江元媛，王晨煜，李 正，蒲 偉

（重慶氣礦 重慶 400000）

1 引言

在自動(dòng)化控制技術(shù)迅速發(fā)展以及現(xiàn)代化生產(chǎn)需求不斷提高的背景下，智能儀表取得了飛躍的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，自動(dòng)檢測(cè)儀表是自動(dòng)化控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。目前天然氣生產(chǎn)現(xiàn)場傳統(tǒng)的自動(dòng)化控制（如聯(lián)鎖報(bào)警）功能的實(shí)現(xiàn)，主要依賴儀表間PLC 或RTU 進(jìn)行電源供電、信號(hào)連鎖和系統(tǒng)控制，涉及到站場內(nèi)需要敷設(shè)許多電纜溝，對(duì)早期電線及信號(hào)線的線路敷設(shè)設(shè)計(jì)要求極高。除了存在電纜敷設(shè)距離過遠(yuǎn)、電源欠壓、線路電流衰減及故障難以排查等問題，還難以在自控設(shè)備投運(yùn)后增加新的聯(lián)鎖控制功能，也不利于設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)

作為醫(yī)院在開展信息化建設(shè)活動(dòng)的過程中，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)院內(nèi)部資料的及時(shí)溝通和共享，作為工作人員需要定期參加相關(guān)的培訓(xùn)工作，如果條件允許也可以邀請(qǐng)一些專業(yè)的教師對(duì)工作人員展開培訓(xùn)，除此之外，在科室內(nèi)部也應(yīng)當(dāng)定期舉辦學(xué)習(xí)交流會(huì)，對(duì)于一段時(shí)間內(nèi)工作過程中遇到的問題進(jìn)行討論并且提出自身的心得和體會(huì)，以供其他人員進(jìn)行參考。在交流活動(dòng)推進(jìn)的過程中，也應(yīng)當(dāng)不斷創(chuàng)新資源共享的方式，例如可以建立微信討論群，對(duì)工作業(yè)務(wù)變更以及工作內(nèi)容展開及時(shí)的溝通交流，一旦遇到問題也能夠?qū)で笏说膸椭餐鉀Q。在這樣的基礎(chǔ)之上，不及維修。

為解決這一復(fù)雜的生產(chǎn)安全難題，科研項(xiàng)目組利用集成電路（IC）及分程控制技術(shù)，提出一種轉(zhuǎn)換求取分程點(diǎn)的理論計(jì)算思路，研究開發(fā)出一種可處理儀表輸出信號(hào)傳輸?shù)腟PC（Signal Process and Control）控制器，并將其試用于天然氣生產(chǎn)現(xiàn)場的固定式氣體檢測(cè)儀。很多早期安裝的固定式氣體檢測(cè)儀因出廠前未設(shè)計(jì)報(bào)警繼電輸出，缺少就地聲光報(bào)警功能，無法滿足安全管理雙重預(yù)防機(jī)制的基本要求。SPC 控制器的現(xiàn)場應(yīng)用，使缺少報(bào)警驅(qū)動(dòng)功能的固定式氣體檢測(cè)儀能夠加裝就地聲光報(bào)警器。

2 SPC控制器集成電路設(shè)計(jì)

2.1 集成電路與分程控制技術(shù)

集成電路（Integrated Circuit）技術(shù)，是將一個(gè)電路所需要的晶體管、二極管等有源器件和電阻、電容等無源器件，按照一定的電路規(guī)則連線，通過半導(dǎo)體工藝集成一個(gè)具有特定電路功能的微型結(jié)構(gòu)。隨著集成電路技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，不同類型的集成電路相互鑲嵌，可以將數(shù)字電路、存儲(chǔ)器、MPu、MCu、DSP 等一個(gè)電子子系統(tǒng)或整個(gè)電子系統(tǒng)集成在一個(gè)芯片上，從而完成在單一芯片上實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、處理和I/O 等功能。

