自动装置及其数据的采集处理

自动装置及其数据的采集处理第一页，共五十二页，2022年，8月28日第一节自动装置的组成微型计算机系统：控制功能单一、简单1.工业控制计算机系统：控制功能要求高、软件任务重2.集散控制系统DCS和现场总线系统FCS：分散的多对象的成套监控3.一、硬件构成形式第二页，共五十二页，2022年，8月28日（一）微型计算机系统定义：把简单的、借助于特定开发平台才能编程的系统定义微型计算机系统组成：传感器、采样保持器、模拟多路开关、A/D转换器。通信单元、中央处理单元及外设等部分组成第三页，共五十二页，2022年，8月28日（一）微型计算机系统第四页，共五十二页，2022年，8月28日微型计算机系统的组成1.传感器传感器作用是把压力、温度、转速等非电量或电压、电流、功率等电量转换为对应的电压或者电流的弱电信号。电力系统用的较多的为模拟变送器。输入信号为被测参数；直流接口：输出量为与其输入量成正比（可供微机采样）的直流电压或者电流信号。交流接口：输出量为与输入量参数成比例的、幅度较小的交流电压。第五页，共五十二页，2022年，8月28日微型计算机系统的组成2.模拟多路开关（MUX)数据采集装置要对多路模拟量进行采集，速度要求不高的场合，采用公共的A/D转换器，分时对各路模拟量进行模/数转换。在一个特定时间内，只允许一路模拟信号输入到A/D转换器。目的是简单电路，降低成本。第六页，共五十二页，2022年，8月28日微型计算机系统的组成3.采样/保持器（S/H)功能：A/D转换器完成一路转换需要一定的时间，保持模拟信号电压保持不变。基本电路组成，有模拟开关、保持电容器和缓冲放大器组成。目前采样/保持电路大多集成在单一芯片。第七页，共五十二页，2022年，8月28日第八页，共五十二页，2022年，8月28日微型计算机系统的组成4.A/D转换器功能：模拟信号转换为数字信号。A/D转换器是影响数据采集率和精度的主要因素之一。5.存储器功能：存储程序、参数和数据。6.通信单元通信单元与上位机通信。通信单元包括通信控制器和通信接收器两个部分。通信控制器用来控制通信过程。通信接收器用来处理通信的物理层功能。第九页，共五十二页，2022年，8月28日微型计算机系统的特点1.结构简单2.容易实现3.满足中、小规模自动装置的要求4.环境适应强5.价格低廉第十页，共五十二页，2022年，8月28日（二）工业控制计算机系统1.工业控制计算机系统组成：稳压电源、机箱、总线板、键盘等2.工业控制计算机内部总线：STD总线、PC104总线等STD总线（工业控制标准总线）对56根线做了合理的安排，信号之间的隔离，消除了大部分总线的干扰。单元为小模板结构，每块模板具有相当的独立性，实现了板级功能的分散。第十一页，共五十二页，2022年，8月28日STD总线工业控制计算机结构示意图总线第十二页，共五十二页，2022年，8月28日STD总线工业控制计算机结构组成1.CPU单元STD总线的主处理单元。包括处理数据、地址和各种控制功能，并且控制其他单元的工作。负责整个工控系统的计算、数据处理和控制等工作一般含有高速的CPU和协处理器。能够与计算机PC/XT总线兼容。第十三页，共五十二页，2022年，8月28日STD总线工业控制计算机结构组成2.A/D单元数模转换的接口。模数转换和数据读取的时间可由CPU单元控制，也可由外部触发来决定。3.存储器单元作为通用存储器的扩展卡，含有STD接口、译码、存储器、后备用电池等，可防止失电后数据丢失。第十四页，共五十二页，2022年，8月28日STD总线工业控制计算机结构组成4.系统支持单元为STD-PC提供系统支持的单元。包含设置开关、后备电池、实时时钟、看门狗定时器、上电复位电路、交流掉电电路、总线终端网络及通信口。5.定时器单元STD总线的独立外设，具有可编程逻辑电路、选通电路和输出信号。完成定时、记数、实现“看门狗”功能。第十五页，共五十二页，2022年，8月28日STD总线工业控制计算机结构组成6.I/O单元实现开关量输入输出的功能单元。电平输出，功率输出。各种信号均具有锁存功能。7.键盘显示板键盘输入、显示输出、打印机接口。第十六页，共五十二页，2022年，8月28日工业控制计算机的特点1.系统功能强大2.可靠性和实时性强3.实现板级的分散4.实时操作系统、过程中断系统5.丰富的人—机界面6.众多的软件、硬件支持第十七页，共五十二页，2022年，8月28日（三）集散系统和现场总线系统

