自備電廠數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制

摘要:生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)過程監(jiān)視方面，大大改進(jìn)了生產(chǎn)過程的監(jiān)視能力，提高了生產(chǎn)過程的管理信息化水平#65377;本文介紹生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件，數(shù)據(jù)庫設(shè)計及其關(guān)鍵技術(shù)，利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，高速數(shù)據(jù)存儲技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)共享#65377;本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可擴(kuò)充性好，性價比高，穩(wěn)定可靠，實際運用中能很好地滿足電廠數(shù)據(jù)采集的需求#65377;

關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)采集;實時系統(tǒng);監(jiān)視系統(tǒng);數(shù)據(jù)庫

中圖分類號:TP274文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

1引言

數(shù)據(jù)采集是信息科學(xué)的重要分支之一，研究生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)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(jī)等為基礎(chǔ)的綜合應(yīng)用技術(shù)#65377;將被測對象(外部世界#65380;生產(chǎn)現(xiàn)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(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送到計算機(jī)存儲#65380;處理和分析等，這一過程稱為 “數(shù)據(jù)采集”，相應(yīng)的系統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[1]#65377;

計算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不直接輸出電氣信號到執(zhí)行機(jī)構(gòu)或調(diào)節(jié)器，而是通過人的分析與判斷，進(jìn)行操作才構(gòu)成信息反饋[2]#65377;計算機(jī)#65380;執(zhí)行機(jī)構(gòu)和對象還沒有構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，所以控制精度#65380;反應(yīng)速度都很十分有限#65377;但是，這類數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)比較簡單#65380;可靠#65380;安全，對于復(fù)雜生產(chǎn)過程或控制規(guī)律難于完全掌握，又需要實時和準(zhǔn)確監(jiān)測大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)的情況下，不失為一種可取的方案#65377;

2系統(tǒng)介紹

2.1系統(tǒng)需求

該發(fā)電廠電氣設(shè)備由三臺發(fā)電機(jī)組，6臺變壓器，18臺高壓開關(guān)，低壓斷路器，聯(lián)絡(luò)線，輔機(jī)等組成，要用本采集系統(tǒng)，實時監(jiān)測并記錄系統(tǒng)的電流#65380;電壓#65380;有功功率#65380;無功功率#65380;功率因數(shù)#65380;頻率#65380;有功電度和無功電度;對高壓開關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制;其中有520個模擬量98個數(shù)字量需要監(jiān)測#65377;通過應(yīng)用計算機(jī)的高速數(shù)據(jù)分析能力，有利于提高系統(tǒng)的可靠性，降低操作人員的勞動強(qiáng)度，提高發(fā)電廠的管理水平和事故分析水平#65377;

2.2數(shù)據(jù)采集的總體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集生產(chǎn)過程的模擬量#65380;數(shù)字量等電參量，同時向上位機(jī)發(fā)送各種數(shù)據(jù)信息及控制命令#65377;它能長期有效地監(jiān)測工業(yè)現(xiàn)場裝置，由高精度工業(yè)級計算機(jī)對工業(yè)裝置各項參數(shù)進(jìn)行自動采集，及時#65380;準(zhǔn)確的提供現(xiàn)場裝置運行狀況的各項參數(shù)數(shù)據(jù)，對于監(jiān)視工業(yè)裝置的運行情況#65380;分析故障數(shù)據(jù)#65380;保護(hù)裝置的安全經(jīng)濟(jì)運行起著十分重要的作用#65377;

采集系統(tǒng)總體框圖如圖1所示系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)是主從式結(jié)構(gòu)，站控層采用工業(yè)以太網(wǎng)高速總線，間隔層通訊網(wǎng)絡(luò)采用經(jīng)濟(jì)型的RS-485總線，分散式就地安裝綜合智能終端設(shè)備，實現(xiàn)測量#65380;控制#65380;通信功能#65377;同時采用通訊控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速交換#65377;上位機(jī)工作站是研華工業(yè)PC機(jī)，智能數(shù)據(jù)采集模塊為從機(jī)，通過RS-485總線通信#65377;總線控制器用來擴(kuò)展工控機(jī)的串口，并把RS-485轉(zhuǎn)換為RS-232進(jìn)入PC機(jī)#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(tǒng)總體架構(gòu)圖

計算技術(shù)與自動化2007年3月第26卷第1期曾強(qiáng)等:自備電廠數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

