计算机监控系统的数据采集与处理

第三篇计算机监控系统的数据采集与处理任务一、数据采集与处理的作用和分类数据采集是指将生产过程的物理量采集并转换成数字量以后，再由计算机进行存储、处理显示或者打印的过程。水电站计算机监控系统的数据采集系统的任务，就是采集各类传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机；计算机根据需要进行相应的计算、处理并输出，以便实现对水电站生产过程的自动监控。一般监控系统采集数据大致可分为以下八类：输入模拟量。它是指将现场具有连续变化特征的电气量和非电气量直接或经过变换后，输入到计算机系统的接口设备的物理量。适合水电站计算机监控系统的模拟量参数范围包括0~5VDC、0~10VDC、0~20mA、±20mA、4~20mA等。输出模拟量。它是指计算机系统接口设备输出的模拟量，水电站中适用的典型参数为4~20mA或者0~10VDC。输入开关量。它是指过程设备的状态或者位置的指示信号，输入到计算机系统接口设备的数字量（即开关量），此类数字输入量一般适用一位“0”或“1”表示。输出开关量。它是指计算机系统接口设备输出的监视或者控制的数字量，在水电站控制中为了安全可靠，一般输出开关量是经过继电器隔离的。输入脉冲量。它是指过程设备的脉冲信息输入到计算机系统接口设备，由计算机系统进行脉冲检测的一位数字量，如机组齿盘测速信号。数字输入BCD码。它是将BCD码制数字型的输入模拟量输入到计算机系统接口设备，一个BCD码输入模拟量一般要占用16位数字量输入通道。数字输入事件顺序记录（SOE）量。它是指将数字输入状态量定义成事件信息量，要求计算机系统接口设备记录输入量的状态变化及其变化发生的精确时间，一般应能满足5ms分辨率要求。在监控系统中，机组货电气设备的事故信号均以SOE量输入，系统对SOE量以中断的方式响应。外部数据报文。它是将过程设备或者外部系统的数据信息，以异步或同步报文通过串行口与计算机系统交换数据。任务二、模拟量的输入与输出模拟量的输入与输出通道，是计算机监控系统的一个重要组成部分。模拟量输入通道是将生产过程的模拟量转换成计算机可以识别的二进制数以后，传送给计算机的通道。模拟量输出通道是将计算机发出的控制信息传送给执行机构的通道。

.模拟量输入通道模拟量输入通道一般是由传感器，标度变换器、采样保持器、多路采样切换器、A/D转换器级控制电路等部分组成，如下图所示:控制现场变换器变换器传变感换器L器低计算机通滤波低通控制现场变换器变换器传变感换器L器低计算机通滤波低通滤波低通滤传感器。能把现场的非电量转换成电量，例如把控制现场的温度、压力、位移、流量、转速等非电量转换成相应的电信号。变送器能把控制现场的点参量转换成便于进行A/D转换的电信号，例如把发电机的电压、电流、有功功率、无功功率、频率转化成0~5V或者4~20mA的电信号，以便A/D转换器能对这些电量进行数/模转换。辅助变换器及低通滤波器。数据采集系统需要从相关的传感器取得信息，但是这些传感器的二次侧电路或者电压量不能适应模/数变换器（即A/D转换器）的输入范围要求，故需将电压或电流变换成满足A/D转化器量程要求的电压。模拟信号中的高频成分要用低通滤波器滤除，以满足采样定理的要求。而且，被滤除的高频分量的截止频率应低于采样频率的一半。否则会因频域的混叠而产生误差。因此在采样前需要加上低通模拟滤波回路。理想的低通滤波器的频率响应特性曲线如图中a曲线所示，信号频率低于理想低通滤波器的截止频率fc的部分无任何衰减，而高于截止频率fc的信号被完全滤除。实际的低通滤波器特性曲线如图b曲线所示，显然，实际低通滤波器截止频率的过渡带远没有理想滤波器那么陡。