（DCS&FCS）第十八页，共五十二页，2022年，8月28日集散系统的结构数据采集测控站：独立采集数据和预处理。传输信号至上位机，接收上位机控制信号上位机双机热备用方式上传数据处理。系统协调，确定控制策略。下达控制信号。上位机与工作站通信：串行通信方式进行通信。介质访问方式一般为令牌形式。第十九页，共五十二页，2022年，8月28日集散系统特点系统适应性强系统分散性并行结构，解决大型、高速、动态系统的需要实时性能好对上位机具有一定的技术要求“准分布式控制”第二十页，共五十二页，2022年，8月28日现场总线系统第二十一页，共五十二页，2022年，8月28日现场总线结构组成：现场总线主节点：整个现场总线的协调者，完成信息发起的功能。提供人机接口现场总线从节点：

现场总线系统终端设备运行的执行者不发起通信，可以完成接收、查询功能。所有测控的工作都可以下放到从节点中。路由器：路由、中继，数据交换作用。第二十二页，共五十二页，2022年，8月28日二、软件1.信号采集与处理程序：采集信息包括模拟信号和数字信号两种。模拟信号进行采集、标度变换、滤波处理等。2.运行参数设置程序：系统运行参数设置。包括采样通道信号、采样点数、采样周期、信号量程范围等第二十三页，共五十二页，2022年，8月28日二、软件3.系统管理（主控制）程序：管理和调用各个功能模块程序。管理数据文件的存储和输出。4.通信程序：完成上位机与各个站之间的数据传递工作，或者主节点和从节点的数据传递。主要功能包括：数据传输的波特率、数据发送的发起、数据发送发起的响应、数据接收的响应和数据传输的校验，数据传输成功的标志等等。第二十四页，共五十二页，2022年，8月28日第二节采样、量化与编码技术采样量化编码对连续的模拟信号x(t)，按一定的时间间隔Ts，抽取相应的瞬时值把采样信号的幅值与某个最小数量单位的一系列整数倍比较，以最接近于采样信号幅值的最小数量单位倍数来表示该幅值。

把量化信号的数值用二进制代码表示

第二十五页，共五十二页，2022年，8月28日一、采样1.采样过程采样：对连续模拟信号x(t)，按照一定的时间间隔Ts，抽取相应的瞬时值，这个过程称为“采样”。采样信号：瞬时值组成的一系列脉冲信号采样时间：采样过程持续时间采样周期、采样频率：两脉冲信号的时间间隔Tsfs第二十六页，共五十二页，2022年，8月28日采样过程采样过程可以看作是脉冲调制过程，采样开关可以看作是调制器。输入信号与输出信号之间的关系可以表达为采样开关控制信号假设采样脉冲为理想脉冲，且考虑到时间为负值无物理意义第二十七页，共五十二页，2022年，8月28日相乘第二十八页，共五十二页，2022年，8月28日采样定理采样周期Ts决定了采样信号的质量和数量：

