监控数据采集与监控系统.docx
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监控数据采集与监控系统
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第一章数据采集与监控系统
第一节数据采集系统的基本结构
近年来，世界各国的火力发电设备发展方向是采用高参数大容量的单元式机组。
机组容量越大，热力系统越复杂，需要监视的参数和操作的对象也就越多。
特别是在机组的启停和事故处理过程中，机组处于不稳定的状态下工作，各种参数不断迅速变化，在同一瞬间需要同时进行几个参数的监视和操作，甚至有时要求运行人员在几分钟内完成几十个操作动作，稍有贻误就容易造成重大事故。
以一台300MW机组为例，它需要监视的项目在900～1100点左右，如此多的数据如果用常规仪表去监视和测量，无论是在设计还是在运行上都有相当大的困难，一方面将使控制盘的尺寸大幅度增加，另一方面会给运行人员的监盘造成极大困难，劳动强度大，更易造成误操作，直接威协机组的安全运行。
为了改变这一状况，在国内外大型火力发电机组上都广泛采用计算机对生产过程进行监视和测量，该计算机系统一般称为数据采集系统（DataAcquisitionSystem简称DAS），或者将其称为计算机安全监视系统、计算机信息处理系统、数据采集监视和处理系统等。
计算机数据采集系统，可采用小型机、单台微型机、或多台微型机构成。
一、小型计算机数据采集系统
以小型计算机构成的典型数据采集系统如图6-1所示。
小型计算机数据采集系统采用双总线式结构，即内存总线与I/O总线分开。
系统中所有的过程变量经过程通道连接在I/O总线上，其中包括各种模拟量输入、开关量输入、脉冲量输入、模拟量输出、开关量输出等。
在I/O总线上还挂有专用接口，用以连接其它计算机装置或系统。
在I/O总线上挂有硬盘驱动器，用以存贮操作系统、各种文件及数据。
磁盘由专门的文件管理系统进行管理。
主要人机联系设备有：
运行人员操作台、工程师操作台和程序员操作台，亦挂在I/O总线上。
由小型计算机构成的数据采集系统具有以下特点：
（1）由于小型机一般设有专门的I/O总线和I/O处理机，所以它与外部或外围设备交换的信息可以由I/O处理机进行处理，这样就可以加快I/O处理的速度和提高外设与主机之间工作的并行程度。
（2）小型计算机具有较高的运算速度和处理能力，可以进行大量的、复杂的运算和数据处理，因此，规模比较大和运算比较复杂的数据采集系统可以采用小型机构成系统。
（3）小型计算机具有比较强的外部设备驱动能力，因此可以满足各种不同层次的数据处理要求。
（4）小型计算机一般配有比较完善的指令系统，而且能够支持多种高级语言，具有更加完善的操作系统和应用软件。
图6-1小型计算机DAS系统框图
二、微型计算机数据采集系统
以微型计算机构成的数据采集系统如图6-2所示。
微型计算机DAS系统一般采用单总线结构，目前比较流行的总线有STD总线、S100总线、MULTIBUS总线、APPLEⅡ总线、IBM-PC总线等。
所有的过程I/O都经过相应的模件送入系统，这一点同小型计算机系统差别不大。
但由于没有I/O处理机，所以一切I/O操作都要由CPU去管理。
在这种类型的系统中，常用的人机联系设备有CRT、键盘和打印机。
另外，系统一般不设程序员操作台，程序员同工程师合用一台终端设备。
在更小的系统中，所有的工作均在运行员用CRT和键盘上进行。
微型计算机数据采集系统的特点是：
（1）系统的结构简单、容易实现，能够满足中、小规模数据采集系统的要求；
（2）微型计算机对环境的要求不像小型机那样苛刻，能够在比较恶劣的环境下工作；
（3）微型计算机的价格低廉，可降低数据采集系统的投资，即使是比较小的系统，也可以采用它；
（4）采用微型计算机的数据采集系统可以作为分布式数据采集系统的一个基本组成部分进一步扩充。
（5）微机的应用有比较坚实的基础，各种I/O模板及应用软件都比较齐全，便于使用，便于维修。
图6-2微型计算机DAS系统框图
三、分布式数据采集系统
分布式数据采集系统的结构如图6-3所示。
分布式数据采集系统是计算机网络技术不断发展的产物，它由若干个“站”和通讯网络组成。
“站”一般可分为三类：
数据采集站、运行员操作站和工程师操作站。
事实上，一个分布式数据采集系统配上基本控制站以后，就可形成分散控制系统，所以有关分布式数据采集系统中的其他问题，如通信问题、人机接口问题、系统组态问题都与分散控制系统基本相同。
分布式数据采集系统的主要特点是：
（1）系统的适应能力强无论是大规模的系统，还是中小规模的系统，分布式系统都能够适应，因为它可以通过选用适当数量的数据采集站以及适当数量的运行员操作站来达到此目的。
小型计算机和微型计算机DAS系统就不是这样，一个小型计算机DAS系统用于小规模的生产过程显得大材小用，而一个微型计算机DAS系统用于大规模的生产过程则显得力不从心。
