【論文精選】數字調壓站智能控制器自動(dòng)化測試系統設計
原創(chuàng )
狄鵬，等
煤氣與熱力雜志
煤氣與熱力雜志
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GAS-HEAT1978
《煤氣與熱力》始于1978年，創(chuàng )刊于1981年，中國核心期刊，中國土木工程學(xué)會(huì )燃氣分會(huì )會(huì )刊。篩選燃氣供熱行業(yè)最有價(jià)值的技術(shù)信息，新聞分類(lèi)整理、政策標準、熱點(diǎn)討論、投稿查詢(xún)、論文檢索、寫(xiě)作指導、編委風(fēng)采、精品會(huì )議……
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作
者：
狄鵬，王濱濱，彭學(xué)枝，周士鈞，戴曉嬌，劉金梁
第一作者單位：上海飛奧燃氣設備有限公司
摘自《煤氣與熱力》2021年11月刊
傳統燃氣
調壓站
配套的控制器功能主要為壓力監測和溫度監測，經(jīng)過(guò)智能化發(fā)展，飛奧數字式智能調壓站控制器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)智能控制器）結合數字式傳感器，實(shí)現了超低功耗的性能要求，同時(shí)能完成各種信號檢測判斷，還可根據閥位的實(shí)時(shí)監測，通過(guò)算法間接計算出瞬時(shí)流量，這些監測到的信號及數據會(huì )根據設定周期定時(shí)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò )云平臺端。在裝機前，需對智能控制器及配套監測系統功能的穩定性及可靠性進(jìn)行全面檢驗。
①壓力及溫度實(shí)時(shí)監測功能。常規調壓站配備有主路和備用路調壓器，因此需配置多路壓力監測系統，通過(guò)低功耗數字式壓力傳感器采集管道壓力。調壓器出口溫度會(huì )有一定變化，需要實(shí)時(shí)監控，通過(guò)低功耗數字式溫度傳感器采集管道溫度。
②調壓器實(shí)時(shí)閥位監測功能。需對主路和備用路調壓器的閥位進(jìn)行監測，通過(guò)低功耗數字式位移傳感器采集調壓器內部盤(pán)片位置。
③間接流量計算功能。采用數字式位移傳感器檢測到的閥位信息，以及數字式壓力傳感器檢測到的進(jìn)出口壓力，基于上海飛奧自主知識產(chǎn)權的算法，計算出當前的流量。
④常規報警及數據上報功能。報警功能主要有主路壓差報警、備用路壓差報警、主路閥切斷報警、備用路閥切斷報警、泄漏報警以及門(mén)禁報警。智能控制器會(huì )實(shí)時(shí)監控調壓站的健康狀況，遇緊急狀況會(huì )執行兩個(gè)動(dòng)作，報警信息會(huì )立即上傳至云平臺端，數據管理中心大屏幕會(huì )將報警位置紅色標記，并顯示該調壓站的監測數據，同時(shí)報警信息會(huì )通過(guò)
4G
模塊發(fā)送短信至區域維護責任人，以便責任人在最短時(shí)間內做出反應，及時(shí)對問(wèn)題進(jìn)行處理。
⑤調壓控制功能。在用氣高峰時(shí)段，希望調壓器出口壓力有所增大，而在用氣低谷時(shí)段壓力可以適當降低。智能控制器需要根據不同的時(shí)段預先設置壓力值，然后通過(guò)開(kāi)啟或關(guān)閉電磁閥調節調壓器的開(kāi)啟程度，使出口壓力在設定范圍內。
搭建的測試環(huán)境需要模擬出盡可能多的工況，確保后續產(chǎn)品安裝到現場(chǎng)能長(cháng)期可靠運行。
智能控制器配套的壓力傳感器為數字式低功耗傳感器，供電電壓為
DC 2.7
～
3.6 V
，靜態(tài)電流在
2
μ
A
以下，測試精度在
0.3%
以?xún)?，防爆等級達到
Ex ia
Ⅱ
C T6
級別。在中低壓調壓站中，進(jìn)口壓力傳感器量程為
0
～
0.6 MPa
，出口壓力傳感器量程為
0
～
10 kPa
。為了測試傳感器的精度是否在要求范圍內，我們選用了
GE6000
系列的智能壓力控制器，提供雙路穩定的壓力輸出。根據傳感器的量程，壓力控制模塊盡量選用與之匹配的量程，這里選用量程為
0
～
1 MPa
和
0
～
20 kPa
的壓力控制模塊，模塊精度控制在
0.02%
以?xún)?。待測壓力傳感器安裝在定制的測試工裝上，可滿(mǎn)足一拖四路、一拖六路或一拖八路壓力傳感器的測試。
考慮到壓力傳感器的使用工況，需要模擬出不同的溫度環(huán)境，以驗證壓力傳感器內部的溫度補償是否合格。因此，要配置一臺高低溫試驗箱，測試壓力傳感器在
-25
～
65
℃條件下壓力輸出的穩定性。常規測試有兩種：
a.
