電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置 第1章微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)

微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)第一章內(nèi)容提要微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組成模擬量輸入/輸出通道開(kāi)關(guān)量輸入/輸出通道干擾及其抑制數(shù)字濾波數(shù)據(jù)預(yù)處理交流采樣的電量計(jì)算圖1.1典型自動(dòng)控制裝置工作示意圖1.1微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組成1.1微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的硬件組成如圖1.2所示。整個(gè)系統(tǒng)由CPU、存儲(chǔ)器、定時(shí)器、監(jiān)視器、輸入/輸出通道、傳感器或變送器以及其他各種外設(shè)(外部設(shè)備)組成圖1.2微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)典型硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖(1)CPUCPU是微機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)工作的核心,它是集成在一片大規(guī)模集成電路上的運(yùn)算器和控制器的總成。CPU的運(yùn)算器由一個(gè)或多個(gè)累加器AC與算術(shù)邏輯部件ALU和一些專(zhuān)門(mén)的寄存器組成。可快速進(jìn)行算術(shù)與邏輯加減運(yùn)算,從而實(shí)現(xiàn)各種操作運(yùn)算。(2)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器存儲(chǔ)指令、程序、數(shù)據(jù)及中間運(yùn)算結(jié)果,設(shè)備的狀態(tài)也以數(shù)據(jù)方式存儲(chǔ)存儲(chǔ)器包括只讀存儲(chǔ)器(ROM)、紫外線擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM)、電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)及隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)。近年又有非易失性隨機(jī)存儲(chǔ)器(NVRAM)等新型存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器容量大小和訪問(wèn)時(shí)間直接影響整個(gè)微機(jī)系統(tǒng)的性能(3)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器在監(jiān)控系統(tǒng)中,它是十分重要的部件。微機(jī)系統(tǒng)是在規(guī)定時(shí)刻工作,它還向外設(shè)提供觸發(fā)采樣信號(hào),引起中斷采樣。在圖1.2中,定時(shí)與邏輯控制即該部件功能的體現(xiàn)。該部件還是將頻率變換為數(shù)字信號(hào)的關(guān)鍵部件(4)監(jiān)視器監(jiān)視器即看門(mén)狗(Watchdog)。自動(dòng)裝置的工作環(huán)境有多種干擾,尤其是在電力系統(tǒng)中,多存在電磁場(chǎng)干擾。當(dāng)裝置受到干擾后,可能導(dǎo)致微機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行程序出軌,從而使裝置工作癱瘓,為此設(shè)置監(jiān)視器,對(duì)微機(jī)系統(tǒng)工作進(jìn)行監(jiān)視,防止裝置受干擾而不能工作(5)變送器或傳感器受控設(shè)備的被測(cè)量經(jīng)變送器或傳感器送入監(jiān)控系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換輸入端(6)A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的部件為A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換模擬量為數(shù)字量的精度及速率,是評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)采集性能的主要依據(jù)(7)采樣/保持器(S/H)圖1.3采樣/保持器原理性電路圖(8)模擬多路開(kāi)關(guān)(Multiplexer,MUX)在實(shí)際的數(shù)據(jù)采樣中,輸入模擬量是多路的。在滿(mǎn)足采樣速率要求下,為節(jié)省硬件,往往只用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器(S/H往往也只用一個(gè)),如圖1.2所示。此時(shí),應(yīng)使用多路開(kāi)關(guān)與A/D配合,分時(shí)輪流切換各被測(cè)量與A/D接通。故MUX是數(shù)據(jù)采集中常用到的一個(gè)部件(9)模擬量輸出通道模擬量輸出通道由D/A轉(zhuǎn)換器與MUX組成當(dāng)只有一路模擬量輸出時(shí),裝置輸出的一組數(shù)字信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬量,經(jīng)保持器保持并經(jīng)過(guò)低通濾波器后作為輸出當(dāng)裝置要輸出多個(gè)模擬量時(shí),每一組數(shù)字信號(hào)在規(guī)定時(shí)刻經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換成模擬量,經(jīng)MUX的一路開(kāi)關(guān)輸出。由于多組數(shù)字量是以串聯(lián)定時(shí)方式經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換,故此時(shí)MUX的工作方式為單入多出方式對(duì)比于模擬量輸入,模擬量的輸出工作量模式恰好與輸入方式是對(duì)偶的(10)并口I/O通道及串口SIO通道裝置需要的若干開(kāi)關(guān)量(狀態(tài)量)或輸出的開(kāi)關(guān)量(狀態(tài)量)均用并行I/O接口接入或輸出,而數(shù)字量的輸入及輸出則用SIO(11)通信接口當(dāng)裝置需要與外部聯(lián)系通信時(shí),通過(guò)通信接口發(fā)收信息(12)其他CPU的其他外設(shè)及人機(jī)對(duì)話(huà)接口、電源1.1.2其他型式的微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)(1)基于單片機(jī)的測(cè)控單元單片機(jī)是專(zhuān)為實(shí)時(shí)監(jiān)控而設(shè)計(jì)并制造的。其CPU比通用的CPU簡(jiǎn)單,因而更可靠,適合面向?qū)崟r(shí)過(guò)程,且對(duì)輸入、輸出處理能力強(qiáng),而對(duì)于事件管理能力則較弱(2)基于工控機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)圖1.4工控機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)框圖(3)基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的測(cè)控單元圖1.5

