自備電廠數據采集系統的研制

摘要:生產過程數據采集系統將計算機網絡技術應用到生產過程監視方面，大大改進了生產過程的監視能力，提高了生產過程的管理信息化水平#65377;本文介紹生產過程數據采集系統的軟件，數據庫設計及其關鍵技術，利用計算機網絡技術，高速數據存儲技術實現網絡間的數據共享#65377;本系統結構簡單，可擴充性好，性價比高，穩定可靠，實際運用中能很好地滿足電廠數據采集的需求#65377;

關鍵詞:數據采集;實時系統;監視系統;數據庫

中圖分類號:TP274文獻標識碼:A

1引言

數據采集是信息科學的重要分支之一，研究生產過程數據的檢測采集#65380;存儲#65380;處理和控制等問題，是一門以傳感器#65380;信號測量和計算機等為基礎的綜合應用技術#65377;將被測對象(外部世界#65380;生產現場)的各種參量(溫度#65380;壓力#65380;流量#65380;位移#65380;物位等)檢測采集到后，轉換為數字信號，送到計算機存儲#65380;處理和分析等，這一過程稱為 “數據采集”，相應的系統稱為數據采集系統[1]#65377;

計算機數據采集系統不直接輸出電氣信號到執行機構或調節器，而是通過人的分析與判斷，進行操作才構成信息反饋[2]#65377;計算機#65380;執行機構和對象還沒有構成閉環控制系統，所以控制精度#65380;反應速度都很十分有限#65377;但是，這類數據采集系統比較簡單#65380;可靠#65380;安全，對于復雜生產過程或控制規律難于完全掌握，又需要實時和準確監測大量現場數據的情況下，不失為一種可取的方案#65377;

2系統介紹

2.1系統需求

該發電廠電氣設備由三臺發電機組，6臺變壓器，18臺高壓開關，低壓斷路器，聯絡線，輔機等組成，要用本采集系統，實時監測并記錄系統的電流#65380;電壓#65380;有功功率#65380;無功功率#65380;功率因數#65380;頻率#65380;有功電度和無功電度;對高壓開關進行遠程控制;其中有520個模擬量98個數字量需要監測#65377;通過應用計算機的高速數據分析能力，有利于提高系統的可靠性，降低操作人員的勞動強度，提高發電廠的管理水平和事故分析水平#65377;

2.2數據采集的總體結構

數據采集系統實時采集生產過程的模擬量#65380;數字量等電參量，同時向上位機發送各種數據信息及控制命令#65377;它能長期有效地監測工業現場裝置，由高精度工業級計算機對工業裝置各項參數進行自動采集，及時#65380;準確的提供現場裝置運行狀況的各項參數數據，對于監視工業裝置的運行情況#65380;分析故障數據#65380;保護裝置的安全經濟運行起著十分重要的作用#65377;

采集系統總體框圖如圖1所示系統總體結構是主從式結構，站控層采用工業以太網高速總線，間隔層通訊網絡采用經濟型的RS-485總線，分散式就地安裝綜合智能終端設備，實現測量#65380;控制#65380;通信功能#65377;同時采用通訊控制器實現數據的高速交換#65377;上位機工作站是研華工業PC機，智能數據采集模塊為從機，通過RS-485總線通信#65377;總線控制器用來擴展工控機的串口，并把RS-485轉換為RS-232進入PC機#65377;總共分為4條RS-485總線，四條總線并行采集互不影響#65377;

圖1系統總體架構圖

計算技術與自動化2007年3月第26卷第1期曾強等:自備電廠數據采集系統的研制

3系統軟件設計

在設計采集程序前需先根據每個采集模塊的協議編寫DLL文件做為配置程序，當采集完數據時調用這些DLL得到所采集到的電量的實際值#65377;上位機通過發送采集命令來獲取下位機采集模塊的響應，采集命令下達后智能數據采集模塊響應發送當前采集到的數據，主機通過查詢串口緩沖區來獲得下位機送上來的數據#65377;上位機接收數據后通過調用各個智能模塊的驅動程序進行相應的數據轉換，把轉換后的電氣參量進行:數據分發，報警邏輯判定，數據存儲，等一些列系統需要的數據處理#65377;各條總線之間并行采集，對于每條總線的設備按照地址順序采集，數據采集主程序(如圖3所示)包括4個階段:配置#65380;采集基本數據#65380;調用相應的驅動程序處理數據#65380;存儲數據#65377;配置:為采集模塊配置對應的驅動程序，采集來得基本數據通過調用驅動程序處理后得到實際值#65377;

采集基本數據:如圖2所示系統采用輪叫輪詢每個智能模塊來共享RS-485總線，首先把所有模塊信息讀入上位機，上位機向逐個智能模塊發送采集命令，命令智能模塊發送數據，過100ms后讀該數據端口，智能模塊接收到命令后響應發送采集數據，接收成功后計數器減1，如果在100ms后讀不到數據說明讀取數據失敗，再發一次采集命令，如果再次失敗則計數器減1然后跳過該模塊采集下面的智能模塊，重復以上操作直到設備計數為0即該條總線的所有模塊采集完畢，因為采集周期為2s對于監測系統可以允許#65377;調用相應的DLL處理數據:采集到的基本數據都放在工控機的內存的一段區域中，這時調用事先為每個采集模塊配置的DLL處理數據得到電量的實際值#65377;存儲數據:得到電量實際值后一方面用于顯示一方面用于存儲，在存儲上考慮到數據量較大該系統采用SQL Server 2000 做為后臺數據庫#65377;