持續高溫或低溫測試。高溫測試時(shí)，將高低溫試驗箱內的溫度升至
65
℃，然后放入待測壓力傳感器，接好燃氣管路（以下簡(jiǎn)稱(chēng)氣路）及數據線(xiàn)纜，在該溫度下連續測試
16 h
，記錄測試時(shí)段內的壓力曲線(xiàn)；同樣在低溫測試時(shí)，記錄高低溫試驗箱內溫度為
-25
℃時(shí)，壓力傳感器持續測試
16h
的壓力輸出曲線(xiàn)。要求整個(gè)測試過(guò)程，測試數據符合壓力傳感器設計精度
0.3%
。
b.
溫度交變試驗。按照高低溫試驗箱內的溫度分別為
-25
、
-10
、
0
、
20
、
40
、
65
、
40
、
20
、
0
、
-10
、
-25
℃的順序對待測壓力傳感器進(jìn)行測試，每個(gè)溫度保持
2 h
，要求各溫度下的數據全部符合壓力傳感器設計精度
0.3%
。壓力傳感器的數據通過(guò)
I2C
協(xié)議，按照預先設定的
2 s
一次傳輸至智能控制器，智能控制器定時(shí)將收到的壓力數據通過(guò)
4G
模塊上傳至網(wǎng)絡(luò )云平臺，從而實(shí)現遠程監控功能。
智能控制器配套的溫度傳感器為數字式低功耗傳感器，供電電壓為
DC 2.7
～
3.6 V
，靜態(tài)電流在
2
μ
A
以下，測試精度在
0.3%
以?xún)?，防爆等級達到
Ex ia
Ⅱ
C T6
級別，可滿(mǎn)足
-40
～
100
℃的寬量程測試?？紤]到傳感器允許誤差僅
0.42
℃，高低溫試驗箱內部的溫度均勻度無(wú)法達到測試要求，因此采用精密恒溫槽來(lái)提供恒定的溫度，溫度波動(dòng)絕對值可控制在
0.05
℃以?xún)?。通過(guò)簡(jiǎn)易的支架，一次可掛載
4
個(gè)溫度傳感器同時(shí)進(jìn)行測試。數據傳輸與壓力傳感器流程相同，按照預先設定的參數進(jìn)行數據上傳。
②調壓器實(shí)時(shí)閥位監測功能測試方案
為模擬實(shí)際閥位狀況，需搭建一個(gè)閥位控制氣路，調壓器進(jìn)行特殊加工，上蓋預留多個(gè)傳感器安裝孔，用于安裝數字式位移傳感器，被測數字式位移傳感器可同時(shí)安裝，均布在內側圓形盤(pán)片上。當調壓器閥芯動(dòng)作時(shí)，帶動(dòng)數字式位移傳感器探頭上下運動(dòng)，實(shí)時(shí)監測數據通過(guò)傳感器線(xiàn)纜傳輸至智能控制器。
結合調壓器實(shí)時(shí)閥位監測功能，智能控制器具備流量計算功能，此功能涉及一套完整的算法，集成在智能控制器的固件內。為測試該功能是否達到設計指標，需要一個(gè)準確的參考值，此處選用飛奧生產(chǎn)的
TGM-Q
系列流量計，該型流量計精度等級達
1.5
級，具有體積小、工作穩定等優(yōu)點(diǎn)，表體長(cháng)度與口徑比近
1.5
∶
1
。流量計的實(shí)測流量通過(guò)
485
接口傳輸給智能控制器。智能控制器又根據接收到的閥口開(kāi)度等數據，計算出流量（稱(chēng)為間接流量）。自動(dòng)化測試平臺讀取智能控制器上的實(shí)測流量和間接流量，計算間接流量的相對誤差，如果在控制范圍內，則判定合格。目前間接流量相對誤差可控制在
8%
以?xún)?，后續間接流量算法還會(huì )不斷優(yōu)化，提升準確度，最終實(shí)現相對誤差控制在
5%
以?xún)取?/span>
智能控制器具備
6
種常規報警功能?，F場(chǎng)使用時(shí)，報警信號輸出均為開(kāi)關(guān)量，因此只要用繼電器模擬
6
個(gè)開(kāi)關(guān)量信號傳輸至智能控制器，同時(shí)監測反饋數據即可。如果將某個(gè)報警信號開(kāi)關(guān)量傳輸至智能控制器，沒(méi)有監測到相應反饋，則判斷該路功能異常。數據上報（上報內容和上報頻率等）是根據程序設定的規則來(lái)執行。
智能控制器自動(dòng)調壓功能的實(shí)現通過(guò)控制調壓器前方兩個(gè)氣包的電磁閥通斷來(lái)實(shí)現，實(shí)驗室只要模擬出
4
個(gè)電磁閥的準確通斷即可，不必搭建過(guò)于復雜的氣路，因為機械結構部分已通過(guò)量產(chǎn)的驗證。自動(dòng)化測試系統會(huì )模擬發(fā)送相關(guān)信號，控制電磁閥的動(dòng)作，通過(guò)反饋信號來(lái)判斷動(dòng)作是否已執行，從而完成調壓功能的驗證。