在傳統(tǒng)信號(hào)控制系統(tǒng)中，通常每個(gè)控制器的信號(hào)輸出只驅(qū)動(dòng)一臺(tái)被控單元工作，分程控制技術(shù)就是改單點(diǎn)控制為一點(diǎn)雙控，將單個(gè)控制器的輸出信號(hào)通過規(guī)則加以區(qū)分，被分割成若干個(gè)信號(hào)范圍段，而每個(gè)被控單元僅在控制器輸出的某個(gè)信號(hào)范圍段內(nèi)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)以一控多的目的。

目前大部分天然氣場站主要依賴可編程邏輯控制器（PLC）或遠(yuǎn)程終端單元（RTU）實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場儀表及執(zhí)行器的電源供電、信號(hào)傳輸、聯(lián)鎖控制等功能。現(xiàn)場執(zhí)行器（如電動(dòng)閥門、電動(dòng)泵、聲光報(bào)警器等）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化聯(lián)鎖控制功能，需要在信息化建設(shè)工程設(shè)計(jì)期間就充分考慮現(xiàn)場執(zhí)行器的供電線路、信號(hào)傳輸線路等工作量，若考慮不足，不僅成本投入大，更容易造成生產(chǎn)現(xiàn)場線路敷設(shè)混亂、線路電流相互影響、故障排查難度大等問題。如果能夠在生產(chǎn)現(xiàn)場就地加裝一個(gè)體積較小的智能驅(qū)動(dòng)模塊，根據(jù)儀表檢測(cè)信號(hào)就地驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場執(zhí)行器動(dòng)作，可以極大程度上減少經(jīng)濟(jì)費(fèi)用和人力投入，見圖1 所示。

圖1 SPC 控制器生產(chǎn)現(xiàn)場連接示意圖

2.2 SPC 控制器集成電路設(shè)計(jì)

集成電路的設(shè)計(jì)是SPC 控制器實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸、分析和控制的關(guān)鍵。項(xiàng)目組通過研究分程控制系統(tǒng)技術(shù)，自主設(shè)計(jì)的集成電路圖，把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能（包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D 轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上，構(gòu)成一個(gè)小而完善的微型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了“SPC控制器”在小體積的條件下同時(shí)具有信號(hào)傳輸、處理和就地控制功能，也能擁有良好的信號(hào)隔離的功能，PCB 樣板見圖2 所示。

圖2 研發(fā)的SPC 控制器PCB 電路正、反截圖

SPC 控制器的集成電路由七個(gè)單元組成，分別為電源單元、信號(hào)采集單元、內(nèi)部溫度采集單元、中央處理單元、報(bào)警輸出單元、通訊傳輸單元以及LED 顯示單元。信號(hào)采集單元用于采樣輸入的電流信號(hào)，利用兩個(gè)ADC 采集通道形成差分采樣得到電流信號(hào)的AD 采樣值，用于計(jì)算信號(hào)電流值，并將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；內(nèi)部溫度采集單元用于采集溫度傳感器的電阻值，并將溫度傳感器的電阻值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；中央處理單元用于通過信號(hào)采集單元送來的數(shù)字信號(hào)計(jì)算出電流值，通過內(nèi)部溫度采集單元送來的電阻值計(jì)算出溫度值；報(bào)警輸出單元用于通過中央處理單元計(jì)算出的電流值做出相應(yīng)的報(bào)警輸出；LED 顯示單元通過中央處理單元計(jì)算出的電流值顯示綠、橙、紅三種不同顯示；通訊傳輸單元用于485 信號(hào)傳輸；電源單元用于給中央處理單元、報(bào)警輸出單元、通訊傳輸單元提供3.3V、24V、12V 和5V 直流電壓。

3 SPC控制器的現(xiàn)場運(yùn)用

3.1 SPC 控制器性能測(cè)試

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室多次試驗(yàn)打樣，最終成品的SPC 控制器采用雙面結(jié)構(gòu)PCB 板，元器件排布緊湊，減小“SPC 控制器”體積，同時(shí)抗干擾性能強(qiáng)，電磁兼容性好。核心元器件采用集成雙通道Σ-Δ 型ADC 和ARM Cortex-M3 的低功耗精密模擬微控制器“ADuCM360”，可通過編程方式設(shè)定相關(guān)參數(shù)。SPC 控制器成品按照分程控制邏輯編寫“STM32”基礎(chǔ)程序，并預(yù)留相應(yīng)的接口，充分考慮產(chǎn)品的功能擴(kuò)展需求，使SPC 控制器在實(shí)際生產(chǎn)過程中能夠適應(yīng)各種需要儀表信號(hào)進(jìn)行觸發(fā)的弱電就地控制需求。

