自動裝置及其數(shù)據(jù)的采集處理

自動裝置及其數(shù)據(jù)的采集處理第一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二第一節(jié)自動裝置的組成微型計算機系統(tǒng)：控制功能單一、簡單1.工業(yè)控制計算機系統(tǒng)：控制功能要求高、軟件任務(wù)重2.集散控制系統(tǒng)DCS和現(xiàn)場總線系統(tǒng)FCS：分散的多對象的成套監(jiān)控3.一、硬件構(gòu)成形式第二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二（一）微型計算機系統(tǒng)定義：把簡單的、借助于特定開發(fā)平臺才能編程的系統(tǒng)定義微型計算機系統(tǒng)組成：傳感器、采樣保持器、模擬多路開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器。通信單元、中央處理單元及外設(shè)等部分組成第三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二（一）微型計算機系統(tǒng)第四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二微型計算機系統(tǒng)的組成1.傳感器傳感器作用是把壓力、溫度、轉(zhuǎn)速等非電量或電壓、電流、功率等電量轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓或者電流的弱電信號。電力系統(tǒng)用的較多的為模擬變送器。輸入信號為被測參數(shù)；直流接口：輸出量為與其輸入量成正比（可供微機采樣）的直流電壓或者電流信號。交流接口：輸出量為與輸入量參數(shù)成比例的、幅度較小的交流電壓。第五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二微型計算機系統(tǒng)的組成2.模擬多路開關(guān)（MUX)數(shù)據(jù)采集裝置要對多路模擬量進行采集，速度要求不高的場合，采用公共的A/D轉(zhuǎn)換器，分時對各路模擬量進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。在一個特定時間內(nèi)，只允許一路模擬信號輸入到A/D轉(zhuǎn)換器。目的是簡單電路，降低成本。第六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二微型計算機系統(tǒng)的組成3.采樣/保持器（S/H)功能：A/D轉(zhuǎn)換器完成一路轉(zhuǎn)換需要一定的時間，保持模擬信號電壓保持不變?；倦娐方M成，有模擬開關(guān)、保持電容器和緩沖放大器組成。目前采樣/保持電路大多集成在單一芯片。第七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二第八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二微型計算機系統(tǒng)的組成4.A/D轉(zhuǎn)換器功能：模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。A/D轉(zhuǎn)換器是影響數(shù)據(jù)采集率和精度的主要因素之一。5.存儲器功能：存儲程序、參數(shù)和數(shù)據(jù)。6.通信單元通信單元與上位機通信。通信單元包括通信控制器和通信接收器兩個部分。通信控制器用來控制通信過程。通信接收器用來處理通信的物理層功能。第九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二微型計算機系統(tǒng)的特點1.結(jié)構(gòu)簡單2.容易實現(xiàn)3.滿足中、小規(guī)模自動裝置的要求4.環(huán)境適應(yīng)強5.價格低廉第十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二（二）工業(yè)控制計算機系統(tǒng)1.工業(yè)控制計算機系統(tǒng)組成：穩(wěn)壓電源、機箱、總線板、鍵盤等2.工業(yè)控制計算機內(nèi)部總線：STD總線、PC104總線等STD總線（工業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)總線）對56根線做了合理的安排，信號之間的隔離，消除了大部分總線的干擾。單元為小模板結(jié)構(gòu)，每塊模板具有相當(dāng)?shù)莫毩⑿裕瑢崿F(xiàn)了板級功能的分散。第十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二STD總線工業(yè)控制計算機結(jié)構(gòu)示意圖總線第十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二STD總線工業(yè)控制計算機結(jié)構(gòu)組成1.CPU單元STD總線的主處理單元。包括處理數(shù)據(jù)、地址和各種控制功能，并且控制其他單元的工作。負(fù)責(zé)整個工控系統(tǒng)的計算、數(shù)據(jù)處理和控制等工作一般含有高速的CPU和協(xié)處理器。能夠與計算機PC/XT總線兼容。第十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二STD總線工業(yè)控制計算機結(jié)構(gòu)組成2.A/D單元數(shù)模轉(zhuǎn)換的接口。模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)讀取的時間可由CPU單元控制，也可由外部觸發(fā)來決定。3.存儲器單元作為通用存儲器的擴展卡，含有STD接口、譯碼、存儲器、后備用電池等，可防止失電后數(shù)據(jù)丟失。第十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二STD總線工業(yè)控制計算機結(jié)構(gòu)組成4.系統(tǒng)支持單元為STD-PC提供系統(tǒng)支持的單元。包含設(shè)置開關(guān)、后備電池、實時時鐘、看門狗定時器、上電復(fù)位電路、交流掉電電路、總線終端網(wǎng)絡(luò)及通信口。5.定時器單元STD總線的獨立外設(shè)，具有可編程邏輯電路、選通電路和輸出信號。完成定時、記數(shù)、實現(xiàn)“看門狗”功能。第十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二STD總線工業(yè)控制計算機結(jié)構(gòu)組成6.I/O單元實現(xiàn)開關(guān)量輸入輸出的功能單元。電平輸出，功率輸出。各種信號均具有鎖存功能。7.鍵盤顯示板鍵盤輸入、顯示輸出、打印機接口。第十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二工業(yè)控制計算機的特點1.系統(tǒng)功能強大2.可靠性和實時性強3.實現(xiàn)板級的分散4.實時操作系統(tǒng)、過程中斷系統(tǒng)5.豐富的人—機界面6.眾多的軟件、硬件支持第十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二（三）集散系統(tǒng)和現(xiàn)場總線系統(tǒng)