Ts太小：数据剧增，占用大量的内存单元

Ts太大：模拟信号的某些信息丢失，信号失真采样定理：指出了重新恢复连续信号所必须的最低采样频率，以保证能不失真地恢复原信号x(t)选择采样周期必须有一个依据，以保证采样信号能不失真地恢复原信号，这个依据就是采样定理。第二十九页，共五十二页，2022年，8月28日傅立叶级数：预备知识第三十页，共五十二页，2022年，8月28日相乘相卷时域抽样频域周期重复第三十一页，共五十二页，2022年，8月28日第三十二页，共五十二页，2022年，8月28日采样定理香农采样定理采样频率必须大于原模拟信号频谱中最高频率的两倍，基带频谱以及各次谐波调制频谱彼此不重叠，模拟信号可由采样信号唯一表示。不满足采样定理时产生频率混叠现象

第三十三页，共五十二页，2022年，8月28日不满足采样定理时产生频率混叠现象第三十四页，共五十二页，2022年，8月28日二量化量化定义：采样信号的幅值与某个最小数量单位的一系列整数倍比较，以最接近于采样信号幅值的最小数量单位倍数来表示该幅值。设N为数字量的二进制代码位数，量化单位定义为量化器满量程电压值VFSR（FullScaleRange）与2N的比值，用q表示，即N＝3：UFSR=16Vq=2VN＝4：UFSR=16Vq=1V第三十五页，共五十二页，2022年，8月28日量化的方法有舍有入将信号幅值分为若干层，各层的间隔相等，且等于量化单位q。当信号幅值小于量化单位q/2时，舍去；当信号幅值大于等于量化单位q/2但小于量化单位q时，进一个量化单位。N＝3：q=2V，设采样值u=8.5V，n＝4(0.5V)→100N＝4：q=1V，设采样值u=8.5V，n＝8(0.5V)→1001第三十六页，共五十二页，2022年，8月28日有舍有入的量化过程第三十七页，共五十二页，2022年，8月28日编码定义：量化信号的数值用二进制代码表示，称为“编码”。最高有效位（MSB）、最低有效位（LSB）最大误差½LSB量化和编码都由A/D转化器完成。一般为逐次逼近式ADC。三编码第三十八页，共五十二页，2022年，8月28日第三十九页，共五十二页，2022年，8月28日第三节交流采样的电量计算和前置算法交流采样：

不再采用各种以整流为基础的变送器，仅将交流电压、电流信号经过起隔离和降低幅值作用的中间PT后，仍以交流模拟信号供A/D进行采样，然后通过计算得到被测量的有效值等需要的参数。交流采样算法全周波傅立叶算法第四十页，共五十二页，2022年，8月28日全周波傅立叶算法采样定理（香农）对于电力系统交流采样，一般每周波采样12，16，20，24，为分析高次谐波甚至需要128点.

即：采样频率必须大于等于原模拟信号频谱中最高频率的两倍。第四十一页，共五十二页，2022年，8月28日电量计算傅氏算法（基于傅立叶级数理论）其中：一个周期性函数可以分解为直流分量、基波、各次谐波的无穷级数1.电压/电流量计算第四十二页，共五十二页，2022年，8月28日基波分量（n=1)可表示为：电量标准表达式基波分量有效值基波分量相角第四十三页，共五十二页，2022年，8月28日对于得到的采样离散化数据，a1、b1可用梯形积分法近似求得：设每周波采样N点积分公式离散化方法：

T->Nt->k->第四十四页，共五十二页，2022年，8月28日对于基波分量，若每周波采样12点（N=12)，则：N=12n=1第四十五页，共五十二页，2022年，8月28日设：对电压信号，实测基波数据：对电流信号，实测基波数据：

由功率公式：2.有功功率和无功功率的计算（单相）

第四十六页，共五十二页，2022年，8月28日2.有功功率和无功功率的计算三表法第四十七页，共五十二页，2022年，8月28日二表法第四十八页，共五十二页，2022年，8月28日3.功角的计算abc第四十九页，共五十二页，2022年，8月28日输入数据的前置处理采入数