分布式微机数据采集系统的实际应用

摘 要 本系统采用PC工业计算机实现数据现场采集，数据采集过程中使用了防干扰措施，对各类数据进行处理，避免采样失真，最后对网络控制进行了初步讨论，达到工业产品与民用相结合的目的。

关键词数据采集 数据处理 微机控制 网络管理

一、概述

1.课题背景

随着现代化建设的持续发展，人民的物质文化要求也逐步提高，但环境污染也日趋严重：空气中SO2排放量超标，污水任意横流，人民的生活受到极大的危害。为积极响应省电业局发布的《关于推广蓄能式电空调的通知》，本单位与化工设计院联合开发了一种新型的环保节能型产品：CDR常压电热水机组，其采用蓄能技术，利用夜间低谷电价开启电加热器，将水加热后按需送到用户端。

2.问题引入

目前在工作中，还只遇到使用单台机组的客户，如果采暖供热负荷大，需要多台机组怎么办？机组与机组之间由于型号、运行状况的不同而存在区别，各蓄热水箱之间也存在着水流和温度交换，为了让几台机组分工协作达到最佳的工控状态，必须组成一个多机组系统。在论文中，首先对数据采集系统方面着手，将水温、水量、耗电量等反映机组的实际运行参数进行实时微机采集，并分析结果、打印，最后提供多机组网络控制的方法。

二、基本原理

1.系统组成及工作原理简述

（1）系统由PC总线工业控制计算机系统、测量控制柜、动力控制柜及配套传感器等组成：其中PC总线计算机是工业控制计算机IPC（主频100MHZ，内存16M，硬盘2G）共有12个扩展槽，可配多种工业级模板。系统配置了虚盘板（VDLSK），A/D，D/A，TIMER，PIO等模板，还具有自动恢复功能。

报警信号及水位、水温控制，紧急停车控制信号由计算机做出判断并通过系统控制柜实现控制，传感器输出的信号（温度、压力、水量等）可经二次仪表测量转换后通过隔离数据采集器的并行或串行接口模板转变为4位并行BCD编码通过计算机的PIO模板由计算机进行采集。电度表采用三相脉冲式电表，可输出脉冲信号。

（2）过程通道的抗干扰－模拟量数据采集过程通道遇到长距离的平行线间电容耦合，空间磁场耦合及大功率接地网等问题。为了消]除干扰，采用的措施有：①用双绞线引入各输入量；②采用屏蔽措施；③采用正确的接地措施。

（3）模拟量数据的抗干扰－我们可以采用软件措施，即数字滤波方法来处理进入模拟量数据采集装置的工频周期性干扰信号和随机干扰信号。

2.系统的主要用途，功能和特点

（1）系统的主要用途：①对电热机组进行温度自动控制，包括试验运行；②变工况，调节最佳经济运行模式；③多机组并网协同作业。

（2）系统的主要功能和特点：①具有程序控制功能，可实现多循环的程序控制，自动调整电热管的投切根数，保证稳定调节；②运行过程中，使用光标可修改机组定时开、关机时间，控制加热器投切的温度参数，显示蓄热罐及机组的出水温度、系统的负荷状态图和温度曲线图；③能实现数据的自动采集，统计处理，剔除可疑数据，显示结果并打印成表；④对主要参数，如水位、水温具有监测、报警及应急处理能力、紧急停机后能打印前后250秒内数据，以供分析；⑤操作极为简单，参数修改只需移动光标；⑥运行安全可靠。采用了隔离技术，计算机浮空运行，固化软件，不担心程序被毁；⑦采用虚拟存储器（虚盘）存储数据，提高了存取速度和运行可靠性。

三、微机数据采集系统

（1）系统设计构造。当今的自动控制测量系统无一例外都以可靠性为第一位，为了适应不用用户要求，同时提高本系统运行可靠性，着重考虑了以下问题：1计算机机型的选择：考虑使用IPC工业控制计算机，并配备各种I/O模板；2可靠性考虑：采用了冗余容错设计。

（2）系统实现方法。首先，硬件介绍：①隔离型测量板-是由测量转换电路和放大器、A/D转换、隔离及缓冲输出等部分构成，其中放大器采用斩波稳零放大器7650，A/D转换器采用MC14433三位半转换器，转化器输出的串行BCD码经过74LS75锁存器锁存后，再经TLQ－521光电耦合器隔离，然后输出到74LS244缓冲器的输入端。缓冲器被选通后输出并行BCD码，解决了计算机的隔离问题，只要电桥桥源稳定，测量精度就能保证。 ②串行接口板－ 是将测量仪表输出的串行BCD码转换为并行BCD码供计算机采集的设备，由锁存、光电隔离、缓冲器等部分构成，由3位半A/D转换器输出的串行BCD码先经74LS75锁存器锁存后，通过TLQ-521光电耦合器隔离，然后送到74LS244缓冲器的输入端。当缓冲器的选通方式STB为低时，缓冲器被选通，并行BCD码即被送入数据采集器的总线上。③隔离数据采集器-其底板是总线结构，有可插一块总线软接板，一块继电器模板、14块接口板（串行、并行或测量模板）。其次，软件介绍：本系统采用查询方式的数据采集系统。查询式输入，通常在程序控制下的传送方式传送前，先去查一下外设状态，当外设准备好了才传送，若未准备好，则CPU就等待。读放的数据是8位的，或16位的，而读入的状态信息往往是一位的。查询部分程序如下：

