，優(yōu)化控制算法，最終實(shí)現(xiàn)高速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和高精度壓力控制。 高精度的壓力源不僅滿足常規(guī)靜態(tài)壓力的測(cè)試需要，更可進(jìn)行動(dòng)態(tài)的測(cè)試過(guò)程模擬，模擬使用工況，可快速驗(yàn)證設(shè)計(jì)的產(chǎn)品性能與品質(zhì)。

在實(shí)際應(yīng)用中，在被測(cè)對(duì)象接入后，測(cè)試平臺(tái)管道內(nèi)可能存在沒(méi)有排出的氣體，而由于氣體的可壓縮性、閥的非線性、管路特性以及負(fù)載容腔內(nèi)壓力變化的不均勻性等因素的影響，可能對(duì)測(cè)試平臺(tái)的壓力控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度控制產(chǎn)生一定的影響，所以需要盡量減少測(cè)試平臺(tái)管道內(nèi)的氣體，從而減少管道內(nèi)氣體對(duì)高精度壓力控制產(chǎn)生影響。

測(cè)試平臺(tái)采用24 bit， 100kS/s/ch 的數(shù)據(jù)采集器，并通過(guò)濾波等硬件措施和算法開(kāi)發(fā)高精度的壓力數(shù)據(jù)采集，并且通過(guò)5G 通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)連接到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中，數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，精準(zhǔn)的測(cè)試過(guò)程數(shù)據(jù)可為壓力變送器產(chǎn)品分析和產(chǎn)品升級(jí)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 數(shù)據(jù)采集器具有實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)存儲(chǔ)、自動(dòng)處理、自動(dòng)傳輸?shù)裙δ?，可以為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的真實(shí)性、有效性、實(shí)時(shí)性、可用性提供保證[8]。

數(shù)據(jù)采集器具有高采樣速率，可快速記錄下測(cè)試過(guò)程中的壓力與數(shù)據(jù)變化全過(guò)程，發(fā)現(xiàn)常規(guī)人工無(wú)法發(fā)現(xiàn)的異常信息，從而改變目前行業(yè)內(nèi)采用“人工校驗(yàn)”作為“自動(dòng)校驗(yàn)”和“自動(dòng)判定”的落后方式，并能減少人工操作，減少人工出錯(cuò)的可能。 測(cè)試平臺(tái)通過(guò)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)與圖形化顯示，將被測(cè)對(duì)象與標(biāo)準(zhǔn)參考對(duì)象的過(guò)程壓力曲線進(jìn)行直觀顯示，可以快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比和分析。

2 5G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳輸

5G 通信網(wǎng)絡(luò)的峰值傳輸速率為20Gbps 以上，任何地方都具備1Gbps 以上傳輸速率。 在測(cè)試平臺(tái)設(shè)備、PAC 控制器、工業(yè)計(jì)算機(jī)、云平臺(tái)服務(wù)器等設(shè)備上安裝5G 通信模塊，將這些設(shè)備接入5G 通信網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)5G 通信網(wǎng)絡(luò)高速信息傳輸通道，實(shí)現(xiàn)PAC控制器與工業(yè)計(jì)算機(jī)之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，將數(shù)據(jù)傳送到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)服務(wù)器中，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程與測(cè)試結(jié)果的多地研發(fā)團(tuán)隊(duì)之間數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)分享[9]。 測(cè)試平臺(tái)5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸架構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 測(cè)試平臺(tái)5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸架構(gòu)圖

測(cè)試平臺(tái)同時(shí)對(duì)多個(gè)壓力變送器的各項(xiàng)特性參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，5G 通信網(wǎng)絡(luò)傳輸通道具有1Gbps以上傳輸速率，將滿足大量數(shù)據(jù)信息傳輸需求。 5G網(wǎng)絡(luò)端到端的傳輸時(shí)延為5 ms，空口時(shí)延減少到1 ms，可以實(shí)現(xiàn)PAC 控制器、工業(yè)計(jì)算機(jī)等不同設(shè)備之間實(shí)時(shí)進(jìn)行各種信息的交互，保證通信的實(shí)時(shí)性和有效性[10]。 5G 網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)海量設(shè)備接入5G 網(wǎng)絡(luò)中，最大可以達(dá)到120 億個(gè)終端接入5G 網(wǎng)絡(luò)的能力，可以滿足大量的壓力變送器性能參數(shù)測(cè)試相關(guān)設(shè)備接入5G 網(wǎng)絡(luò)中，從而滿足5G 網(wǎng)絡(luò)對(duì)壓力變送器性能參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)信息傳輸需求[11]。

