（信号与信息处理专业论文）基于modbus的数据采集系统的研究与设计.pdf

稳定、经济、安全的能源供给系统，能够支持经济社会的可持续发展，电力能源作 为与社会经济和人们生活密不可分的能源，其特点是生产和供给过程的连续性，这就要 求发电机组能够长时间安全可靠地运行和工作，以达到保障我国电力能源的安全供应的 目的，并有效促进我国经济的长期增长。 针对电力系统运行设备种类繁多，电厂工作环境恶劣等问题，需要对这些设备进行 实时监控，以保证电厂的全天候持续正常运行。由于电力设备运行时所需监测对象位置 分散且数量较多，目前电厂大多都采用集散控制系统实现对温度、压力、流量等热工参 数的监测。本文针对上述问题，研究设计了一个基于m o d b u s 协议的电厂数据采集系统， 以便对电厂中的多个测量点进行数据采集，并把数据以通信方式传送给集散控制系统， 以达到对整个电厂的进行实时监控的目的。 论文讨论了课题的研究背景和选题依据，分析了目前国内外数据采集系统的研究现 状以及数据采集系统的信息化、数字化、网络化的发展趋势；在介绍电厂集散控制系统 的基础上，又对m o d b u s 的协议作了较为详细的讨论；完成了以控制器为中心的数据采 集系统的硬件设计和软件实现，并通过总线以m o d b u s 协议方式进行通信，该系统可以 监测的参数类型基本覆盖了电力系统现场所需监控的参数。 最后对数据采集系统进行了实际测试，实验结果表明该系统的测量精度满足设计要 求。本文设计的基于m o d b u s 的数据采集系统目前已在电厂中得到应用，为电厂数据的 实时采集与控制提供了一种实用的联网技术，并切实提高了数据采集系统的精确性和稳 定性，对数据采集系统的发展起到了推动和促进作用。 关键词：数据采集；m o d b u s 协议；实时监测；集散控制系统；r s 4 8 5 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es t a b l e ，e c o n o m i ca n ds e c u r i t ye l e c t r i ce n e r g ys u p p l ys y s t e mc a i ls u p p o r ts u s t a i n a b l e e c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n t a sa ni n s e p a r a b l ep a r to ft h es o c i a le c o n o m ya n dp e o p l e s l i f e ，t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ee l e c t r i ce n e r g yi sc o n t i n u o u si ni t sp r o d u c t i o na n ds u p p l yp r o c e s s ， w h i c hr e q u i r e st h eg e n e r a t o r sl o n g - t i m es a f e l ya n dr e l i a b l yw o r k i n g t h e ni tc a ng u a r a n t e et h e s a f e t ys u p p l yo fe l e c t r i ce n e r g y ，a n dc a r le f f e c t i v e l ys u p p o r tc h i n e s el o n g 。t e r me c o n o m i c g r o w t h a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m sa b o u tv a r i e t yo p e r m i o ne q u i p m e n t sa n d h a r dw o r k i n g c o n d i t i o n si nt h ep o w e rs y s t e m ，w en e e dr e a l - t i m em o n i t o r i n go ft h ee q u i p m e n t s ，t oe n s u r e t h en o r m a lo p e r a t i o no fp o w e rp l a n tc o n t i n u e dd a y sa n dn i g h t s b e c a u s eo ft h en e e d m o n i t o r i n gp o w e re q u i p m e n t sb e i n ga l w a y si nd i s p e r s ep o s i t i o n s ，c u r