圖2數據采集主程序

在本數據采集系統中共設計了6個線程來實現對三條RS-485總線并行采集數據#65380;存儲數據，從而實現了一臺主機同時對三條總線的數據采集和對后臺數據庫的操作#65377;當數據采集開始時讀取采集周期，采集定時器觸發采集線程同時對三條總線進行數據采集，當采集結束后同時觸發數據展現線程和判斷是否到達存儲閾值，如果未到達則繼續進行采集如果到達存儲閾值則把所有數據復制到另一塊內存區域然后調用存儲線程把數據存儲到上位機的數據庫中，把數據復制到另一塊區域的目的是防止如果數據量大后對數據庫操作的時間長必然變長，會使得存儲線程未完成存儲任務新數據就覆蓋了舊數據從而出現同時操作一塊數據存儲區的嚴重錯誤#65377;

4數據處理及數據庫設計

4.1多通道數據發布服務

多通道數據發布服務主要具有通信和數據分析兩大功能，通信功能按照制定的接口定義標準或子系統對外的接口標準來定義，主要完成數據的正確接收;數據分析功能是根據特定子系統與接口組件的數據通信協議定制的，將通信模塊的數據進行分析，并將其根據一定的格式進行處理，主要完成數據打包#65380;解碼與分析功能[3]#65377;其工作框圖如圖4所示:

圖3數據采集子程序

在此服務中，系統首先檢測網絡是否通暢，若成功則建立通道發送數據，不通則丟棄本次數據，并通知用戶查看網絡#65377;為提高系統資源利用率，系統還將數據進行分類，每一類數據采用一個通道進行發送，各通道相互獨立，互不干擾#65377;這樣，對擁有資源的單位，不用頻繁的切換，從而進一步提高系統的并發程度#65377;

采集到的實時數據經過相應處理后將到網絡中的各個終端，以實現共享實時數據需要#65377;另一份直接存入內存數據庫，用內存數據庫管理系統來管理實時數據，這樣可以擴大實時數據的應用范圍，也可以與其他數據信息結合在一起，以實現數據共享#65377;多通道發布的數據還包括報警信息，設備故障信息等#65377;在發布實時數據的同時發布報警#65380;故障信息#65377; 圖4 多通道數據發布工作框圖[JZ)]

4.2故障自診斷

故障診斷的工作流程為:故障診斷子系統檢測到故障信息后，將有關的信息組織好，放在內存數據庫中，然后發故障事件通知故障處理模塊進行處理，該模塊判斷如果確實是故障，并比較故障隊列中的已存在故障的優先級，根據高優先級的處在隊列的底部的原則，按順序插入到則將此故障隊列中，如果當前處理的故障為較低優先級的，將立即停止當前處理，轉入高優先級故障的處理[4]#65377;故障處理將在人機界面上彈出故障畫面提示信息，然后發消息把信息寫入操作記錄中故障自診斷的流程圖如圖5所示#65377;

圖5故障自診斷流程圖[JZ)]

4.3數據庫設計

計算機數據采集系統中，存在著大量實時數據處理和歷史數據訪問等工作進程#65377;首先，數據采集模塊周期性地采集并存儲各過程參數;然后，上位機要對采集到的實時參數進行各種處理和分析，如實時數據顯示#65380;趨勢顯示#65380;報警比較和控制調節等[5]#65377;因此，在計算機數據采集系統或控制系統中，不僅需要對實時采集到的大量數據及已經過去的歷史數據進行合理的組織和保存;實時數據庫的數據包含被控對象的所有實時信息和對被控對象進行控制的控制信息，而且實時數據庫中的數據要不斷地被更新，頻繁地和客戶端應用程序進行數據交互;要為所有訪問這些數據的任務提供通用快捷的接口方式，以滿足不同任務對實時數據庫和歷史數據庫的數據查詢等要求，簡化實時作業的程序實現#65377;所以，在數據采集系統的軟件設計中，需要引入數據庫技術并對數據庫進行統一設計和管理#65377;

5結束語

本文所介紹的自備電廠監視系統，在一次圖上可以動態的顯示實時數據，刷新周期為2s;可以很直觀的看到各斷路器的實時狀態;報警參數及故障模塊都可以在界面上很醒目的顯示出來，方便了管理人員的故障排除即監視;測量精度為:電流#65380;電壓#65380;頻率:0.2級;其他電量0.5級#65377;本系統采用模塊化的結構實現了總線和采集終端的混合網絡#65377;可靠性高，每一個數據采集模塊通過RS-485通信總線與系統構成了一個 網絡，數據采集模塊相互之間彼此獨立;可擴充性好，每路RS-485通信總線可以支持32個數據采集模塊，增加采集模塊時只需接通硬件后在本系統作相應的設置就可以使采集模塊工作在系統中，網絡擴充功能好，可以擴充到32臺客戶端，足夠滿足用戶需求，且擴充方便，只需在局域網內下載客戶端安裝即可#65377;利用多線程技術實現了對三條總線的并行數據采集和高速數據存儲;利用網絡通訊技術方便快捷的實現信息共享#65377;試運行表明系統穩定#65380;設備狀況良好#65380;設計合理#65377;本系統經濟實用，在實際運用中有很好的借鑒作用#65377;

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。