POLL：INAL，STATUS＝PORT；从状态端口输入状态信息

TEST AL ， 80H；检查Ready是否为1

JE POLL；未Ready，循环

IN AL ，DATA＝PORT ；Ready，从数据端口输入数据。

查询式输出。同样，在输出时CPU也必须了解外设的状态，看外设是否有空，若为空，则CPU执行输出指令，否则就等待。查询部分程序为：

POLL： IN AL ，STATUS－PORT ； 从状态口输入

TESTAL ， 80H； 检查BUSY

JNEPOLL 忙则等待

MOV ALSTORE ； 否则取数

OUTDATA－PORT AL； 输出

（3）脉冲数据的处理。采用8254来采集实时数据中脉冲量信号（如脉冲电表，转子流量计等），系统将其2号计数器作为实时钟，去定时触发A／D中断；将1号计数器用于测量脉冲电表的脉冲数，然后将2号计数器的OUT口连到系统实时钟的中断口上，将外来的脉冲信号连到1号计数器的CLK口上。

C语言程序如下：

VOID SET32（）按ADC30板的设置，8254口地址

{安排如下：

BASE=OX290 设置ADC30板的基本地址为290（十六进制）控制字寄存器的基本地址加7

OUTP(BASE+7,OXB7) 写控制字，选计数器2，模式3，BCD 0号计数器为基本地址加4

OUTP(BASE+6,OXO) 主机输入到ADC30的频率为4MHZ 1号计数器为基本地址加5

OUTP(BASE+6,OX80)计数值为8000，每2MS可计数到零， 2号计数器为基本地址加6

OUTP(BASE+7,OX70) ；计数器2的输出频率为500HZ，该信号作为实时钟去控制中断。

}写控制字，选计数器1，模式0，二进制计数

在开始计数前先置初值

OUTP(BASE+5,0)先写低字节

OUTP(BASE+5,0)后写高字节

中断子程序

while(iheadp(=itailp){

count2++ 进入中断后，count2计数

if (count2==500{ 若中断达500次

OUTP(BASE+7.OX40) 写控制字，锁计数器1

Low-byte=inportb(base+5) 读计数器1的低字节

High=byte=inportb(base+5) 读计数器1的高字节

Rev(j)=High-byte*256+Low-byte 转换进制

Rev(j)=65535-rev(j)将倒计数转换为正计数值

J=j+1 记下已采集一点

OUTP(BASE+5,0)；重置，计数器再清零，重新开始计数

OUTP(BASE+5,0)； 选低字节后高字节

count2=0重置count2

print(“second is %d/n”,j) ；显示采集了几秒

}

}

中断返回，待下次中断到达时再重复，rer[j]数组中存放的是所测的外来脉冲的每秒脉冲。

四、多机组控制系统

（1）硬件选择及配置。当各电热机组装配好以后，利用多台机组构成一个串行通讯网络，使它们相互之间平衡运行时间。每台机组都设一个串行通信接口，此外加装长线收发电路，获得网络接口，主机（上位机）加装一个通信变换器组成其网络接口。若系统分散距离长，且要穿越电磁干扰的强电区，传输介质应采用屏蔽双绞线，主机向各机组发送命令和数据，各从机向主机发回应答信号和采集的数据，各从机间无数据传送要求。

通讯接口电路简介：采用长线收发集成电路芯片J274，J275，及光电隔离器构成了通信接口。J274将CPU的TXD端发送的单极度信号转换成差分信号送入总线进行平衡传输。J275将从总线接收差分信号转换成单极度信号送给CPU的RXD端，用J274、J275进行远距离通信时，可按传输的特性阻抗Z0。来选择终端，始端电阻Rt，以消除长线反射，一般情况下，可选Rt＝Z0。J275有很高的接收灵敏度。它能接收25MV的差分信号，且有较强的共模抑制能力，最大传输距离为2000M。