r e n t l ym o s tp o w e rp l a n t s r e a l i z et h em o n i t o ro ft e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，f l o wr a t ea b o u tt h e r m a lp a r a m e t e r su s i n gt h e d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m i nv i e wo ft h ea b o v ep r o b l e m s ，w ed e s i g n e dad a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mb a s e do nm o d b u s u s e di np o w e rp l a n t s ，i no r d e rt oc o l l e c tt h em u l t i - p o i n td a t a si nt h e p o w e rp l a n t s ，a n dt h ed a t a sa r et r a n s m i t t e dt ot h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，m o n i t o r i n gt h e w h o l ep o w e rp l a n ta ta 1 1t i m e w ed i s c u s sr e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds u b je c tf o u n d a t i o n ，a n da n a l y s et h ed a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m sa n dt h e i rr e s e a r c hs t a t u sb o m a th o m ea n da b r o a d ，a n dt h ei n f o r m a t i z a t i o n ，d i g i t a l a n dn e t w o r k e dd e v e l o p m e n tt e n d e n c yo ft h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m s b a s e do nt h e i n t r o d u c t i o no ft h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mi np o w e rp l a n t s ，w ea l s oi n t r o d u c tt h em o d b u s i nd e t a i l w ef i n i s hh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r er e a l i z a t i o no ft h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m w i t hc o n t r o l l e r , a n dc o m m u n i c a t et h r o u g ht h eb u sw i t hm o d b u s t h i ss y s t e mc a nm o n i t o r m o s tt y p e sp a r a m e t e r sc o v e r i n gt h eb a s i cg e n e r a li n d u s t r yr e q u k e dm o n i t o r i n g f i n a l l y ，t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mt a k et h ea c t u a lt e s t i n g ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a tm e a s u r e m e n tp r e c i s i o no ft h es y s t e mm e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t h ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nm o d b u sc u r r e n t l yh a sb e e nu s