CN107144369B - 一种用于dcs产品调试中的温度信号仿真方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一个温度信号仿真的方法和装置，以解决DCS产品研发过程中对温度采集模块的调试问题。首次，设定需要仿真的温度信号，并选择DCS采集的信号类型；其次，若DCS采集的信号类型为热电偶信号，则利用Labview软件将所述温度信号转换成电压信号，由PXI电压输出卡产生所述电压信号，并直接输出至DCS热电偶采集模块；若DCS采集的信号类型为热电阻信号，则利用Labview软件将所述温度信号T转换成相应的输入电阻值；并设计分压电路，对PXI电压输出卡的输出电压进行分压产生采集电压，将采集电压输出至DCS热电阻采集模块。使用本发明提供的方法，替代常规的使用信号源或是使用专用热电阻、热电偶仿真模块的方法，能够有效提高效率、提升经济性和灵活性。

Description

一种用于DCS产品调试中的温度信号仿真方法和装置
技术领域
本发明涉及工业自动化分布式控制***DCS(Distributed Control System)的产品开发调试，尤其涉及调试过程中的温度电信号的仿真方法。
背景技术
目前DCS对于温度信号的采集主要是两种形式，采集热电阻或是采集热电偶信号。其基本的采集原理是将采集到的信号变成电压信号然后再经过A/D转换成为数字化处理。
在对DCS的温度采集模块，包括PT100/PT1000热电阻采集模块以及热电偶采集模块进行调试时，普遍的做法是使用信号源，例如使用电阻箱直接接入DCS的采集模块来达到对四线制热电阻信号的仿真，较为先进的方法是运用虚拟仪器技术采用专用的温度仿真模块，如PT100热电阻仿真模块，来进行信号仿真。实践中发现，这些方法存在以下问题。
首先，使用电阻箱的方法造成资源消耗量大，不灵活。一个电阻箱只能调节出一个电阻值，仿真一个热电阻信号，而实际调试时，往往需要同时仿真好几路甚至超过十路热电阻信号，这样就会需要接入多个电阻箱。资源消耗以及场地空间的消耗都是问题。
其次，电阻箱需要人为调节，效率低下。对需要仿真的温度值，先要根据分度表计算出对应的电阻值，然后再手动调节电阻箱。仿真的信号通道越多弊端越明显。
再次，由于电阻箱需要手动调节的原因，对于多路温度信号之间有严格时间间隔的情况无法准确控制。
另外，若是采用较为先进的虚拟仪器方案，使用专用的温度仿真模块如PT100仿真模块，则存在价格高、功能单一等问题。调查发现，专用的温度仿真模块要么针对PT100，要么针对PT1000，要么针对TC热电偶，且单模块往往只包含三两个通道，模块的价格非常高昂。试想，若要仿真PT100，PT1000以及热电偶，而且通道数量较多时，采用这种专用的温度仿真模块就会消耗大量的财力。若是仅仅为了调试温度采集模块这么单一产品就耗费大量财力，这对于产品研发是不能接受的。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种既能实现对多种多路温度信号准确仿真，并且经济可行的方法。
以四线制热电阻信号采集为例。DCS的四线制热电阻信号采集模块通常包括两个测量端管脚、两个恒流源管脚。其中恒流源管脚与DCS的热电阻采集模块内部的恒流源相连，测量端管脚连接采集模块的测量端，恒流源电流经过热电阻则在热电阻两端产生电压，通过测量端的电压大小就能计算出热电阻阻值的大小，从而得到对应的温度值。