（2）软件配置。网络协议选择在工业控制网络中，有3种建议标准，这三种分别称为802.3、802.4和802.5。在标准中规定：①收发控制方式有两种；CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection、载波侦听、多重访问、冲突检测）方式和通信证明（Token）——令牌传递方式。②网络结构有两种：总线形和环形。③物理信息有单信道和多信道两种。单信道采用基带传输，信息经编码调制后直接传输，比较简单。多信道采用宽带传输。通信协议是通信双方如何进行的约定和规则。它决定了网络通信中传输的信息报文格式与控制方式，主要功能是数据交换信息编码、差错控制与线路合理利用等。通信协议按功能将协议分为若干层，每一层都利用下一层提供的服务来实现本层的功能形成层次结构，层与层之间通过接口来相互联系。国际标准化组织（ ISO）提供了一个标准的协议结构——开放系统互联（OSI）参考模式。OSI参考模型共有七层，从下至上划分为物理层、链路层、网络层、传输层、对话层、表示层、应用层。各层的功能为：物理层：主要是完成原始比特传输；数据链路层：完成相邻结点数据可靠传输；网络层：完成不同主机之间数据通讯；传输层：为用户建立多条逻辑通道，允许多用户共享多条逻辑信道，并兼有端一端控制功能；对话层：用户进程的建立或拆除，对连接传输进行管理；表示层：信息格式的转换如文本压缩、加密等；应用层：该层实现的功能取决于用户和系统就用管理进程。

美国电子电气工程师协会的IEEE802标准于1984年已被国际标准化组织正式采纳，介于它对工业过程控制环境有一定的局限性。国际电工总委会（IEC）把用于分散型控制系统的数据通信系统定名为过程数据公路(Process Data Highway)，简称Proway,为分散型过程控制系统的计算机局部区域网制订的标准称为Proway C。Proway C标准在IEEE802.2和IEEE802.4标准的基础上，根据工业应用网络的需要进行适当地扩充和修改而制订的。它与IEEE提出的标准是不矛盾的，只不过更进一步细化了其中与实时控制有关的细节。为了满足实时控制的需要，Proway主要规定了以下几点：①可靠性；②实时性；③流程控制；④数据传输分类：分三类传输服务数据报文、传递信息传输和会话服务。过程数据公路Proway已在分散型过程控制中得到推广应用。其基本特点有：①拓扑结构主要有两种，即总线结构和环形结构。环型结构属于集中控制，即各工作站间无主从关系，各工作站首尾相连形成环形通信回路。信息传递始终是单向的。因此通信接口简单，实时性好, 但由于这种形式是将各站点串接而成的，站点间的正常联系不仅与站点本身的状态正常与否有关，还与信息经由的中间站的状态正常与否有关。所采用的介质存取方法多用令牌方式。②链路级传输规程多采用HDLC（High Level Data Link Control)即高级数据链路控制程，但为了适应工业环境的需要，对有关规程作了相应修改。本设计考虑总线结构。③目前的过程数据公路系统由通信控制器，数据通信接口和通信干线等部分组成。通信控制器负责整个通信系统的管理和通信权的分配；数据通信接口起着将各种工业自动化装置挂到通信公路上的作用；通信干线则是各装置和站点间传递信息的媒介。

对总线网而言，总线数据传输的方式有基带和宽带两种方式。基带传输是使用数字信号直接传输，媒体的整个频率范围都用来传输数字信号。其特点是实现容易且成本低廉，缺点是传输距离受限制，宽带传输是采用模拟信号传输，将通信媒体的频率范围划分成几个信道或几段带宽，用于传输不同的信号如图像、声音等。本系统考虑基带传输。

（3）网络管理。一个厂矿或居民小区有几台或十几台电热水机组，为了科学有效管理,对每台机组的工作日、耗水量、用电量及现场状态跟踪及时进行数据采集，并将结果显示并打印，使用户能根据现场情况做出相应判断，调整各台机组的运行状况，达到充分有效地节约人力、物力、提高生产效率和生活质量。网络管理就是让用户高效进行科学管理的方法，它包括以下方面：①安全管理：是保障网络正常运行的重要手段，包括用户验证、访问授权，访问时间限制等。②计费管理：每天可以对各台机组进行水、电量耗费的统计管理。③报警预测：对有故障的节点会提醒用户及时处理，若用户没有在规定时间内作业响应，系统会将自动将相应故障点屏蔽，使整个机组用户正常运行。

（4）从机通信服务程序清单。

参考文献：

[1]周明德；微型计算机系统原理及应用

[2]凌洽，李寿成；PC总线工业控制系统精粹；清华大学出版社

[3]胡道元；计算机局域网；清华大学出版社

[4]陈火旺，钱家骅，孙永强；编译原理；国防工业出版社

[5]IBMPC／XT（长城0520）接口技术及其应用；南开大学出版社.

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