【论文精选】数字调压站智能控制器自动化测试系统设计

原创 狄鹏，等 煤气与热力杂志

煤气与热力杂志

微信号 GAS-HEAT1978

功能介绍 《煤气与热力》始于1978年，创刊于1981年，中国核心期刊，中国土木工程学会燃气分会会刊。筛选燃气供热行业最有价值的技术信息，新闻分类整理、政策标准、热点讨论、投稿查询、论文检索、写作指导、编委风采、精品会议……

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作 者： 狄鹏，王滨滨，彭学枝，周士钧，戴晓娇，刘金梁

第一作者单位：上海飞奥燃气设备有限公司

摘自《煤气与热力》2021年11月刊

1    概述

传统燃气 调压站 配套的控制器功能主要为压力监测和温度监测，经过智能化发展，飞奥数字式智能调压站控制器（以下简称智能控制器）结合数字式传感器，实现了超低功耗的性能要求，同时能完成各种信号检测判断，还可根据阀位的实时监测，通过算法间接计算出瞬时流量，这些监测到的信号及数据会根据设定周期定时发送至网络云平台端。在装机前，需对智能控制器及配套监测系统功能的稳定性及可靠性进行全面检验。

 

2    智能控制器的主要功能

 

①压力及温度实时监测功能。常规调压站配备有主路和备用路调压器，因此需配置多路压力监测系统，通过低功耗数字式压力传感器采集管道压力。调压器出口温度会有一定变化，需要实时监控，通过低功耗数字式温度传感器采集管道温度。

 

②调压器实时阀位监测功能。需对主路和备用路调压器的阀位进行监测，通过低功耗数字式位移传感器采集调压器内部盘片位置。

 

③间接流量计算功能。采用数字式位移传感器检测到的阀位信息，以及数字式压力传感器检测到的进出口压力，基于上海飞奥自主知识产权的算法，计算出当前的流量。

 

④常规报警及数据上报功能。报警功能主要有主路压差报警、备用路压差报警、主路阀切断报警、备用路阀切断报警、泄漏报警以及门禁报警。智能控制器会实时监控调压站的健康状况，遇紧急状况会执行两个动作，报警信息会立即上传至云平台端，数据管理中心大屏幕会将报警位置红色标记，并显示该调压站的监测数据，同时报警信息会通过 4G 模块发送短信至区域维护责任人，以便责任人在最短时间内做出反应，及时对问题进行处理。

 

⑤调压控制功能。在用气高峰时段，希望调压器出口压力有所增大，而在用气低谷时段压力可以适当降低。智能控制器需要根据不同的时段预先设置压力值，然后通过开启或关闭电磁阀调节调压器的开启程度，使出口压力在设定范围内。

 

3    智能控制器各功能的测试方案

 

①压力与温度监测功能测试方案

 

搭建的测试环境需要模拟出尽可能多的工况，确保后续产品安装到现场能长期可靠运行。

 

智能控制器配套的压力传感器为数字式低功耗传感器，供电电压为 DC 2.7 ～ 3.6 V ，静态电流在 2 μ A 以下，测试精度在 0.3% 以内，防爆等级达到 Ex ia Ⅱ C T6 级别。在中低压调压站中，进口压力传感器量程为 0 ～ 0.6 MPa ，出口压力传感器量程为 0 ～ 10 kPa 。为了测试传感器的精度是否在要求范围内，我们选用了 GE6000 系列的智能压力控制器，提供双路稳定的压力输出。根据传感器的量程，压力控制模块尽量选用与之匹配的量程，这里选用量程为 0 ～ 1 MPa 和 0 ～ 20 kPa 的压力控制模块，模块精度控制在 0.02% 以内。待测压力传感器安装在定制的测试工装上，可满足一拖四路、一拖六路或一拖八路压力传感器的测试。

 

考虑到压力传感器的使用工况，需要模拟出不同的温度环境，以验证压力传感器内部的温度补偿是否合格。因此，要配置一台高低温试验箱，测试压力传感器在 -25 ～ 65 ℃条件下压力输出的稳定性。常规测试有两种： a. 持续高温或低温测试。高温测试时，将高低温试验箱内的温度升至 65 ℃，然后放入待测压力传感器，接好燃气管路（以下简称气路）及数据线缆，在该温度下连续测试 16 h ，记录测试时段内的压力曲线；同样在低温测试时，记录高低温试验箱内温度为 -25 ℃时，压力传感器持续测试 16h 的压力输出曲线。要求整个测试过程，测试数据符合压力传感器设计精度 0.3% 。 b. 温度交变试验。按照高低温试验箱内的温度分别为 -25 、 -10 、 0 、 20 、 40 、 65 、 40 、 20 、 0 、 -10 、 -25 ℃的顺序对待测压力传感器进行测试，每个温度保持 2 h ，要求各温度下的数据全部符合压力传感器设计精度 0.3% 。压力传感器的数据通过 I2C 协议，按照预先设定的 2 s 一次传输至智能控制器，智能控制器定时将收到的压力数据通过 4G 模块上传至网络云平台，从而实现远程监控功能。

 

智能控制器配套的温度传感器为数字式低功耗传感器，供电电压为 DC 2.7 ～ 3.6 V ，静态电流在 2 μ A 以下，测试精度在 0.3% 以内，防爆等级达到 Ex ia Ⅱ C T6 级别，可满足 -40 ～ 100 ℃的宽量程测试。考虑到传感器允许误差仅 0.42 ℃，高低温试验箱内部的温度均匀度无法达到测试要求，因此采用精密恒温槽来提供恒定的温度，温度波动绝对值可控制在 0.05 ℃以内。通过简易的支架，一次可挂载 4 个温度传感器同时进行测试。数据传输与压力传感器流程相同，按照预先设定的参数进行数据上传。