項(xiàng)目組嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)GB3836-2010 及GB/T 28272-2012設(shè)定“SPC 控制器”成品各項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，模擬多種實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)SPC 控制器樣品性能進(jìn)行驗(yàn)證。最終確保SPC 控制器的準(zhǔn)確度、回差、重復(fù)性誤差、始動(dòng)漂移、長期漂移、浪涌抗擾度等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 SPC 控制器現(xiàn)場應(yīng)用

天然氣生產(chǎn)場所最危險(xiǎn)的介質(zhì)為可燃?xì)怏w和硫化氫氣體，安裝固定式氣體檢測(cè)儀監(jiān)測(cè)危險(xiǎn)介質(zhì)作為生產(chǎn)場所最有效可靠的安全管控手段，被廣泛應(yīng)用于各類天然氣生產(chǎn)場所。隨著智能儀表的更新?lián)Q代以及現(xiàn)場安全管控標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，部分早期安裝的固定式氣體檢測(cè)儀出廠時(shí)因未設(shè)計(jì)報(bào)警驅(qū)動(dòng)功能，缺少就地聲光報(bào)警功能，無法滿足安全管理雙重預(yù)防機(jī)制的基本要求，直接危及現(xiàn)場安全生產(chǎn)。

不同廠家生產(chǎn)的固定式氣體檢測(cè)儀有著大不相同的結(jié)構(gòu)，通過對(duì)天然氣生產(chǎn)現(xiàn)場的前期調(diào)研，目前各天然氣場站使用的固定式氣體檢測(cè)儀品牌多為無錫梅思安、無錫格林通、哈爾濱東方報(bào)警設(shè)備開發(fā)有限公司。項(xiàng)目組通過3D 建模和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了SPC 控制器的排布結(jié)構(gòu)，使SPC 控制器模塊能夠安裝于各種類型的檢測(cè)儀，并滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，實(shí)現(xiàn)未帶報(bào)警驅(qū)動(dòng)功能的固定式氣體檢測(cè)儀能夠就地聲光報(bào)警功能，并能達(dá)到在氣體濃度達(dá)到1 級(jí)報(bào)警闕值時(shí)報(bào)警，氣體濃度降到報(bào)警闕值以下自動(dòng)停止報(bào)警的要求[1-3]，見圖3所示。

圖3 不同結(jié)構(gòu)的SPC 控制器排布設(shè)計(jì)

4 結(jié)語

隨著時(shí)代的發(fā)展，尤其是5G 的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的通訊模式即將淘汰，取而代之的是基于5G 的物聯(lián)網(wǎng)控制，天然氣生產(chǎn)站場遍布各種各樣的傳感器，但涉及到工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)，凡事都需要“雙保險(xiǎn)”，直接靠儀表輸出的信號(hào)進(jìn)行就地控制的功能需要保留，如何實(shí)現(xiàn)傳感器的自我賦能將成為我們的主要研究方向。在此發(fā)展趨勢(shì)下，項(xiàng)目子所研究的“SPC 控制器”在維護(hù)保養(yǎng)、故障排查及建設(shè)成本方面均優(yōu)于PLCRTU 控制系統(tǒng)，解決分離儀表輸出信號(hào)的難題，并且用戶自定義功能使其能夠滿足不同的控制需求。SPC 控制器目前已經(jīng)成功試用于固定式氣體檢測(cè)儀的聲光報(bào)警功能，未來可以拓展運(yùn)用于自動(dòng)藥劑加注、聯(lián)鎖控制、報(bào)警控制等不同天然氣生產(chǎn)現(xiàn)場，提高天然氣場站的安全管理水平，實(shí)現(xiàn)以低成本就地自動(dòng)控制穩(wěn)定運(yùn)行。