e di np o w e rp l a n t s ，a n dp r o v i d e s p r a c t i c a ln e t w o r k i n gt e c h n o l o g i e sf o rr e a l t i m ec o n t r o lo f d a t aa c q u i s i t i o ni nt h ep o w e rp l a n t s ， e n h a n c i n gt h ea c c u r a c ya n dt h es t a b i l i t yo f t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，g i v i n gd e v e l o p m e n to f d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mp r o m o t i n ga n de n h a n c i n ge f f e c t k e y w o r d s ：d a t ac o l l e c t i o n ；m o d b u sp r o t o c o l ；r e a l t i m em o n i t o r ；d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m ；r s 一4 8 5 i i 目录 目录 摘要享i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景和意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 课题的主要工作。4 第二章电厂环境下的集散控制系统。7 2 1 集散控制系统：7 2 1 1 电厂集散控制系统7 2 1 2 冗余网8 2 2 数据采集系统。9 2 2 1 远程i o 9 2 2 2d p u 与数据融合10 2 3m o d b u s 协议概述1 3 2 3 1m o d b u s 协议简介1 4 2 3 2m o d b u s 协议工作原理1 4 ? 扎 2 3 3m o d b u s 网络架构：15 娩戳7 2 3 4m o d b u s 传输模式：1 6 2 3 5m o d b u s 协议的消息帧1 7 2 3 6m o d b u s 错误校验方法o l8 2 4 本章小结18 第三章数据采集系统的硬件设计1 9 3 1 工作环境及系统要求。1 9 3 2 数据采集工作原理及总体设计：2 ：- j ：一1 9 3 3 系统硬件电路组成及各部分工作原理2 1 3 3 1 数据采集板电路2 2 3 3 2 放大电路与转换电路2 5 3 3 3r s - 4 8 5 串口电路与接口标准2 8 3 4 系统的抗干扰措施2 9 3 5 本章小结3 0 第四章数据采集系统软件设计31 4 1 系统软件设计3 1 4 1 1 初始化程序3 2 4 1 2m o d b u s 通信模块3 4 4 2 数据处理及相关软件设计3 5 目录 4 2 1 最小二乘法3 5 4 2 2 分段线性插值法：3 6 4 3 本章小结3 9 第五章数据采集系统误差分析及运行测试4 1 5 1 误差分析相关理论4 l 5 1 1 误差的来源4 1 5 1 2 误差的分类4 1 5 1 3 误差传递及合成4 2 5 2 系统误差分析及修正4 3 5 3 运行测试结果4 4 5 4 本章小结4 8 第六章论文总结与展望5 1 j l 筻谢5 3 参考文献5 5 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文。5 9 i l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 为了满足低碳绿色生活的要求和社会发展的需要，必须要保证电力系统的可靠性、 安全性、经济性、高效性、以及环境友好和使用安全，因此，电厂运行的安全性、可靠 性的研究理所当然成为热点之一。在电厂的各个工作环节中，各种数据信号的采集工作 可以说是最基础、最关键和最重要的环节，采集到的数据的精确性、可靠性和实时性是 否能达到要求是监测电厂是否正常工作的衡量标准和重要保障。在电厂设备运行过程 中，需要进行监测的数据类型包括温度( 发电机线圈温度、汽轮机、锅炉汽包壁温度、 发电机定子温度等) 、压力、烟气含氧量和飞灰含碳量、球磨机负荷等热工参数。这些 数据是用来监测电厂各项工作正常运行的重要依据，能够给工程师提供重要的参数信 息。所以本文所设计的数据采集系统，在检测和保证电厂的安全正常运行的工作中起到 关键作用，成为电力系统必要的组成部分，在电厂工作中发挥着重要的作用。 作为与社会经济和人们生活密不可分的电力生产系统，其特点是过程的连续性，这 就要求发电机组能够长时间安全可靠地运行和工作。