第六章、数据采集系统(DAS)

第六章数据采集系统（DAS）

1. 数据采集概述

数据采集的基本概念

随着计算机技术的发展与普及，数字设备正越来越多地取代模拟设备，在生产过程控制和科学研究等广泛的领域中，计算机测控技术正发挥着越来超重要的作用。然而，外部世界的大部分信息是以连续变化的物理量形式出现的，例如温度、压力、位移、速度等。要将这些信息送入计算机进行处理，就必须先将这些连续的物理量离散化，并进行量化编码，从而变成数字量，这个过程就是数据采集。它是计算机在监测、管理和控制一个系统的过程中，取得原始数据的主要手段。

数据采集就是将被测对象(外部世界、现场)的各种参量(可以是物理量，也可以是化学量、生物量等)通过各种传感元件做适当转换后，再经信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到计算机系统中进行处理、分析、存储和显示。用于数据采集的成套设备称为数据采集系统(Data Acquisition System，DAS)。

数据采集系统是计算机与外部世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。数据采集技术是信息科学的重要组成部分，已广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域，并且随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普及，数据采集技术特有广阔的发展前景。

数据采集系统追求的最主要目标有两个：一是精度，二是速度。对任何量值的测试都要有一定的精确度要求，否则将失去测试的意义；提高数据采集的速度不仅仅是提高了工作效率，更主要的是扩大数据采集系统的适用范围，便于实现动态测试。

现代数据采集系统具有如下主要特点：

(1)现代数据采集系统一般都由计算机控制，使得数据采集的质量和效率等大为提高，也节省了硬件投资。

(2)软件在数据采集系统的作用越来越大，这增加了系统设计

的灵活性。

(3)数据采集与数据处理相互结合得日益紧密，形成数据采集与处理系统采集、处理到控制的全部工作。

(4)数据采集过程一般都具有“实时”特性，实时的标准是能满足实际需要；对于通用数据采集系统一船希望有尽可能高的速度，以满足更多的应用环境。

(5)随着微电子技术的发展，电路集成度的提高，数据采集系统的体积越来越小，可取性越来越高，甚至出现了单片数据采集系统。

(6)总线在数据采集系统中的应用越来越广泛，总线技术对数据采集系统结构的发展起着重要的作用。

数据采集系统的基本组成

数据采集系统随着新型传感技术、微电子技术和计算机技术的发展而得到迅速发展。由于目前数据采集系统一般都使用计算机进行控制，因此数据采集系统有叫做计算机数据采集系统。

数据采集系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分又可分为模拟部分和数字部分。图是硬件基本组成示意图。下面简单介绍一下数据采集系统的各个组成部分。

数据采集系统硬件基本组成

传感器

传感器的作用是把非电的物理量转变成模拟电量(如电压、电流或频率)，例如使用热电偶、热电阻可以获得随温度变化的电

压，转速传感器常把转速转换为电脉冲等。通常把传感器输出到A／D转换器输出的这一段信号通道称为模拟通道。

放大器

放大器用来放大和缓冲输入信号。由于传感器输出的信号较小，例如常用的热电偶输出变化，往往在几毫伏到儿十毫伏之间；电阻应变片输出电压变化只有几个毫伏；人体生物电信号仅是微伏量级。因此，需要加以放大．以满足大多数A／D转换器的满量程输入5—10 V的要求。

滤波器

传感器和电路中的器件常会产生噪声，人为的发射源也可以通过各种捅合渠道使信号通道感染上噪声．例如工频传号可以成为一种人为的干扰顿。这种噪声可以用滤波器来衰减．以提高校拟输入信号的信噪比。

多路模拟开关

在数据采集系统中，往往要对多个物理量进行采集，即所谓多路巡回检测，这可通过多路模拟开关来实现。多路模拟开关可以分时选通来自多个输入通道的某一路信号，因此、在多路开关后的单元电路．如采样／保持电路、A／D及处理器电路等，只需一套即可．这样节省成本和体积。但这仅仅在物理且变化比较缓慢、变化周朗在数十至数百毫秒之间的情况下较合适。因为这时可以使用普通的数十微秒A／D转换器从容地分时处理这些信号。但当分时通道较多时．必须注意泄漏及逻辑安排等问题；当信号频率较高时，使用多路分路开关后，对A／D的转换速率要求也随之上升。模拟多路开关有时也可以安排在放大器之前，但当输入的信号电平较低时，涌注意选择多路模拟开关的类型。若选用集成电路的模拟多路开关，由于它比干黄或继电器组成的多路开关导通电阻大．泄漏电流大．因而有较大的误差产生。所以要根据具体情况来选择多路模拟开关的类型。

采样/保持器

模拟开关之后是模拟通道的转换部分，它包括采样／保持和A／D转换电路。采样／保持电路的作用是快速拾取模拟多路开

关输出的子样脉冲，并保持幅值恒定，以提高A／D转换器的转换精度，如果把采样／保持电路放在模拟多路开关之前(每道一个)．还可实现对瞬时信号进行同时采样。

A/D转换器

采样／保持器输出的信号送至模数转换器，模数转换器是模拟输入通道的关键电路。由于输入信号变化速度不同，系统对分辨力、精度、转换速率及成本的要求也不同，所以A／D转换器的种类也较多，早期的采样／保持器和模数转换器需要数据采集系统设计人员自行设计．目前普遍采用单片集成电路，有的单片A／D转换器内部还包含有采样／保持电路、基准电源和接口电路。这为系统设计提供了较大方便。A/D转换的结果输出给计算机。