图表1低通滤波的特性曲线采样保持器。所谓采样，就是将一个在时间上连续变化的模拟信号转换成在时间上离散的模拟信号。采样保持器有两方面的作用，首先在一个极短的时间内测量模拟输入量在该时刻的瞬时值，并在A/D变换器进行转换期间内保持其输出不变。如下图所示。采样控制信号S(t)可以表示为一个以Ts为周期的脉冲序列信号，其脉冲的宽度为丁(即理想开关每隔Ts短暂闭合的时间为t)。F(t)为输入连续信号fs(t)为采样输出信号。当S(t)=1时，开关闭合，此时fs(t)=f(t)；当S(t)=0时，开关打开，此时fs(t)=0。用数学形势表示为：fs(t)=f(t)XS(t)，其中S(t)=0或者1。由图可以看出，采样脉冲的宽度t越小，采样输出的脉冲复读就越准确的反应了输入信号在该离散时刻上的瞬时值。当输入信号被记录下来以后，为了保证A/D变换的正确进行，这些信号必须在A/D转换过程中保持恒定，保持电路就是为了实现这样的功能。通常我们把采样和保持电路结合在一起称之为采样保持电路。要说明采样保持功能多路转换器。多路采样切换器实质上是一个多路模拟开关，可以是电子模拟开关，也可以是机械开关。他能一次或者随机的将各输入信号接到公用的A/D转换器上。要有图形说明模数转换（A/D转换）。由于计算机系统只能对数字量进行处理，而变换器所取得的电压、电流等信号均为模拟量信号，因此必须将采样所得的模拟量信号经过模数转换成数字量。模数转换的过程实际上是对模拟量信号进行编码的一个过程。根据A/D转换的原理不同，可以将A/D转换分为直接式和间接式两盅。直接式A/D转换是将模拟量信号直接转换成数字量。常见的有逐次逼近式A/D，记数式A/D、并行转换式A/D。间接式A/D转换是将模拟量信号先转换成中间变量，如脉冲周期T，脉冲频率f、脉冲宽度t，再把这些中间量变成数字量。常见的有单积分式A/D，双积分式A/D，V/F转换式A/D。下面我们主要介绍下逐次逼近式A/D转换的工作原理。逐次逼近式的工作原理可以用下图来表示，其基本思想是通过反馈比较来逐次逼近模拟输入信号，当出现启动转换脉冲时，输出缓冲锁存器和逐次逼近寄存器均清零。故D/A（模拟量输出）转换器输出为零。当第一个时钟脉冲到来时，即逐次逼近寄存器的最高位设置为1，即100・“0,此时D/A转换器将逐次逼近寄存器的数字量转换成为模拟电压U0输出。然后将输入信号U与uo作比较如果U0VUj将最高位“1”保留。然后由控制器在逐次逼近寄存器中的次位置1，形成一个新的数码110・・・0，，经过D/A转换成新的模拟信号后与输入信号Ui比较。若U0>Ui则将次高位数码“1”改为“0”同时将下一高位的值设置成“1”，形成新的值与Uj比较。重复以上的比较与设置的过程，使所设定的数码值转换成的反馈电压U0尽可能的接近输入电压Uj的值。若两者误差小于设定数码中可改变的最小值（即量化误差值），则将逐次逼近寄存器的值传送到输出缓冲寄存器中，并发出转换结束脉冲。此时输出缓存寄存器中的二进制数即为A/D转换的最终结果。,：，—J —； ,TLTL时目的 7I.为孑为学］*I n~「聘检姑束,T,学;5；调如专归—L推出埴伸修兴鲨广―佳险外舷乾出模拟量输入通道的结构一个输入通道分别设置一个采样保持器和A/D转换器的结构。这种结构允许各通道同时工作，。其特点是速度快，可靠性强，即使某单一通道发生故障，也不应到其他通道的正常工作。其缺点是，如果通道数量很多的情况下，需要大量的采样保持器和A/D转化器，成本很高。多个输入通道共享一个A/D转换器的结构。