（DCS&FCS）第十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二集散系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集測控站：獨立采集數(shù)據(jù)和預(yù)處理。傳輸信號至上位機，接收上位機控制信號上位機雙機熱備用方式上傳數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)協(xié)調(diào)，確定控制策略。下達控制信號。上位機與工作站通信：串行通信方式進行通信。介質(zhì)訪問方式一般為令牌形式。第十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二集散系統(tǒng)特點系統(tǒng)適應(yīng)性強系統(tǒng)分散性并行結(jié)構(gòu)，解決大型、高速、動態(tài)系統(tǒng)的需要實時性能好對上位機具有一定的技術(shù)要求“準(zhǔn)分布式控制”第二十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二現(xiàn)場總線系統(tǒng)第二十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)組成：現(xiàn)場總線主節(jié)點：整個現(xiàn)場總線的協(xié)調(diào)者，完成信息發(fā)起的功能。提供人機接口現(xiàn)場總線從節(jié)點：

現(xiàn)場總線系統(tǒng)終端設(shè)備運行的執(zhí)行者不發(fā)起通信，可以完成接收、查詢功能。所有測控的工作都可以下放到從節(jié)點中。路由器：路由、中繼，數(shù)據(jù)交換作用。第二十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二二、軟件1.信號采集與處理程序：采集信息包括模擬信號和數(shù)字信號兩種。模擬信號進行采集、標(biāo)度變換、濾波處理等。2.運行參數(shù)設(shè)置程序：系統(tǒng)運行參數(shù)設(shè)置。包括采樣通道信號、采樣點數(shù)、采樣周期、信號量程范圍等第二十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二二、軟件3.系統(tǒng)管理（主控制）程序：管理和調(diào)用各個功能模塊程序。管理數(shù)據(jù)文件的存儲和輸出。4.通信程序：完成上位機與各個站之間的數(shù)據(jù)傳遞工作，或者主節(jié)點和從節(jié)點的數(shù)據(jù)傳遞。主要功能包括：數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈?、?shù)據(jù)發(fā)送的發(fā)起、數(shù)據(jù)發(fā)送發(fā)起的響應(yīng)、數(shù)據(jù)接收的響應(yīng)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男ｒ?，?shù)據(jù)傳輸成功的標(biāo)志等等。第二十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二第二節(jié)采樣、量化與編碼技術(shù)采樣量化編碼對連續(xù)的模擬信號x(t)，按一定的時間間隔Ts，抽取相應(yīng)的瞬時值把采樣信號的幅值與某個最小數(shù)量單位的一系列整數(shù)倍比較，以最接近于采樣信號幅值的最小數(shù)量單位倍數(shù)來表示該幅值。

把量化信號的數(shù)值用二進制代碼表示

第二十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二一、采樣1.采樣過程采樣：對連續(xù)模擬信號x(t)，按照一定的時間間隔Ts，抽取相應(yīng)的瞬時值，這個過程稱為“采樣”。采樣信號：瞬時值組成的一系列脈沖信號采樣時間：采樣過程持續(xù)時間采樣周期、采樣頻率：兩脈沖信號的時間間隔Tsfs第二十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二采樣過程采樣過程可以看作是脈沖調(diào)制過程，采樣開關(guān)可以看作是調(diào)制器。輸入信號與輸出信號之間的關(guān)系可以表達為采樣開關(guān)控制信號假設(shè)采樣脈沖為理想脈沖，且考慮到時間為負(fù)值無物理意義第二十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二相乘第二十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二采樣定理采樣周期Ts決定了采樣信號的質(zhì)量和數(shù)量：