计算机系统

计算机系统是整个计算机数据采集系统的核心。计算机控制整个计算机数据采集系统的正常工作，并且把A/D转换器输出的结果读入到内存，进行必要的数据分析和数据处理。计算机还需要把数据分析和处理之后的结果写入存储器以备将来分析和使用，通常还需要把结果显示出来。

2. 数据采集技术在电厂中的应用

电厂数据采集系统的发展概况

如今数据采集系统（DAS）是发电机组自动控制系统中一个重要的组成部分，以计算机数据采集系统全面替代盘装仪表已成为历史的必然。下面大致介绍一下数据采集系统在电厂中的发展历程。

数据采集系统在电厂中的应用经历了模拟显示向数字处理、显示、存储的过程，大致可分为单元仪表、组合仪表、组件组装仪表、小型计算机、微机分散控制系统五个阶段。

在单元仪表阶段里，数据采集仅仅将现场数据作为独立的参数供运行人员监视；组合仪表可以把多个同类参数组合到一个显示仪表是上显示，虽然大量节省了监视盘、台的空间，但仅限于一些辅助及次要数据。组建组装仪表阶段，已经具备了把多种不

同的数据经过简单计算显示出来，但远未达到数据处理及存储的水平。

以小型机为宿主机的计算机系统应用到发电厂数据采集系统中，是革命性的变革，到了这个时期，数据的处理、显示、存储、打印构成了数据采集的基本功能，利用计算机的高速处理能力完成事故记录并计算机组的效率称为可能，但受当时计算机硬件的限制，数据采集系统的可靠型并不高。加之此时的计算机还仅用于数据显示，使数据采集系统处于相对独立的地位，现场数据作为机组运行的依据，还远未能实现数据共享，分布计算的理想。20世纪80年代初，由于以微处理器为基础的微计算机及数据通信网络的广泛应用，微机分散控制系统进入了机组自动化领域，此时的数据采集系统不仅克服了小型机的种种不足，而且在运行操作指导、故障分析、统计报表等方面取得了长足的进步。

随着发电机组的容量增大，发电过程对数据采集的依赖性越来越大，传统的热控系统已不能满足机组安全、经济运行的要求。微机分散控制系统顺应了这一电力发展阶段，使数据采集系统不仅满足了机组运行的基本需求，而且以其高智能化、高可靠性优势，为机组安全、经济运行提供了前所未有的帮助。因此，从热控技术的发展上看，计算机技术，特别是微计算机技术和网络技术，促进了发电过程监控系统的发展。同时，电力系统的发展也使分散控制系统有着广阔的应用前景，而作为分散控制系统组成部分的数据采集系统也将得到更好的发展。

当今电厂数据采集系统的结构

当今大型火电机组单元采用多级网络式结构的数据采集系统，由分散处理单元、数据高速通道、操作员站、工程师站等人机接口构成，如图所示：

分散处理单元具有数据采集和处理功能，可以通过过程通道从现场采集各种过程变量，并将采集到的数据先进行初步的数据处理，然后送到数据高速通道。

过程通道是一个在生产过程与数据采集系统之间进行信心交换和传输的电路。过程通道按信息的传输方向可分为输入通道和输出通道。按信息类型可分为模拟量通道、数字量通道和脉冲量通道。模拟量是指随事件连续变化的量，如温度、压力、流量、液位、转速、振动、电流、电压等，模拟量通常要按比例经过量化和编码转换成数字量才能输入计算机；开关量是指只具有两个状态的过程量，如开关的“断开”与“闭合”，信号的“有”与“无”等，开关量要经过电平转换并按计算机字长进行分组才能输入计算机；脉冲量是指随着时间的推移周期性重复出现短暂起伏的过程量，如转速表输出的代表转速的一定频率的脉冲信号等，计算机要对单位时间内的脉冲进行计数才能知道该数值的大小。一般情况下，过程通道包括模拟量（AI ）通道、模拟量输出（AO ）通道、数字量输入（DI ）通道、数字量输出（DO ）通道、脉冲量输入（PI ）通道、脉冲量输出（PO ）通道六种类型。

高速数据通道负责分散处理单元和上一级计算机之间的联络通信，是数据采集系统的神经中枢，也是数据采集系统向分布式发展的基础。

操作员站从高速数据通道上获取全部 信息，经复杂的数字处理后通过人机接口装臵—CRT 、键盘（或鼠标等其他光电输入设备）、记录数据站、打印机等实现显示、打印、备份等功能，并建立数据库。

多级网络式结构DAS 总体示意

工程师站用于系统的组态和修改，也可作为操作员站的后备。

电厂数据采集系统的功能

数据采集系统是机组启停、正常运行和事故处理工况下的主要监视手段，通过CRT显示和打印机等人机接口向操作员提供各种实时和历史数据及信息以指导运行操作。数据采集系统的主要功能包括：数据采集与处理、屏幕显示、打印记录、历史数据存储和检索、性能计算等。此外，针对火电厂的特点和要求，还可实现设备的寿命管理、能量损耗分析和运行操作指导等高级处理功能。