 

②调压器实时阀位监测功能测试方案

 

为模拟实际阀位状况，需搭建一个阀位控制气路，调压器进行特殊加工，上盖预留多个传感器安装孔，用于安装数字式位移传感器，被测数字式位移传感器可同时安装，均布在内侧圆形盘片上。当调压器阀芯动作时，带动数字式位移传感器探头上下运动，实时监测数据通过传感器线缆传输至智能控制器。

 

③间接流量计算功能的测试方案

 

结合调压器实时阀位监测功能，智能控制器具备流量计算功能，此功能涉及一套完整的算法，集成在智能控制器的固件内。为测试该功能是否达到设计指标，需要一个准确的参考值，此处选用飞奥生产的 TGM-Q 系列流量计，该型流量计精度等级达 1.5 级，具有体积小、工作稳定等优点，表体长度与口径比近 1.5 ∶ 1 。流量计的实测流量通过 485 接口传输给智能控制器。智能控制器又根据接收到的阀口开度等数据，计算出流量（称为间接流量）。自动化测试平台读取智能控制器上的实测流量和间接流量，计算间接流量的相对误差，如果在控制范围内，则判定合格。目前间接流量相对误差可控制在 8% 以内，后续间接流量算法还会不断优化，提升准确度，最终实现相对误差控制在 5% 以内。

 

④常规报警及数据上报功能的测试方案

 

智能控制器具备 6 种常规报警功能。现场使用时，报警信号输出均为开关量，因此只要用继电器模拟 6 个开关量信号传输至智能控制器，同时监测反馈数据即可。如果将某个报警信号开关量传输至智能控制器，没有监测到相应反馈，则判断该路功能异常。数据上报（上报内容和上报频率等）是根据程序设定的规则来执行。

 

⑤调压控制功能的测试方案

 

智能控制器自动调压功能的实现通过控制调压器前方两个气包的电磁阀通断来实现，实验室只要模拟出 4 个电磁阀的准确通断即可，不必搭建过于复杂的气路，因为机械结构部分已通过量产的验证。自动化测试系统会模拟发送相关信号，控制电磁阀的动作，通过反馈信号来判断动作是否已执行，从而完成调压功能的验证。

 

4    整体自动化测试系统的实现

 

自动化测试系统实现了自动模拟测试数据环境、自动执行测试过程、验证测试结果、生成测试报告并自动发送的功能。采用持续集成全自动化测试，从检出代码、编译构建、运行测试、结果记录到测试统计等均为自动完成，全程无需人工干预，减少重复过程以节省时间、费用和工作量；解决了手工测试的低效率和高失误率问题。自动化测试系统连接见图 1 。在 PC 端使用 Python 语言进行自动化测试程序开发，在程序中通过 RS232 或 485 通信控制各硬件测试设备的参数值和连接状态，以模拟真实使用环境。同时智能控制器通过采集各类传感器数据来显示当前系统状态及计算流量数据。自动化测试系统可测试不同温度、压力、阀位等环境下智能控制器对当前数据的计算、输出和性能表现。

 

图 1    自动化测试系统连接

 

①参数设置与采集

 

在 PC 端的测试程序按照测试用例的设计，通过 485 或 RS232 通信对恒温槽温度、智能压力控制器输出压力以及阀位控制气路电磁阀状态等参数进行设置与读取（设置与读取是同步过程，需要读取以验证设置的正确性）。智能控制器通过 I2C 通信，获得温度传感器、位移传感器、压力传感器采集的数据作为当前温度、压力和阀位。

 

②数据计算与验证

 

PC 端测试程序应用内部协议，通过串口对智能控制器当前温度、压力、阀位等数据进行采集。将设置值和采集值对比，验证智能控制器数据采集的正确性。对采集数据按行业计算公式计算出瞬时流量值，与智能控制器输出的瞬时流量值对比，验证智能控制器输出的正确性。

③状态模拟与验证

 

智能控制器支持系统状态和阈值的报警，自动化测试系统设置各测试设备的参数值达到阈值， PC 测试程序读取智能控制器的系统状态和抓取网络云平台端的报警状态，验证是否有阈值报警。系统的异常状态也将通过继电器开断模拟信号来测试。

 

④网络云平台交互与数据分析

 

网络云平台端可以对数字调压站的设备进行有效管理、监控、数据收集。智能控制器将本地数据及状态上报到网络云平台端，云平台端可以将各类参数配置下发给智能控制器。自动化测试系统在规定时间利用 Seleium 技术抓取网络云平台端数据，并对数据进行有效分析，以验证交互和显示的正确性。

 

⑤代码持续集成优化

 

使用开源 Jenkins 平台持续集成优化代码，当新固件代码提交后，自动触发客户机下载并为智能控制器烧录新固件代码，此外，自动触发测试程序运行，按照测试程序设计的测试用例对新固件代码进行验证与测试。测试完成后，自动生成新固件代码测试报告，及时发送给代码开发人员及测试人员，同时将测试结果标识给代码审核服务器，将新固件代码归档到服务器。通过代码持续集成优化，确保自动化测试系统功能不断完善。

 

⑥测试报告自动生成并发送

 

自动化测试系统在被触发后，自动执行测试过程，生成含有时间、版本、平台地址、测试人信息、测试内容及结果等信息的 HTML 格式的智能控制器及配套监测系统测试报告，并将测试报告发送到指定的邮箱或服务器。

 

5    结语

 

数字调压站智能控制器自动化测试系统实现了测试过程的自动化，提高了测试效率，避免了人为因素造成的测试数据偏差，测试记录及测试报告由电脑自动生成，全程无纸化操作，促进绿色制造的发展。

 

（本文责任编辑：林国真）

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