在設(shè)計采集程序前需先根據(jù)每個采集模塊的協(xié)議編寫DLL文件做為配置程序，當(dāng)采集完數(shù)據(jù)時調(diào)用這些DLL得到所采集到的電量的實際值#65377;上位機(jī)通過發(fā)送采集命令來獲取下位機(jī)采集模塊的響應(yīng)，采集命令下達(dá)后智能數(shù)據(jù)采集模塊響應(yīng)發(fā)送當(dāng)前采集到的數(shù)據(jù)，主機(jī)通過查詢串口緩沖區(qū)來獲得下位機(jī)送上來的數(shù)據(jù)#65377;上位機(jī)接收數(shù)據(jù)后通過調(diào)用各個智能模塊的驅(qū)動程序進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)換后的電氣參量進(jìn)行:數(shù)據(jù)分發(fā)，報警邏輯判定，數(shù)據(jù)存儲，等一些列系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)處理#65377;各條總線之間并行采集，對于每條總線的設(shè)備按照地址順序采集，數(shù)據(jù)采集主程序(如圖3所示)包括4個階段:配置#65380;采集基本數(shù)據(jù)#65380;調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動程序處理數(shù)據(jù)#65380;存儲數(shù)據(jù)#65377;配置:為采集模塊配置對應(yīng)的驅(qū)動程序，采集來得基本數(shù)據(jù)通過調(diào)用驅(qū)動程序處理后得到實際值#65377;

采集基本數(shù)據(jù):如圖2所示系統(tǒng)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(jī)，上位機(jī)向逐個智能模塊發(fā)送采集命令，命令智能模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，過100ms后讀該數(shù)據(jù)端口，智能模塊接收到命令后響應(yīng)發(fā)送采集數(shù)據(jù)，接收成功后計數(shù)器減1，如果在100ms后讀不到數(shù)據(jù)說明讀取數(shù)據(jù)失敗，再發(fā)一次采集命令，如果再次失敗則計數(shù)器減1然后跳過該模塊采集下面的智能模塊，重復(fù)以上操作直到設(shè)備計數(shù)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(jiān)測系統(tǒng)可以允許#65377;調(diào)用相應(yīng)的DLL處理數(shù)據(jù):采集到的基本數(shù)據(jù)都放在工控機(jī)的內(nèi)存的一段區(qū)域中，這時調(diào)用事先為每個采集模塊配置的DLL處理數(shù)據(jù)得到電量的實際值#65377;存儲數(shù)據(jù):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(shù)據(jù)量較大該系統(tǒng)采用SQL Server 2000 做為后臺數(shù)據(jù)庫#65377;

圖2數(shù)據(jù)采集主程序

在本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中共設(shè)計了6個線程來實現(xiàn)對三條RS-485總線并行采集數(shù)據(jù)#65380;存儲數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)了一臺主機(jī)同時對三條總線的數(shù)據(jù)采集和對后臺數(shù)據(jù)庫的操作#65377;當(dāng)數(shù)據(jù)采集開始時讀取采集周期，采集定時器觸發(fā)采集線程同時對三條總線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，當(dāng)采集結(jié)束后同時觸發(fā)數(shù)據(jù)展現(xiàn)線程和判斷是否到達(dá)存儲閾值，如果未到達(dá)則繼續(xù)進(jìn)行采集如果到達(dá)存儲閾值則把所有數(shù)據(jù)復(fù)制到另一塊內(nèi)存區(qū)域然后調(diào)用存儲線程把數(shù)據(jù)存儲到上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫中，把數(shù)據(jù)復(fù)制到另一塊區(qū)域的目的是防止如果數(shù)據(jù)量大后對數(shù)據(jù)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(wù)新數(shù)據(jù)就覆蓋了舊數(shù)據(jù)從而出現(xiàn)同時操作一塊數(shù)據(jù)存儲區(qū)的嚴(yán)重錯誤#65377;

4數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)庫設(shè)計

4.1多通道數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)

多通道數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)主要具有通信和數(shù)據(jù)分析兩大功能，通信功能按照制定的接口定義標(biāo)準(zhǔn)或子系統(tǒng)對外的接口標(biāo)準(zhǔn)來定義，主要完成數(shù)據(jù)的正確接收;數(shù)據(jù)分析功能是根據(jù)特定子系統(tǒng)與接口組件的數(shù)據(jù)通信協(xié)議定制的，將通信模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將其根據(jù)一定的格式進(jìn)行處理，主要完成數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集子程序