伴随着计算机技术与自控技术的迅 速发展，集散控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 已经被广泛地应用到大中型发 电机组，这样一来就大大减轻了操作人员的工作强度，使整个机组的可靠性得到了提高。 但是，对工作人员的操作技能和工程师的技术水平也有了更高的要求。 新时代电厂的发展己经步入了机遇与挑战并存的关键时期。首先，电力系统必须面 对严峻的资源和环境压力，实现大范围的高效资源优化配置，提高全天候持续运行能力， 满足能源结构调整的需要，适应电力体制改革，以达到可持续发展和绿色发展的根本目 的；其次，发电、输电、配电的信息化技术的发展与进步给解决这些问题提供了强有力 的技术支持。因此，智能电力系统成为现代电力工业发展的必由之路，而作为智能电力 系统的基础部分，发电厂的数据采集研究与设计的发展更是蒸蒸日上。 作为现代信息科学技术的分支之一，数据采集技术和传感器技术、信号处理技术及 计算机技术是现代测试技术的重要组成部分。当今社会信息、计算机及通信技术的快速 崛起，使得信息的处理能力、储存能力、传输通信能力日益强大【l 】。而所有监测和监控 系统的关键在于有全面、有效、精确、可靠的数据采集和数据输入，因此数据采集就是 整个大的电力系统中最基础、最重要的一个环节之一。随着测试技术突飞猛进的发展， 数据采集技术开始广泛地应用在社会经济、军事国防和科学实验等特殊领域。对于电力 行业中所采集的数据类型中，温度、压力、流量等类型的数据采集的实时性和可靠性是 非常重要的，如果数据采集系统性能不稳定，可能会导致这些数据信号的误差，情况严 重时有可能导致机组发生事故甚至停机，这对于机组的寿命及电力系统的安全都会造成 严重的影响。电厂工作现场的运行环境是非常特殊的，因此提高数据采集的准确性和可 靠性是一项非常紧迫的工作。数据采集是监测和监控电厂各项工作和各部分设备正常运 转的重要手段和方式之一。 江南大学硕士学位论文 现代科学技术的日益快速发展，带动了数据采集技术的不断发展，数据采集技术在 数字显示仪表、现场采集等领域有着广泛的需求，数据采集的主要技术指标如分辨率、 速率、控制方式、精度和抗干扰能力等有了很大的进步【2 】。很多时候数据采集系统的应 用场合是工业现场，工作过程中的参数如压力、温度等往往数量较大，并且所处位置常 常是零散的，所以需要对这些数据先进行采集，然后进行数据处理。数据采集系统就是 将现场模拟信号通过a d 转换变成数字信号，再传送给计算机。 数据采集系统d a s ( d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ) ，其基本任务是把模拟量转化为数字 量，然后传送给d c s 系统，再由d c s 系统对数据作进一步的处理、显示、传输和记录。 通常在电力、军事、通信和航天等领域里，现场数据的重要特点是实时性较强，特别是 在一些实时性、精确性要求高的场合，需要通过数据采集设备尽可能获得比较精确可靠 的现场数据信号，从而为现场各类设备的正常运行提供基本的参考数据。 对于数据采集系统过程中的被采集对象，往往都要由转换元件将待检测的参数转换 成一个能够被检测的信号，然后把可检测的信号送到i o 模块中进行下一步处理。设计i o 模块使其直接就能够接收现场采集的电压、电阻、电流等信号，再交给c p u 来处理通过 a d 转换得到的数字信号。在d a s 系统中，与计算机的通讯接口可以是标准接口，数据 统一由计算机处理。在硬件的具体要求和结构独特设计方面，d a s 系统的配置过程要尽 量满足客户提出的需求，全面考虑各方面要求。 由此可见，研究电厂的现场数据采集技术和流行的现场总线技术，可以有效地提高 我国电力行业数据采集的实时性和精确性，还能提高装置的自动化水平程度，对于提高 我国电厂的劳动生产率和推动社会经济发展具有重大意义。 1 2 国内外研究现状 数据采集系统起始于2 0 世纪5 0 年代，首先是在1 9 5 6 年，美国军方在测试系统中 进行研究并使用，目标是测试过程中不依赖于有关文件的非技术人员，由他们来操作测 试设备，而测试任务却是自动进行并完成的。这种灵活性较好的采集系统，可以完成传 统方法所不能完成的任务。国际市场上6 0 年代开始慢慢有整套数据采集产品出现，并 逐渐流行，这个时期的出现的一般是专用设备和专用系统。 7 0 年代末，伴随着计算机的发展，出现了采集设备、仪表设备与计算机等结合在一 起的数据采集系统。正因为性能优异的数据采集系统，比传统的自动检测仪器仪表和专 用的数据采集系统更优越，所以得到了极大地发展。从7 0 年代开始，采集系统的发展 渐渐产生两大分支，一个是实验室数据采集系统，其数据总线大多是并行的；另一个是 工业数据采集系统，其数据总线大多是串行的。 2 0 世纪8 0 年代，计算机技术的普及给数据采集系统带来了很大的发展空间，这时 候自动化测试系统和通用数据采集系统开始出现。