热电偶信号本身即为电压(电势差)信号，DCS的热电偶采集模块获得电压大小之后就能计算出对应的热电偶温度值。
基于以上所述DCS对热电阻以及热电偶信号采集的原理，将需要仿真的温度信号分成两部分：其一是基本的电压信号输出，直接用于仿真热电偶信号；其二是四线制热电阻仿真部分，主要包含定值电阻以及分压电路。
具体来说，技术方案包括以下步骤：
1)首先使用虚拟仪器的方式，构建基于Labview软件+PXI(PCI extensions forInstrumentation，面向仪器***的PCI(Peripheral Component Interconnect)扩展)板卡的仿真***。其中Labview软件用于温度值至热电偶、热电阻电信号值的转换计算以及控制到PXI输出的电压值，PXI板卡则是按照软件设定输出电压信号并负责与DCS的接口。
2)选择一个PXI电压输出卡输出电压至DCS的热电偶采集模块作为热电偶信号。
3)根据DCS热电阻采集模块的测量端采集的电压值范围设计分压电路。该电路的功能是将PXI电压输出卡的输出电压进行调整以适合于热电阻采集模块。将分压后的电压信号U输出至热电阻采集模块的测量端。
4)采用一个定值电阻连接DCS热电阻采集模块的恒流源端，保证恒流源回路正常。基于步骤3)和步骤4)将四线制热电阻的仿真变成电压的仿真。
5)根据步骤2)，步骤3)和步骤4)设计Labview软件，该软件包括：温度信号选择，温度信号到热电偶电压值的转换，温度信号到热电阻电阻值R以及到电压值U的转换以及校准算法。
6)校准算法的设计思路如下：
整个仿真***中，分压电路的分压电阻引入的误差最大，其主要影响热电阻的仿真。
引入校准参数a和b，将软件仿真输出的电压值Uout与DCS采集电压计算得到的电阻值Rin近似看成线性关系，
Rin×I＝a×Uout+b
由于恒定电流I是定值，上式可转换成
Rin＝a×R+b
其中R为软件中设定的温度对应电阻值。进一步可得
Tin＝a×T+b
基于二元一次方程的理论，只需要两个点就可以求解出校准参数a和b的值。
然后，在Labview软件设计中，将温度值转换成热电阻电阻值后，判断是否存在校准文件。若无校准文件，则使用默认的校准参数；若存在校准文件，则使用校准文件中的参数a和b对仿真设定的热电阻阻值进行校准计算，校准后再由PXI板卡输出电压。如此，可以获得精度较高的热电阻类型温度仿真信号。
总之，采用本发明的温度信号仿真方法，有如下优点：
灵活性。相比采用信号源的方式，本发明提供的方法介入了虚拟仪器，可根据需要灵活编程实现功能扩展。
经济。主要的器件成本为电压输出模块以及补充电路的电阻器件，其成本相比专用的PT100热电阻模块、热电偶模块便宜得多，且电压输出模块包含通道数量多。通常一个电压输出模块就能包含16或32通道。
精度高。针对热电阻的仿真，本发明提供的方法还能对补充电路进行校准，实践中仿真的精度能达到0.05％。
附图说明
图1是DCS对四线制热电阻信号的采集原理图。
图2是本发明提出的PXI电压输出卡+补充电路实现对温度信号仿真的原理图。
图3是Labview软件的处理过程。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本发明的具体实施做进一步说明。
如图1所示为DCS的热电阻采集模块的信号采集原理图。以四线制PT100为例，出于调试的需要，对于PT100信号，需要仿真下限至-20℃，上限至450℃的温度值。对应的电阻值为92.16Ω和264.18Ω.