在此服務(wù)中，系統(tǒng)首先檢測網(wǎng)絡(luò)是否通暢，若成功則建立通道發(fā)送數(shù)據(jù)，不通則丟棄本次數(shù)據(jù)，并通知用戶查看網(wǎng)絡(luò)#65377;為提高系統(tǒng)資源利用率，系統(tǒng)還將數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，每一類數(shù)據(jù)采用一個通道進(jìn)行發(fā)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(jìn)一步提高系統(tǒng)的并發(fā)程度#65377;

采集到的實時數(shù)據(jù)經(jīng)過相應(yīng)處理后將到網(wǎng)絡(luò)中的各個終端，以實現(xiàn)共享實時數(shù)據(jù)需要#65377;另一份直接存入內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，用內(nèi)存數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)來管理實時數(shù)據(jù)，這樣可以擴(kuò)大實時數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍，也可以與其他數(shù)據(jù)信息結(jié)合在一起，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享#65377;多通道發(fā)布的數(shù)據(jù)還包括報警信息，設(shè)備故障信息等#65377;在發(fā)布實時數(shù)據(jù)的同時發(fā)布報警#65380;故障信息#65377; 圖4 多通道數(shù)據(jù)發(fā)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(tǒng)檢測到故障信息后，將有關(guān)的信息組織好，放在內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中，然后發(fā)故障事件通知故障處理模塊進(jìn)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(yōu)先級，根據(jù)高優(yōu)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(dāng)前處理的故障為較低優(yōu)先級的，將立即停止當(dāng)前處理，轉(zhuǎn)入高優(yōu)先級故障的處理[4]#65377;故障處理將在人機(jī)界面上彈出故障畫面提示信息，然后發(fā)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(shù)據(jù)庫設(shè)計

計算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，存在著大量實時數(shù)據(jù)處理和歷史數(shù)據(jù)訪問等工作進(jìn)程#65377;首先，數(shù)據(jù)采集模塊周期性地采集并存儲各過程參數(shù);然后，上位機(jī)要對采集到的實時參數(shù)進(jìn)行各種處理和分析，如實時數(shù)據(jù)顯示#65380;趨勢顯示#65380;報警比較和控制調(diào)節(jié)等[5]#65377;因此，在計算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或控制系統(tǒng)中，不僅需要對實時采集到的大量數(shù)據(jù)及已經(jīng)過去的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的組織和保存;實時數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)包含被控對象的所有實時信息和對被控對象進(jìn)行控制的控制信息，而且實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)要不斷地被更新，頻繁地和客戶端應(yīng)用程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交互;要為所有訪問這些數(shù)據(jù)的任務(wù)提供通用快捷的接口方式，以滿足不同任務(wù)對實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)查詢等要求，簡化實時作業(yè)的程序?qū)崿F(xiàn)#65377;所以，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，需要引入數(shù)據(jù)庫技術(shù)并對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計和管理#65377;

5結(jié)束語

本文所介紹的自備電廠監(jiān)視系統(tǒng)，在一次圖上可以動態(tài)的顯示實時數(shù)據(jù)，刷新周期為2s;可以很直觀的看到各斷路器的實時狀態(tài);報警參數(shù)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(jiān)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(tǒng)采用模塊化的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了總線和采集終端的混合網(wǎng)絡(luò)#65377;可靠性高，每一個數(shù)據(jù)采集模塊通過RS-485通信總線與系統(tǒng)構(gòu)成了一個 網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)采集模塊相互之間彼此獨立;可擴(kuò)充性好，每路RS-485通信總線可以支持32個數(shù)據(jù)采集模塊，增加采集模塊時只需接通硬件后在本系統(tǒng)作相應(yīng)的設(shè)置就可以使采集模塊工作在系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)充功能好，可以擴(kuò)充到32臺客戶端，足夠滿足用戶需求，且擴(kuò)充方便，只需在局域網(wǎng)內(nèi)下載客戶端安裝即可#65377;利用多線程技術(shù)實現(xiàn)了對三條總線的并行數(shù)據(jù)采集和高速數(shù)據(jù)存儲;利用網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)方便快捷的實現(xiàn)信息共享#65377;試運行表明系統(tǒng)穩(wěn)定#65380;設(shè)備狀況良好#65380;設(shè)計合理#65377;本系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)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(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。