目前國(guó)內(nèi)工業(yè)控制系統(tǒng)中一般采用工業(yè)交換機(jī)，采用NI Shared variable 協(xié)議實(shí)現(xiàn)可編程自動(dòng)化控制器、工業(yè)計(jì)算機(jī)等設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互。 工業(yè)交換機(jī)采用有線接入網(wǎng)的方式，設(shè)備不具有移動(dòng)性，而且工業(yè)交換機(jī)的價(jià)格也特別昂貴。 文中采用5G 通信模塊替代工業(yè)交換機(jī)，降低了企業(yè)成本，各種工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)備也具有靈活的移動(dòng)性，同時(shí)也滿足高速率，低時(shí)延的數(shù)據(jù)交互需要[12]。

3 云數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)信息共享

云數(shù)據(jù)庫(kù)是被優(yōu)化或部署在一個(gè)虛擬計(jì)算環(huán)境中的數(shù)據(jù)庫(kù)，它可以進(jìn)行實(shí)例創(chuàng)建、數(shù)據(jù)備份、Binlog備份、監(jiān)控與消息通知等[13]。 測(cè)試平臺(tái)所有測(cè)試過(guò)程的數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)于云數(shù)據(jù)庫(kù)中。 云數(shù)據(jù)庫(kù)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，它可以提供WEB 界面進(jìn)行配置、操作數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)例，并且具有可靠的數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)、完備的安全管理、完善的監(jiān)控、輕松擴(kuò)展等功能[14]。 與企業(yè)自建數(shù)據(jù)庫(kù)相比較，云數(shù)據(jù)庫(kù)具有更經(jīng)濟(jì)、更專業(yè)、更高效、更可靠等特點(diǎn)，從而更好地實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)信息共享。

采用云數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和信息共享具有的優(yōu)點(diǎn)包括:①在壓力變送器全生命周期管理中，在云數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取產(chǎn)品出廠前測(cè)試數(shù)據(jù)和投放市場(chǎng)后產(chǎn)品使用時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)，并進(jìn)行對(duì)比分析，為以后持續(xù)改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持；②通過(guò)云數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)控，并可通過(guò)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)運(yùn)行設(shè)定參數(shù)，實(shí)現(xiàn)快速驗(yàn)證設(shè)想[15]；③通過(guò)云數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)技術(shù)數(shù)據(jù)的多地合作團(tuán)隊(duì)之間的信息分享，可以減少團(tuán)隊(duì)溝通成本、分享團(tuán)隊(duì)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)、推動(dòng)開(kāi)發(fā)流程閉環(huán)。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

壓力變送器高精度測(cè)試曲線如圖4 所示，波形選擇為方波，根據(jù)設(shè)定曲線和輸出壓力曲線對(duì)比分析得出結(jié)論，基于5G 網(wǎng)絡(luò)的壓力變送器一體化檢測(cè)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高精度的壓力變送器動(dòng)態(tài)測(cè)試。

圖4 壓力變送器高精度測(cè)試曲線圖

5 結(jié) 語(yǔ)

文中介紹了一款一體化測(cè)試平臺(tái)，該平臺(tái)使用高精度壓力源的產(chǎn)生，5G 網(wǎng)絡(luò)高速信息傳輸，云數(shù)據(jù)庫(kù)信息共享等方法，對(duì)壓力變送器進(jìn)行全自動(dòng)測(cè)試與檢定，將壓力變送器控制精度提高到0.002 級(jí)，滿足行業(yè)對(duì)高精度壓力變送器測(cè)試指標(biāo)要求，解決了高精度，高穩(wěn)定性壓力變送器存在的問(wèn)題，推動(dòng)我國(guó)高精度壓力變送器產(chǎn)業(yè)發(fā)展。