而DCS的采集模块的恒定电流通常为I＝0.15mA。
那么PT100采集模块得到的电压Uin范围是14.75mV～42.27mV。
选用常规的-10～10V电压输出的PXI模块。在补充电路上进行分压处理，如图2所示。其中补充电路包括分压电路和定值电阻。
其中，R0＝110Ω，目的是为了确保恒流源I的回路，确保DCS的热电阻采集模块能够检测到PT100信号工作正常。
R1和R2将PXI输出电压U进行分压，使电压适合于PT100采集模块的采集。选用常规电阻R1＝2.2kΩ，R2＝15Ω。
结合补充电路的分压，则测试平台软件中设置的PXI电压输出应该满足如下关系式：
Figure GDA0001365033530000051
其中,RT为温度T对应的电阻值，I＝0.16mA。
那么理论上，DCS采集到的热电阻两端电压
Figure GDA0001365033530000061
进一步分析，考虑到补充电路R1和R2引入的误差，实际上DCS***采集得到的温度值Tin与测试平台软件中的温度值T有如下线性关系：
Tin＝a*T+b
按照二元一次方程的理论，选择仿真温度T的上限温度值T2和下限温度T1两个点，即可以求解出a和b的值。
如图3所示，在Labview的软件设计环节，对于热电阻信号仿真，先将待仿真温度值转换成热电阻电阻值R，然后检查是否有校准文件，有则使用校准文件中的a和b参数对热电阻电阻值R进行校验，无则使用默认值a0和b0校验，校验后再由PXI输出电压，就能大大提高精度。实际使用结果表明，校验后的精度可以达到0.05％。
若是仿真热电偶信号，则在软件中计算将温度转换成电压值后直接向PXI输出。
综上，本发明提出的基于虚拟仪器利用电压和普通电阻来仿真热电偶和热电阻信号的方法，基本能够达到调试过程中对各种类型温度信号采集仿真的要求。此方法可以减少对传统信号源的依赖，并且采用通用的电压输出模块提升了仿真设备本身的灵活性。
最后需要说明的是，上述说明仅是本发明的一个典型实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，都可利用上述的做法和技术内容对本发明的技术方案做出许多可能的变动和简单替换，这些都是属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于DCS产品调试中温度信号仿真方法，其特征在于，所述方法包括：
第一步，设定需要仿真的温度信号T，并选择DCS采集的信号类型；
第二步，若DCS采集的信号类型为热电偶信号，则利用Labview软件将所述温度信号T转换成电压信号，由PXI电压输出卡产生所述电压信号，并直接输出至DCS热电偶采集模块；
第三步，若DCS采集的信号类型为热电阻信号，则包括以下步骤：
步骤一，利用Labview软件将所述温度信号T转换成相应的输入电阻值RT；
步骤二，利用校准参数，对所述输入电阻值进行校准；
步骤三，设计分压电路，对PXI电压输出卡的输出电压进行分压，产生采集电压，使采集电压适合于DCS热电阻采集模块，其中采集电压等于校准后的输入电阻值与DCS热电阻采集模块中恒流源的电流值的乘积；
步骤四，将采集电压输出至DCS热电阻采集模块。
2.根据权利要求1所述的方法，所述步骤二包括：
(1)设定需要仿真的两个温度信号为第一温度信号Tout1和第二温度信号Tout2，DCS热电阻采集模块实际处理得到的两个温度信号为第一处理温度信号Tin1和第二处理温度信号Tin2；
(2)求解二元一次方程Tin1＝a×Tout1+b，Tin2＝a×Tout2+b，得到校准参数a和b；
(3)根据a和b对输入电阻值RT进行校准，即Rin＝a*RT+b。
3.一种用于DCS产品调试中的温度信号仿真装置，其特征在于，包括PXI电压输出卡、DCS热电阻采集模块、DCS热电偶采集模块、分压电路和定值电阻，其中DCS热电偶采集模块直接与PXI电压输出卡相连，DCS热电阻采集模块经分压电路与PXI电压输出卡相连，定值电阻与DCS热电阻采集模块中恒流源连接，用于确保恒流源电路回路工作正常；所述装置还包括Labview软件模块，内设Labview软件，所述PXI电压输出卡与Labview软件模块构成仿真***，所述Labview软件模块用于温度信号到热电偶电压值的转换计算、温度信号到热电阻电阻值及电压值的转换计算和校准以及控制传输到PXI电压输出卡的电压值，PXI电压输出卡根据Labview软件模块计算的电压值输出电压信号。
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