工业现场数据采集与工业以太网若干关键技术

【摘要】： 针对工业过程需要的参数意义和特点，研究流程工业制造过程的现场数据采集技术和实时以太网现场总线技术，其中包括：基于电容压力测试技术、接触式温度测试技术、非接触式温度测试技术、数据融合技术以及实时工业以太网技术。该技术可有效地解决工业现场参数高精度数据采集和网络传输问题，对于提高我国制造业装备的自动化水平具有重要意义。论文主要研究内容如下： (1)研究了电阻电容耦合测量问题，提出了一种变频率方波激励电阻电容解耦测量的新方法，该方法利用了阻容网络幅频特性，使用两种频率激励下阻容网络输出电压的比例关系进行解耦测量，有效消除激励源幅值对测量精度的影响。研制了石油勘探MEMS电容加速度传感器数据采集器，采用方波激励检测差动微小电容变化信号，设计了差动电容变换电路、放大电路和滤波电路，应用改进的提升小波算法对信号进行降噪处理，使测量电路信噪比得到较大提高。 (2)在研究工业常用接触式温度测量技术基础上，设计了热电阻温度传感器测量的连续式非线性A／D转换电路，给出了三线制引线电阻补偿方法，得出了引线电阻对测量精度影响率为-4／R的结论。研究了连续式非线性A／D转换电路校正传感器和电桥非线性技术，提出了应用加权最小二乘参数估计方法寻找校正电路的最佳参数，并根据最佳参数进行了电路设计。针对热电偶温度传感器的非线性，应用多项式拟合方法进行非线性校正，每个传感器分5段，分别对K，E，T，J，S，B，N，W和R型热电偶的非线性拟合出了4次校正多项式，保证了传感器非线性校正精度在传感器的全温度范围内优于0.1℃，并用DUT数据采集模块对各种型号热电偶测温精度进行验证，获得了大量实测数据。 (3)研究了辐射温度测量技术，设计了棱镜分光比色辐射温度测量电路，使用高分辨率A／D转换器和量程切换技术解决低温段辐射能量小、信号灵敏度低，而高温段信号幅值大，动态范围要求高的矛盾，应用黑体炉标定技术和数字校准方法以及4次拟合校正技术提高温度测量精度。研究了基于图像颜色的高温物体温度测量方法，采集黑体炉各典型温度下的彩色图像，确立HSV空间彩色模型图像数据与温度数据的对应关系，利用神经网络对识别器进行训练，实现用图像颜色非接触温度测量。 (4)研究了加权最小二乘数据融合方法，对各传感器测量值的方差进行在线估计，根据方差调整加权最小二乘融合算法的权值。研究了传感器的分组组合方式，给出了分组融合算法的最优分组原则，从理论上证明了基于最优分组原则下融合算法的最小方差特性。以烧水过程为对象，建立加热过程模型，将沸腾状态检测转化为升温速率均值变点检测问题，并采用累积和(CUSUM)控制图方法进行变点检测，给出了加热过程升温速率及噪声方差的在线估计方法，实现对沸腾状态的快速准确的判断。 (5)研究实时以太网技术基础上，深入研究了EPA(Ethernet for Plant Automation)以太网现场总线控制系统的系统模型、通信模型和实时通信技术，设计了实时通信调度方法，定义了网络通信服务和系统管理服务。开发了EPA现场总线控制系统软硬件产品，将IEC61131-3功能块规范应用于实时以太网现场总线分布控制系统中。研究了网络系统的实时性测试方法，给出了描述EPA实时性的参数定义和测试方法，开发了实时性测试平台，并对“863”项目组的各单位设备进行了测试验证。 以工业过程常用参数检测技术和实时控制网络技术为研究对象，给出了各种常用参数检测方法和数据处理方法以及网络系统互联与协调工作技术和方法，获得了多项国家863项目以及省市项目支持，开发了多个的软硬件产品，并得到了推广和应用，获得了辽宁省科技进步二等奖和大连市科技进步一等奖等多个奖励。期望该研究对于解决工业过程现场数据采集与系统控制问题提供一种新的思路。