DSP微機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.1.3集散控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem,DCS)圖1.6集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖1.6表示一個(gè)DCS系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)有一個(gè)管理級(jí)的上位機(jī)(工作站)。上位機(jī)進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集中管理、監(jiān)視及協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)各下位機(jī),即各DDC的工作。圖中每一個(gè)DDC系統(tǒng)即是一個(gè)獨(dú)立工作的測(cè)控系統(tǒng)(或單元,常稱(chēng)為子站)。各DDC完成不同的監(jiān)控功能。DDC又與管理級(jí)工作站進(jìn)行必要的信息交換,或者通過(guò)工作站取得需要的某一DDC系統(tǒng)的信息DCS系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)結(jié)合的成果1.1.4軟件功能說(shuō)明(1)信號(hào)采集與處理程序(2)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置(3)系統(tǒng)管理程序(4)通信程序1.2模擬量輸入/輸出通道

(1)采樣1實(shí)際采樣過(guò)程

圖1.7采樣過(guò)程示意圖圖1.8

采樣信號(hào)及其頻譜圖1.2.2量化與編碼圖1.9

量化與編碼過(guò)程示意圖

(2)編碼量化后的數(shù)字信號(hào)用某種碼制表示,即為編碼。若是二進(jìn)制編碼,則其量化與編碼同時(shí)完成1.2.3

A/D轉(zhuǎn)換原理

圖1.10逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器工作原理示意圖(1)D/A轉(zhuǎn)換

圖1.11

T形解碼網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換原理接線示意圖

圖1.11中,D0~D2為數(shù)字信號(hào)由低位到高位的輸出。D0~D2為“1”時(shí),受控開(kāi)關(guān)K0~K2接通右側(cè);D0~D2為“0”時(shí),則接通左側(cè)

(2)逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換工作過(guò)程逐次逼近式的寄存器與其D/A均為N位長(zhǎng)(二進(jìn)制數(shù)長(zhǎng))逐次逼近式A/D的技術(shù)參數(shù)包括分辨率、絕對(duì)精度、相對(duì)精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、電源靈敏度、工作溫度量程等。具體含義不再做進(jìn)一步介紹目前,還有基于電壓-頻率變換(VFC)方式的A/D轉(zhuǎn)換器,且已得到較多應(yīng)用1.2.4模擬量輸出通道

(1)D/A轉(zhuǎn)換及保持器1)電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A與保持器實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的工作原理圖1.12數(shù)模轉(zhuǎn)換過(guò)程示意圖其他類(lèi)型的D/A轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)介①基于電阻網(wǎng)絡(luò)的D/A可以構(gòu)成雙極性模擬量輸出通道②一類(lèi)D/A轉(zhuǎn)換是應(yīng)用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的(2)平滑濾波器的作用經(jīng)過(guò)零階保持器或一階保持器輸出的模擬量x'(t)都是非平滑信號(hào),即其中含有大量諧波成分,故實(shí)際上在保持器之后,均加上一低通濾波器平滑輸出信號(hào)。濾波器的通帶截止頻率應(yīng)根據(jù)實(shí)際信號(hào)類(lèi)別來(lái)確定1.3開(kāi)關(guān)量輸入/輸出通道圖1.13