多个输入通道共享一个A/D转换器，然后通过多路转换器分时的将各路模拟信号按顺序或者随机的将采样保持器的信号传输到共用的A/D转换器。这种结构因为共用一个A/D转换器，各路信号的转换只能顺序进行，所以工作速度较慢，可靠性也不高，但是可以节省硬件设备。但是采用了多个采样保持器，所以捕捉时间得到了保证。多个输入通道共享采样保持器和A/D转换器的结构。这种结构较上述2中结构速度更慢，可靠性也比较差，但是更节省硬件设备。由于采用了公共的采样保持器，因此在启动A/D转换之前，必须考虑采样保持器的捕捉时间。启动A/D转换电路之前，必须先完成保持电容器的充放电过程。由于A/D变换器价格昂贵，我们多采用第2类结构。采样保持器何时采样，何时保持，受到计算机控制信号的管理。A/D和D/A转换器的说明随着计算机硬件技术的不断发展，A/D和D/A住唤起芯片本身越来越复杂，性能越来越好，使用越来越简单。电路设计人员只需按要求进行连接和进行简单编程即可。下面简要介绍以下与A/D和D/A转换器相关的技术指标。分辨率。数据转换的分辨率定义为转换器数字量最低二进制位（LSB）对应模拟量最小电压变化值，规定了A/D转换器所能区分的模拟量最小电压变化量，或者规定了D/A转换器能产生的模拟量的最小变化量。量化误差。所谓量化，就是把时间上离散而数值上连续的模拟信号以一定的准确度变为时间上和数字上都离散化或量级化的等效数值。经过量级化后的结果可能仅是输入模拟信号的近似值。这种由于量化而产生的误差只能减小不能消除，称之为量化误差。D/A转换器的建立时间：它是D/A转换器的主要性能指标，即从对D/A转换器施加新的数字输入开始，到模拟输出达到预定的终值的时间间隔。A/D转换器的转换时间：它是A/D转换器的主要性能指标，即从对A/D转换器施加新的模拟电压开始，到转换结束的时间间隔。任务三、开关量的输入与输出开关量的定义开关量是指生产过程运行设备的状态信号，又名状态量。主要是反映电路中开关的“通”、“断”；阀门的“开”、“闭”，电动机的“运行”、“停止”等运行状态。这一类信号状态都只有2中可能，可以由电平的“高”和“低”表示。在计算机中即可以用一个二进制位数的逻辑值“0”和“1”来表示。对于具体设备的状态和计算机的逻辑值可以实现约定。因此开关量输入通道的任务就是吧设备的状态变为二进制逻辑送入计算机，以供识别。开关量的采集与处理无论哪种开关量输入点，开关量信号输入计算机一般是通过专门的输入/输出（I/O）接口来实现的。来自现场设备的状态分别接到I/O接口的对应位置上，由计算机取入。当被监视的设备较远时，为避免干扰，通常采用光电耦合器隔离的措施。图M开关童光甜台隔离绞人简图

+5V图3-5开关量辅出电路简图开关量输出通道的任务是根据计算机给出的状态量去控制设备，如控制继电器触点的闭合和断开，一操作电磁或其他执行元件控制设备。开关量的出入也常通过专门的I/O+5V图3-5开关量辅出电路简图功率继电器任务四、采集数据的处理与转换子任务一、数字滤波技术计算机控制系统的输入信号中，常常包含着各种各样的干扰信号。为了准确地进行测量和控制，必须设法消除干扰信号。干扰分为有规律的工频干扰和无规律的随机干扰。前者可采用抗干扰措施消除，后者可以在计算机内部采用数字滤波消除。数字滤波就是通过一定的计算或判断程序减少干扰信号在有用信号中的比重，所以它是一种程序滤波。数字滤波克服了模拟滤波的不足，与模拟滤波相比，它具有以下优点：用程序实现的，不需要硬件设备，所以可靠新高、稳定性好。可以对频率很低的信号实现滤波，这一点用模拟滤波是很难实现的。可以根据信号的不同采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、适用的特点。