此时的数据采集系统有两大类，第一 类是由仪器仪表、采集设备、通用接口总线( 如国际标准i c e 6 2 5 ( g p i b ) ) 和计算机等 组成的，它主要在实验室中使用，在工业场合应用的很少。第二类是主要由采集卡、总 线以及计算机等组成，比如s t d 总线系统。第二类系统的接口对应的接口卡一般放置 2 第一章绪论 在特定的机箱里，并由计算机来进行控制操作，它被较多地应用于工业控制领域。这类 系统比专有系统具有更好的灵活性，使用起来很方便。到8 0 年代末，数据采集系统已 经是另一个崭新发展和变化，此时工业计算机，微控制器和集成电路结合在一起，并利 用软件进行管理控制，降低了整个系统的成本，减小了体积，增加了功能，大大提高了 数据处理能力。 9 0 年代以来，在军事、航空电子及工业等领域数据采集技术得到了广泛的推广及 应用。随着i c 技术的逐渐成熟，单片采集系统以性能好、功能可靠的优点出现在人们 的视线中。数据采集系统中某些产品采集的速度可超过几十万次每秒，有的采集精度为 十六位。作为工控领域的专用技术，数据采集技术得到了广泛的应用和更好发展。 此时，并行数据采集系统开始向高速化、模块化和即插即用的方向发展，比如，典 型的并行总线系统有p c i 总线，由于价格问题，在自动化领域并行总线系统并没有得到 普及和广泛的应用。 串行数据采集系统的发展方向开始向分布式和智能化转变。物理层采用了双绞线和 r s 4 8 5 等通信介质，所以提高了系统可靠性，完善和发展了通信技术。局域网等技术 的突飞猛进发展，使车间层、管理层和底层设备都可以通过网络连接起来，还能够有效 地把多个数据采集设备连在一起，实现生产流程上的实时采集与监控。 人类社会已经迈入日新月异的信息时代，当务之急就是如何真实、迅速地了解和处 理各种信息。随着信息社会的现代科学和科技的发展，传感器和仪表等重要设备迅速发 展，并占据了非常重要的地位。一直以来，西方国家都特别重视传感器和数据采集技术 发展，中国在八十年代开始重视数据采集技术和传感器技术的发展，在国家的“九五 ， “十五”和“十一五国家重点科技攻关计划和“8 6 3 ”项目中，连续把仪器仪表技术 作为重点攻关的技术。在2 1 世纪，传感器和仪器仪表应用领域扩展的非常快。由1 9 9 3 年的1 3 0 亿美元，到2 0 0 0 年市场规模达3 4 3 亿美元。传感器的市场前景十分可观，在 国民经济中越来越起到重要的作用，很多国家已经制定了自己的传感器的发展战略，向 多功能、小型化、智能化和网络化方向拓展。 世界上第一个生产现场控制( p l c ) 和主机的通信协议的m o d b u s 早在1 9 7 8 年就由 施耐德电气公司的m o d i c o n 产品推出面世，成为实际应用中的开放、可靠、简单的工业 标准协议1 4 j 。第一个工控网络的m o d b u sp l u s 在1 9 8 9 年推出，它实现了数据传输的高速 性、实时性和对等性。随后推出的m o d b u sp l u s 具有冗余功能，数据传输系统的可靠性 随之得到了大大提高。 一 7 0 年代以来，随着以太网的出现，工控总线有了较大的发展，通信速率可达1 0 0 m 、 1 0 0 0 m ，甚至1 0 g 。开放统一的以太网标准( 即i e e e 8 0 2 3 系列) ，有成熟的技术，得到 许多的厂商的支持，使得以太网产品相对来说比较便宜，并且不同制造商的产品能够轻 松互联，以太网和互联网的连接也很容易，目前正处于一个快速发展的关键时期。由于 以太网技术比较成熟，成本低，开发工具丰富并有技术支持，还能实现和i n t e m e t 无缝 连接，人们提出不仅把以太网技术的应用在信息层，还要将其扩展到工业控制层和设备 层。 江南大学硕士学位论文 为了适应互联网技术和i t 技术的飞速发展的趋势，施耐德电气推出了首个开放的 工业控制的以太网的m o d b u s 、t c p i p 协议，它采用了广泛使用的t c p i p 技术，底层 协议采用开放的m o d b u s 协议，把工业数据采集、控制网络和i t 网络真正地实现了三网 融合，进入了工业控制领域的新境界，用户摆脱了多种行业的工业数据采集和控制网络 约束与b 艮n t 5 , 7 】。 在确定性，速度等方面的提高，使以太网能够满足工业控制中的应用，可以很好地 完成现场总线的通信功能。随着交换式以太网技术的出现，以太网的确定性大大增加。 利用这种技术，可以把大网络转化为若干个相对独立的冲突域，冲突只发生在一个相对 较小的区域，这样冲突就很少出现了。以太网将会是数据采集和控制网络的最佳解决方 案，它适用于现场控制网络设备控制层。 目前，数据采集系统正向信息化、数字化、网络化、智能化方向发展，具有以下特 点： ( 1 ) 典型的模块化结构。硬件部分的设计，可以由不同的功能模块构成整个系统； 软件部分，可根据硬件来设置通用的支撑结构软件，或根据被测对象的具体要求修改对 应模块的参数设定值及程序。