Ts太?。簲?shù)據(jù)劇增，占用大量的內(nèi)存單元

Ts太大：模擬信號的某些信息丟失，信號失真采樣定理：指出了重新恢復(fù)連續(xù)信號所必須的最低采樣頻率，以保證能不失真地恢復(fù)原信號x(t)選擇采樣周期必須有一個依據(jù)，以保證采樣信號能不失真地恢復(fù)原信號，這個依據(jù)就是采樣定理。第二十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二傅立葉級數(shù)：預(yù)備知識第三十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二相乘相卷時域抽樣頻域周期重復(fù)第三十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二第三十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二采樣定理香農(nóng)采樣定理采樣頻率必須大于原模擬信號頻譜中最高頻率的兩倍，基帶頻譜以及各次諧波調(diào)制頻譜彼此不重疊，模擬信號可由采樣信號唯一表示。不滿足采樣定理時產(chǎn)生頻率混疊現(xiàn)象

第三十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二不滿足采樣定理時產(chǎn)生頻率混疊現(xiàn)象第三十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二二量化量化定義：采樣信號的幅值與某個最小數(shù)量單位的一系列整數(shù)倍比較，以最接近于采樣信號幅值的最小數(shù)量單位倍數(shù)來表示該幅值。設(shè)N為數(shù)字量的二進制代碼位數(shù)，量化單位定義為量化器滿量程電壓值VFSR（FullScaleRange）與2N的比值，用q表示，即N＝3：UFSR=16Vq=2VN＝4：UFSR=16Vq=1V第三十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二量化的方法有舍有入將信號幅值分為若干層，各層的間隔相等，且等于量化單位q。當(dāng)信號幅值小于量化單位q/2時，舍去；當(dāng)信號幅值大于等于量化單位q/2但小于量化單位q時，進一個量化單位。N＝3：q=2V，設(shè)采樣值u=8.5V，n＝4(0.5V)→100N＝4：q=1V，設(shè)采樣值u=8.5V，n＝8(0.5V)→1001第三十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二有舍有入的量化過程第三十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二編碼定義：量化信號的數(shù)值用二進制代碼表示，稱為“編碼”。最高有效位（MSB）、最低有效位（LSB）最大誤差?LSB量化和編碼都由A/D轉(zhuǎn)化器完成。一般為逐次逼近式ADC。三編碼第三十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二第三十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二第三節(jié)交流采樣的電量計算和前置算法交流采樣：

不再采用各種以整流為基礎(chǔ)的變送器，僅將交流電壓、電流信號經(jīng)過起隔離和降低幅值作用的中間PT后，仍以交流模擬信號供A/D進行采樣，然后通過計算得到被測量的有效值等需要的參數(shù)。交流采樣算法全周波傅立葉算法第四十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二全周波傅立葉算法采樣定理（香農(nóng)）對于電力系統(tǒng)交流采樣，一般每周波采樣12，16，20，24，為分析高次諧波甚至需要128點.

即：采樣頻率必須大于等于原模擬信號頻譜中最高頻率的兩倍。第四十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二電量計算傅氏算法（基于傅立葉級數(shù)理論）其中：一個周期性函數(shù)可以分解為直流分量、基波、各次諧波的無窮級數(shù)1.電壓/電流量計算第四十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二基波分量（n=1)可表示為：電量標(biāo)準(zhǔn)表達式基波分量有效值基波分量相角第四十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二對于得到的采樣離散化數(shù)據(jù)，a1、b1可用梯形積分法近似求得：設(shè)每周波采樣N點積分公式離散化方法：

T->Nt->k->第四十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二對于基波分量，若每周波采樣12點（N=12)，則：N=12n=1第四十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二設(shè)：對電壓信號，實測基波數(shù)據(jù)：對電流信號，實測基波數(shù)據(jù)：

由功率公式：2.有功功率和無功功率的計算（單相）

第四十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二2.有功功率和無功功率的計算三表法第四十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二二表法第四十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二3.功角的計算abc第四十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期二輸入數(shù)據(jù)的前置處理采入數(shù)