4
整體自動(dòng)化測試系統的實(shí)現
自動(dòng)化測試系統實(shí)現了自動(dòng)模擬測試數據環(huán)境、自動(dòng)執行測試過(guò)程、驗證測試結果、生成測試報告并自動(dòng)發(fā)送的功能。采用持續集成全自動(dòng)化測試，從檢出代碼、編譯構建、運行測試、結果記錄到測試統計等均為自動(dòng)完成，全程無(wú)需人工干預，減少重復過(guò)程以節省時(shí)間、費用和工作量；解決了手工測試的低效率和高失誤率問(wèn)題。自動(dòng)化測試系統連接見(jiàn)圖
1
。在
PC
端使用
Python
語(yǔ)言進(jìn)行自動(dòng)化測試程序開(kāi)發(fā)，在程序中通過(guò)
RS232
或
485
通信控制各硬件測試設備的參數值和連接狀態(tài)，以模擬真實(shí)使用環(huán)境。同時(shí)智能控制器通過(guò)采集各類(lèi)傳感器數據來(lái)顯示當前系統狀態(tài)及計算流量數據。自動(dòng)化測試系統可測試不同溫度、壓力、閥位等環(huán)境下智能控制器對當前數據的計算、輸出和性能表現。
在
PC
端的測試程序按照測試用例的設計，通過(guò)
485
或
RS232
通信對恒溫槽溫度、智能壓力控制器輸出壓力以及閥位控制氣路電磁閥狀態(tài)等參數進(jìn)行設置與讀?。ㄔO置與讀取是同步過(guò)程，需要讀取以驗證設置的正確性）。智能控制器通過(guò)
I2C
通信，獲得溫度傳感器、位移傳感器、壓力傳感器采集的數據作為當前溫度、壓力和閥位。
PC
端測試程序應用內部協(xié)議，通過(guò)串口對智能控制器當前溫度、壓力、閥位等數據進(jìn)行采集。將設置值和采集值對比，驗證智能控制器數據采集的正確性。對采集數據按行業(yè)計算公式計算出瞬時(shí)流量值，與智能控制器輸出的瞬時(shí)流量值對比，驗證智能控制器輸出的正確性。
智能控制器支持系統狀態(tài)和閾值的報警，自動(dòng)化測試系統設置各測試設備的參數值達到閾值，
PC
測試程序讀取智能控制器的系統狀態(tài)和抓取網(wǎng)絡(luò )云平臺端的報警狀態(tài)，驗證是否有閾值報警。系統的異常狀態(tài)也將通過(guò)繼電器開(kāi)斷模擬信號來(lái)測試。
④網(wǎng)絡(luò )云平臺交互與數據分析
網(wǎng)絡(luò )云平臺端可以對數字調壓站的設備進(jìn)行有效管理、監控、數據收集。智能控制器將本地數據及狀態(tài)上報到網(wǎng)絡(luò )云平臺端，云平臺端可以將各類(lèi)參數配置下發(fā)給智能控制器。自動(dòng)化測試系統在規定時(shí)間利用
Seleium
技術(shù)抓取網(wǎng)絡(luò )云平臺端數據，并對數據進(jìn)行有效分析，以驗證交互和顯示的正確性。
使用開(kāi)源
Jenkins
平臺持續集成優(yōu)化代碼，當新固件代碼提交后，自動(dòng)觸發(fā)客戶(hù)機下載并為智能控制器燒錄新固件代碼，此外，自動(dòng)觸發(fā)測試程序運行，按照測試程序設計的測試用例對新固件代碼進(jìn)行驗證與測試。測試完成后，自動(dòng)生成新固件代碼測試報告，及時(shí)發(fā)送給代碼開(kāi)發(fā)人員及測試人員，同時(shí)將測試結果標識給代碼審核服務(wù)器，將新固件代碼歸檔到服務(wù)器。通過(guò)代碼持續集成優(yōu)化，確保自動(dòng)化測試系統功能不斷完善。
自動(dòng)化測試系統在被觸發(fā)后，自動(dòng)執行測試過(guò)程，生成含有時(shí)間、版本、平臺地址、測試人信息、測試內容及結果等信息的
HTML
格式的智能控制器及配套監測系統測試報告，并將測試報告發(fā)送到指定的郵箱或服務(wù)器。
數字調壓站智能控制器自動(dòng)化測試系統實(shí)現了測試過(guò)程的自動(dòng)化，提高了測試效率，避免了人為因素造成的測試數據偏差，測試記錄及測試報告由電腦自動(dòng)生成，全程無(wú)紙化操作，促進(jìn)綠色制造的發(fā)展。
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