数据采集系统脱离与被采集对象一一对应的关系，变为通 用的独立设备。数据采集系统不再是一个与采集对象相匹配的集合，已经能够当作是独 立的通用设备。 ( 2 ) 主要依靠软件实现数据处理功能。不同的测量对象，只需根据功能要求在软件 设计上给出对应的算法、处理程序和参数设定等即可，不必对系统硬件重新设计，节省 了开发新产品的开发成本。 ( 3 ) 与主机及其余设备的通信或控制更容易实现。标准化的通信接口，给数据的传 输带来了更多便利，网络化控制管理继而得到实现，使系统扩展成为可能。 在数据采集系统中，传感器的主要作用是把信号由非电量类型转变成电量类型。文 中的数据采集系统，涉及到的相关传感器类型主要应用在电力系统监测领域。在电力系 统中使用的传感器主要有热电阻、热电偶和用来测电厂各区域的压力、流量等参数信号 的传感器( 通常已由变送器变换为4 2 0 m a 电流输出) ，以及各种开关量的输入、输出。 1 3 课题的主要工作 ( 1 ) 首先分析了课题的研究背景和选题依据，然后给出了课题的国内外研究的现状 及发展前景。然后介绍了集散控制系统的发展过程和未来趋势，掌握了电厂集散控制系 统的特点、结构组成和相关的应用。 ( 2 ) 对各种总线进行了阐述，并说明了它们适合的应用场合，重点介绍了m o d b u s 协议的相关知识，如协议功能、协议的两种传输方式以及错误校验方式等。本系统主要 采用m o d b u s 协议，完成数据采集前端与分散控制单元( d p u ) 之间的数据通信。 ( 3 ) 结合电厂的特殊环境以及数据采集系统在电厂中的重要性，进行集散控制系统 下的数据采集前端的整体设计，其中包括硬件和软件的具体设计，并且对其进行了可靠 性研究与分析。 4 第一章绪论 ( 4 ) 进行了电源电路、数据采集板电路、v f 转换电路、微控制处理电路、r s 4 8 5 串口电路五大模块设计以及整个系统线路的设计、制板、调试；然后通过软件的设计实 现采集系统的主要功能，并利用分段线性插值法完成数据的相关处理；最后应用于实际 现场。 ( 5 ) 在完成软硬件设计的基础上，对系统数据测量的结果进行误差分析并修正，使 数据的测量精度小于0 1 ，满足系统设计要求。 。 5 江南大学硕士学位论文 6 第二章电厂环境下的集散控制系统 第二章电厂环境下的集散控制系统 2 1 集散控制系统 2 1 1 电厂集散控制系统 集散控制系统( d c s ) 又叫分布式计算机控制系统，是通过计算机技术来完成工业 生产中的控制、监视、操作、管理等操作的先进的控制技术。d c s 系统有较强的通用性， 在系统配置，控制功能，数据处理，显示操作，人机界面等方面由自己独特的优点。电 厂集散控制系统的结构框图如图2 一l 所示： 图2 - 1d c s 系统应用于电厂中 f i g 2 - 1d c ss y s t e mu s e di np o w e rp l a n t s 电厂集散控制系统是以微处理器为核心的控制功能分散、操作集中的工控系统，系 统的结构是分散递阶形式的，基于集中操作、分散控制的原则，把电力系统中各个设备 的功能进行分散化处理，作用是分散系统运行风险，优点是控制能力强、操作管理简便 方便并且可靠性较高等。电厂集散控制系统作为一种新型的系统，它既不等同于分散仪 器仪表的控制系统，也不等同于集中形式的控制系统。d c s 系统的每个子系统能分工协 调并独立进行工作，通过网络完成的数据交换，同时共享系统公共软硬件资源【l 们。目前， 工业领域及电力系统的快速发展与进步，大量超临界机组开始逐渐投入运行和使用，对 电力工控系统的可靠性和稳定性要求也越来越高。 电厂集散控制系统中的远程i o 设备，实际上就是由电力系统网络联系起来的多测 量点或p l c 设备，可以把传统的集中处理工作和控制功能下放转移到工业现场，实现了 集中控制与管理，降低了成本，这样能够将风险分布到电力现场的每个测量点，最大程 度地减少了风险。本文所提到的数据采集系统就是在电厂集散控制系统下的一个测量前 端，是d c s 系统的一个重要组成部分。 由于d c s 系统的安全性好、可靠性高和技术成熟的特性，使其在电力、化工和制药 等行业得到了广泛的推广和应用【1 3 1 。在d c s 系统中，通常可以采用m o d b u s 协议进数据 7 江南大学硕士学位论文 通信。本文所设计的数据采集系统就是基于m o d b u s 协议的，m o d b u s 协议是由m o d i c o n 公司出品的工业领域通信与分布控制的协议，目前被广泛用在工控领域和电力系统等行 业。数据采集系统一般由两部分组成：分散控制器( d p u ) 和远程i o 。这两部分之间 利用m o d b u s 协议进行数据通信。 d c s 系统的特有的结构形式有如下特点： ( 1 ) 大系统。工业现场的每个仪表都点对点地接到i o ，并通过控制站挂到局域网上， 构成整个d c s 树状拓扑系统。 ( 2 ) 可靠性。