常用的数字滤波方法有以下几种：一.平均值滤波法算术平均值滤波法算术平均值滤波法的基本原理是，在对某一个输入量进行m次采样所得到的采样数据X(i=1~m)中寻找一个平均值y，使y与各采样值之间的偏差的平方和E最小。由E点(yf)2i=1可得1Ty=—乙xi=1mii=1上式即为算术平均值的算式。算术平均值法适用于对含有随机干扰的信号进行滤波，特别适用于在某一数值范围内上下波动的信号的滤波，如流量、液位信号等。算术平均值法对信号的平滑滤波程度取决于m值。当m值较大时，平滑度高，但灵敏度低，即外接信号的变化对测量结果y的影响比较小；反之，当m较小时，平滑度较低，但灵敏度高，如图所示。对于流量测量信号，一般取m=8〜16；对于压力测量信号一般取m=4。滑动平均值法算术平均值法的特点是，必须在采样m次以后才能输出一个数据。因此，当要求数据输出速度比较高，m又比较大的情况下，要求A/D转换器有非常高的采样速度。而滑动平均值法在每采样一次，就能输出一个数据。设第n次采样时，A/D转换器的输出值为七，前一次采样时的输出值为气_1，再前一次为七顼…，一共取m个采样值气,气_「•••,气_心，那么第n次采样时数字滤波器的输出值为y=气+气1+…+七E1)-1才Xn m m，i=n-m+1在计算滑动平均值时，应在存储器中设置m个存储单元，分别存储气,气」…,气一心，没进行一次新的采样，新的采样值将覆盖掉最老的采样值，然后对m个采样值求取新的算术平均值。增加一些算法子任务二、采集数据的转换生产过程中存在的各种各样的物理量，如温度、压力、液位、流量、电流及电压等，有着不同的数值和量纲。在计算机中，生产过程中的参数都以在一个相同的二进制位数范围中的数值存放在计算机中。由模拟量输入通道进入计算机的二进制数字量，而这个数字量的变化范围是由A/D转换器的位数决定的，例如，一个8位A/D转换器输出的数字量只能是0~255。因此，不管被测量的物理量是什么数字，经A/D转换后都智能表示为0~255中间的某一个数。如果直接把A/D转换器输出地数字量送去显示或打印，显然不便于运行人员理解，因此要进行标度变换，即把A/D转换器输出的数字量变换为具有一定工程单位的数字量。标度变换有许多种形式，它取决于被测量参数所用的传感器或变送器类型。一.线性变换法当被测物理量与传感器或仪表的输出之间呈线性关系时，采用线性变换、其公式为：幺=人0Dx-D0 "0式中A0为被测量程的下限；Am为被测量程上限；Ax为标度变换后的实际测量值；D0为A0对应的数字量；Dm为Am所对应的数字量；Dx为测量值所对应的数字量。公式变换法有些传感器或变送器的输出信号与被测参数之间的关系时非线性关系，或者人们并不关心被测参数本身的数字，而是要通过被测参数去求出另一个人们所关心的参数。如果这种非线性关系或两个参数之间的关系可以用解析式来表达的话，那么就可以通过解析式来推导出所需要的参数，这样一类参数称为导出参数。例如，当用压差信号测量流量时，由于流量与压差的平方根成正比，所以实际流量Y与压差变送器输出地、经A/D转换后的测量值X成平方根关系，这时可以用下式计算出流量=(Y-Y).：X_Nmin+Ymaxmin\，N-N min式中各参数的意义与式(3-1)相同。为了计算方便，式(3-5)也可以变换为以下形式：=aJX-a+a其中a=Y〜.minO\=NminY-Ya=―,maxmin2 .*''"max-Nmin多项式变换法有许多传感器输出的信号与被测参数之间的关系无法用解析式表达，或者解析式过于复杂，不便于用计算机计算，这时可以采用多项式进行标度变换。采用这种方法的关键是要找出一个能够比较准确地反映传感器输出