開(kāi)關(guān)量輸入電路結(jié)構(gòu)框圖1.3.1消抖濾波電路當(dāng)輸入開(kāi)關(guān)量信號(hào)時(shí),因干擾或其他原因,可能會(huì)使接點(diǎn)抖動(dòng)或給出的狀態(tài)信號(hào)不穩(wěn)定而發(fā)生錯(cuò)誤,故應(yīng)設(shè)置消抖濾波電路消除噪聲。消抖電路的基本原理是在輸入信號(hào)路徑上加一積分電路,只當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到規(guī)定門(mén)檻值并經(jīng)積分延時(shí),才以穩(wěn)定的狀態(tài)作為輸入,送到下一個(gè)環(huán)節(jié)。1.3.2電隔離門(mén)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)量所處的是電壓較高的環(huán)境,而計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是低壓系統(tǒng),故應(yīng)加電隔離,以免高壓串入計(jì)算機(jī)而使之受損。加電隔離還可限制地回路電流因地線可能的錯(cuò)接而帶來(lái)的干擾。在每個(gè)回路都加隔離還可避開(kāi)多個(gè)輸入電路的影響。當(dāng)今的電隔離方法有繼電器隔離與光電隔離兩種(1)繼電器隔離現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的輔助接點(diǎn)作為開(kāi)關(guān)量要輸入計(jì)算機(jī)時(shí),通過(guò)輔助繼電器實(shí)現(xiàn)隔離,其原理接線如圖1.14(a)所示。S為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(如斷路器等)的輔助接點(diǎn)。KA為中間輔助繼電器,S'的接點(diǎn)通過(guò)與計(jì)算機(jī)配合的弱電電源Uc接入計(jì)算機(jī)回路,實(shí)現(xiàn)電隔離圖1.14

電隔離電路原理(2)光電隔離光電隔離的原理接線如圖1.14(b)所示。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備輔助接點(diǎn)動(dòng)作時(shí),發(fā)光二極管導(dǎo)通,產(chǎn)生光束,使光敏三極管飽和導(dǎo)通。圖1.14所示為射極輸出器方式,射極有輸出電平U0。根據(jù)要求不同,輸出也可接成集電極輸出方式1.3.3地址譯碼與驅(qū)動(dòng)控制的說(shuō)明監(jiān)控裝置中,輸入開(kāi)關(guān)量(信號(hào)源)均引入總線,輸出開(kāi)關(guān)量(視為負(fù)載)均由總線引出。此時(shí),因接入I/O為多組,以及總線工作方式、驅(qū)動(dòng)方式等問(wèn)題必須解決1.4干擾及其抑制

圖1.15

信號(hào)及常模干擾示意圖1.4.1常模干擾及其抑制（1）常模干擾的形式及干擾源常模干擾也稱(chēng)為常態(tài)干擾或串模干擾,是在有用信號(hào)上疊加了干擾噪聲信號(hào)。圖1.15示出了信號(hào)(設(shè)為一交流信號(hào))受干擾(設(shè)為諧波)后的波形畸變。干擾噪聲也可能是直流或其他隨機(jī)形式(2)抑制方法①信號(hào)源輸入端串入輸入濾波器,濾除高頻干擾②對(duì)于弱信號(hào),應(yīng)采用屏蔽線,并使強(qiáng)弱信號(hào)線分開(kāi)布線,減少電磁干擾;信號(hào)線采用雙絞線,以抵消同一電磁干擾源的干擾③加必要的用程序?qū)崿F(xiàn)的數(shù)字濾波(下一節(jié)專(zhuān)門(mén)介紹)④設(shè)計(jì)合理的接地系統(tǒng)1.4.2共模干擾及抑制圖1.16

共模干擾形成原理說(shuō)明圖(2)抑制方法要減小Unm的方法是:減少Ucm,加大Zc,盡量使電路平衡對(duì)稱(chēng),即減小Z2-Z11.5數(shù)字濾波

遞推平均濾波

(2)中位值法中位值法是一種很簡(jiǎn)單的濾波方式。對(duì)被濾波量每一次濾波計(jì)算是以連續(xù)采樣3次的值進(jìn)行比較,取中值作為有效采樣值(3)慣性濾波

1.5.2電信號(hào)的濾波方法

(1)離散傅立葉變換(1)離散傅立葉變換對(duì)于一個(gè)含有諧波的電量,已知可寫(xiě)成傅立葉級(jí)數(shù)表示式:式中

x(t)—被分析處理的電壓或電流;ω1—基波頻率

式中

k—諧波次數(shù)令k=1,則得出基波分量,類(lèi)推可求出其他分量

1.6數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.6.2極性處理若A/D轉(zhuǎn)換是單極性的,設(shè)輸入模擬量是雙極性的,則輸入時(shí),要加一偏置量,使輸入變?yōu)閱螛O性量。經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后,應(yīng)去除偏置量,使極性還原1