d c s 系统的可靠性的保证技术很多，有冗余容错、在线诊断、软件恢 复等技术。通过网络连接，各控制器分别独立完成规定任务，控制功能分散使危险分散， 系统的可靠性较强。采用冗余容错、带电插拔、在线诊断、软件恢复、电磁兼容等可靠 性保证技术，各控制器通过网络相连，各自独立自主地完成规定任务。控制功能与负荷 分散，危险分散，使系统具有较强的可靠性。 ( 3 ) 实时性。通过i o 接口对被采集对象进行实时的数据采集、处理和操作控制。 ( 4 ) 开放性。d c s 采用标准化、系列化和模块化的设计，系统的开放性更好。当系 统功能需要更改时，可连入通信网络或从网络中卸下，对其他控制器的影响几乎没有。 ( 5 ) 协调性。控制器之间协调工作，通过网络传递各种系统信息，完成系统功能和 优化，实现整个系统信息共享。采用实时、安全、可靠的工控网络和通信协议。 电厂集散控制系统主要由分散处理单元( d p u ) 和工程师站等构成，d p u 可以实现各 种先进的控制策略，完成数据采集和数据处理等功能；工程师站除了进行控制系统组态 外，还可以实时查看d p u 的运行情况，监视变量的值以及调试控制逻辑。d c s 系统下的 数据采集系统主要通过传感器完成对采集对象的数据采集，最后通过m o d b u s 协议传送 给d p u 。 在d c s 系统中，冗余网在数据传输过程中发挥着重要的作用，保证了数据的及 时传送和通信及时准确，提高了通信的可靠性，防止数据的丢失。 2 1 2 冗余网 冗余网( a 网和b 网) 的作用是在a 网( 或b 网) 发生通信故障时，保证电力系统能 快速地自动切换进入b 网( 或a 网) 继续工作，切换速度要迅速，这样才能保障控制与 保护运行功能不丢失或者延迟。 工业控制对通信网络的可靠性与实时性的要求随着环境的不同而不同，电厂工控中 的d c s 系统对网络通信的实时性和可靠性的要求比较高【1 5 1 ，所以本文所提到的数据采 集系统对通信的要求比较高，在些场合采用冗余网进行相关通信。冗余网是应用于过 程控制上而对通信的实时性和可靠性要求较严的场合，所以电力集散控制系统中采用双 网冗余以太网。 冗余网的操作员站和分布式控制单元通过a 或b 网的任何路径进行通信，同样两 者之间点到点也可以经过任意路径进行通信。在没有故障出现的情况下，系统通过a 网 和b 网中的任一网进行通信；当其中一个网络无法正常通信时，剩下的一个网络可以完 全承担整个d c s 系统的通信工作。 8 第二章电厂环境下的集散控制系统 冗余网的使用提高了电厂数据通讯的安全性和可靠性。d p u 与数据采集前端之间采 用m o d b u s 协议进行接口串行通信，它们之间的通信网络结构也是冗余的。 2 2 数据采集系统 数据采集系统主要包括测量对象、传感器、远程i o 设备和d p u 等，并通过冗余 通讯总线完成数据的传输和交换，数据采集系统的主要组成部分见图2 2 。以下是对这 几个部分的详细介绍。 匝习固m 锄匹 图2 - 2 数据采集系统的主要组成部分 f i g 2 - 2t h em a i nc o m p o n e n t so ft h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 本设计的数据采集系统中所用到的传感器主要应用在电力系统相关监测领域。在电 厂中使用的传感器主要包括热电阻、热电偶等温度传感器，以及用来测电厂各区域的压 力、流量等参数的信号( 通常己由变送器变换为4 - 2 0 m a 电流输出) ，以及各种开关量的 输入、输出【8 ，9 】。 2 2 1 远程i o 简单的讲，远程i 0 就是具有通信功能的数据采集传送模块，自身没有控制调 节功能，只是将现场数据送到控制中心，或者接受控制中心的数据，对现场设备 进行控制 1 6 - 2 0 】。电厂集散控制系统中的远程i o 能将传统的处理和控制功能转移到现场 设备附近，这样不仅能节约成本，还能实现数据的集中控制和管理，在电力系统中越来 越受到重视。电力系统中的远程i o 是将传统的输入输出处理和控制功能分散布置到现 场设备附近，以通讯方式进入d c s 系统。本文所设计的数据采集前端就是典型的远程i o ( 数据测量点) ，现场通讯总线采用数字化通信方式，数据集中监视和控制。电厂中远 程i o 具有以下特点： ( 1 ) 地理位置分散性 远程i o 分散性地布置在电力系统现场，对信号完成现场采样并处理，完成v f 转换、 数据处理、滤波等工作，还可对热电偶的测量进行冷端温度补偿，在功能与结构上真正 地实现了分散化控制和处理。 ( 2 ) 可靠性好 由于是并行且独立工作，远程i o 最大范围地避免了电力系统设备故障的发生，它 利用网络化结构，并形成了一系列标准化的产品，保证了硬软件的功能。另外，电厂远 程i o 可以使用冗余总线作为通信总线，保证了数据传输的可靠性。 ( 3 ) 高精度 电厂远程i o 能够解决以往长距离传输的信号衰减和损失问题，有效地消除了传输 过程中的信号衰减和干扰，提高了抗干扰能力以及测量和控制精度。 远程i o 的作用是控制那些位置远离了电厂集散控制系统的电子设备，如电站设备、 数据采集及综合水泵房等，采用与d c s 的远程控制系统硬件相同的i o 控制器，并且采用 9 江南大学硕十学位论文 可冗余通信总线，因此可靠性得到了保证。对于锅炉和汽轮机金属温度、发电机线圈温 度等的数据采集采用远程i o 通道，通过串行通信进入d c s 系统。采集的所有检测点和控 制点的参数都传送至u d c s 系统，保证了整个数据采集系统安全可靠，系统可靠性高且便 于维护。 电厂集散控制系统的远程i o ( 数据采集前端测量点) 具有精确度高、可靠性好等 优点，可以完成数据信号的采集、线性化、热电偶冷端补偿等功能，减轻了处理器的工 作负担。电力系统远程i o 的硬件性能比较好，其适应的范围越来越大，逐渐代替了传 统的集中式采集，把各电力设备分散到工业现场。电厂分散控制系统真正地实现功能分 散和物理分散，系统故障得到了分散，安全性有很大的提高。电力系统中远程i o 的类 型主要有： ( 1 ) 模拟量输入：4 - 2 0 m a 信号( 接地或不接地) 和1 - 5 v 直流电源输入。 ( 2 ) 模拟量输出：4 2 0 m a 或1 5 v 直流电源，负端接到信号地上( 隔离的) 。同时， 系统需要提供2 4 v 直流回路电源。 ( 3 ) 热电阻输入：能接受c u 5 0 、p t l 0 0 等类型的热电阻的输入。 ( 4 ) 热电偶输入：可以接受分度号为k 、e 、s 、t 、和e a 2 型热电偶信号的输入。 ( 5 ) 数字量输入：针对现场输入接点，系统应提供“查询 电压( 为2 4 v - 1 2 0 v ) ， 负端要接到隔离地上。 ( 6 ) 数字量输出：应进行隔离输出，并通过中间继电器驱动电动机、阀门等设备。 ( 7 ) 脉冲量输入：每秒能接受6 6 0 0 个脉冲。 发电机的线圈、铁心、氢气和冷却水温度，锅炉和汽机的金属温度等辅助测点的采 集检测都可采用本设计的数据采集前端( 即远程i o ) 。 2 2 2d p u 与数据融合 分散控制单元( d p u ) ，是电厂分散控制系统的核心现场设备，实现控制系统和控 制策略的组态。实际上，硬件过程控制站接收现场设备( 如传感器或变送器) 传来的信 号，按照一定的控制策略计算出所需的控制量，并送回到电力系统现场的执行器中去。 分散控制单元通过i o 接口与传感器等相连，实时采集电力系统工作现场的设备参 数，同时经由总线和其他d p u 实现数据的传输交换。d p u 控制并监视控制电厂各个运行 环节，并接收传感器送来的输入信号，计算后把信号传输到控制器，实现控制的目的。 另外，d p u 还负责对已采集的数据进行融合。 数据融合是根据一定的准则，利用计算机技术把多传感器的信息综合进行分析 并处理的过程。目前，利用单个传感器来监测复杂系统的物理量已经不能满足系 统的要求【2 引。所以采用多传感器技术来监测温度、流量、压力等参数，并且把得到的 多传感器信息进行数据融合，提高数据采集监测的精确性和可靠性。利用数据融合对 多传感器信息和人工观测信息进行合理的计算处理，可以提高数据监测的可靠性 和数据采集的准确性。利用多传感器的优点，通过把多传感器信息的合理分析与 处理，把各个传感器的互补及冗余信息通过一定的优化算法或准则来融合，产生 统一的合理性的描述和解释，这就是数据融合的工作原理。图2 3 是数据融合过程。 l o 第二章电厂环境下的集散控制系统 多 数 特融结 传 据 厶 果 感 预 征 口 处 提计 输 器取算出 理 图2 - 3 数据融合的一般过程 f i g 2 3g e n e r a lp r o c e s so fd a t aa g g r e g a t i o n 传感器输出的测量信息不可能是全部的完整信息，多传感器的融合能够更好地融合 多传感器的冗余或互补信息( 在空间上或时间上) ，得到比单传感器更精确的数据测量结 果，有很高的可靠性。数据融合一般可以分为三类： ( 1 ) 像素级：是指对原始数据直接进行融合，是对未作任何数据预处理的综合 分析与融合，这是最低层次的数据融合，通常利用集中形式的融合体系完成数据 的融合处理。 ( 2 ) 特征层：是高于像素级的处于中间层次的数据融合，它的融合过程是对传 感器原始数据提取的特征信息( 如方向、速度等) 进行分析并处理。这种类型的融 合的优点是压缩大量信息，便于数据进行实时性处理，通常利用分布或者集中式 融合体系。特征层融合有两种融合：目标状态和目标特性的融合。 ( 3 ) 决策层：利用不同类型传感器来监测同一对象目标，先由每个传感器对采 集的数据完成预处理、抽取特征、识别和判决等基本处理，并初步得出测量对象 的分析结论，再利用相互关联关系进行数据处理，得到决策层融合的分析结果。 d p u 是主要负责数据融合工作，完成