（2）系统的可靠性高由于采用了多个以微处理机为核心的智能装置，所以它不像小型计算机系统那样，一旦CPU发生故障，就会造成整个DAS系统瘫痪。
某个数据采集站发生故障，只影响一部分参数的监测，而不会对系统其它部分造成任何影响。
（3）系统的实用响应性好系统中各个微处理机之间是真正“并行”工作的，所以系统的实时影响特性比较好，这一点对于数据采集这类应用来说还并不显得特别重要，但对于控制系统来说，则是一个很突出的优点。
（4）对系统硬件的要求比较低由于分布式数据采集系统采用了多机并行处理方式，所以每一个微处理机仅完成数量十分有限的数据采集和处理任务，因此，它对硬件的要求比较低，可以用廉价的硬件组成高性能的系统。
这是其它方案所不可比拟的。
图6-3分布式DAS系统框图
第二节数据采集系统的基本功能
计算机数据采集系统应具备的基本功能一般有：
数据采集、输入信号预处理、报警、开关量变态处理、事故顺序记录、CRT显示、打印制表与拷贝、操作请求与操作指导、事故追忆、二次参数计算、性能计算和经济分析、人机联系等。
以下以润金电厂350MW超临界机组的数据采集系统为例，说明数据采集系统的基本功能。
一、350MW超临界机组DAS概述
该机组数据采集系统（DAS）作为DCS的一部分，应连续采集和处理所有与机组有关的重要测点信号及设备状态信号，以便及时向操作人员提供有关的运行信息，实现机组安全经济运行。
一旦机组发生任何异常工况，应及时报警，提高机组的可利用率。
DAS的基本功能包括：
（1）显示：
包括模拟图显示、操作显示、成组显示、棒状图显示、报警显示等。
（2）制表记录：
包括定期记录、事故追忆记录、事件顺序（SOE）记录等。
（3）历史数据保存和检索
（4）性能计算
二、350MW超临界机组DAS的功能
（一）数据采集功能
（1）按规定的扫描周期，连续地采集全部模拟量。
扫描周期视模拟量参数重要性及变化速度而定。
（2）在1秒种内，对全部的开关量进行一遍采集更新。
（3）对于重要的开关量变态，需要进行事件顺序记录，系统能够在采集过程中区分先后秩序，精度为1～5毫秒。
（4）具有采集脉冲量的功能，通过系统内部计数器，接受发电量，用电量等的脉冲信号，应用软件按一定周期读入计数值。
（二）输入信号预处理功能
（1）对所有模拟量输入信息，通过极值、变化率、相关比较等办法作正确性判断和误差检查，包括对变送器信号故障的检查和处理，对不正确的或误差超限的信号进行自动显示报警。
（2）对波动较大的模拟信号进行数字滤波，以消除噪声（如汽包水位、主汽和给水流量、炉膛负压等）。
（3）对热电偶、差压流量等非线性模拟量输入信号进行线性化处理。
（4）具有热电偶冷端温度补偿和开路检查功能。
（5）实现信号的工程单位变换，包括标度变换、标准校正、漂移测试、增益优化、偏移校正等。
（6）对开关量输出信号进行有效性检查。
（7）对脉冲量信号进行累积，并具有自清零和溢出指示。
（三）CRT显示功能
每个CRT均可将全部过程变量的实时数据和运行设备的状态，以适合于运行人员监视的方式显示出来，屏幕上显示的内容统称为画面。
1、画面显示的基本要求
（1）采用最新的窗口显示技术，提供的显示应具有诸如多窗口显示、滚动画面显示、图像缩放显示、菜单驱动显示等功能。
（2）操作和监视显示应按层组织（例如分为概貌显示、区域显示和功能组显示）。
以使运行人员方便地翻页，获得操作所必需的细节和对特定的工况进行分析。
（3）应提供快捷切换显示的手段（如导航窗口、下拉菜单），使运行人员无须对画面的切换步骤有过多的记忆；同时还应提供热键，允许运行人员一次击键即能调出由于监视或控制的其它显示画面。
（4）每个LCD应能综合显示字符和图象信息，机组运行人员通过LCD实现对机组运行过程的操作和监视。
（5）应可显示DCS系统内所有的过程点，包括模拟量输入、模拟量输出、数字量输入、数字量输出、中间变量和计算值。
对显示的每一个过程点，应能显示其标识号、英文说明、数值、性质、工程单位、高低限值等。
2、机组模拟图显示
用于表示炉、机、电等各局部工艺系统流程的画面。
每幅画面能显示过程变量的实时数据和运行设备的状态（包括中间计算值和调节阀门／挡板的位置），这些数据和状态应每秒更新一次。
显示的颜色或图形应随过程状态的变化而变化。
棒状图和趋势图应能显示在任意一个画面的任何一个部位上。
运行人员可通过点击画面中的任何可操图例或实时显示数据，对被控装置进行手动控制或对数据内容进行查询。
画面上的设备正处于自动顺控状态时，模拟图上应反映出运行设备的最新状态及自动程序目前进行至哪一步。
若自动顺序失败，则应有报警并显示故障出现在顺序的哪一步，且可切换到自动顺序逻辑原理图，显示条件满足情况。
用户可在工程师站和操作员站上，使用该站的画面生成程序自己制作和修改画面。
3、操作显示
操作显示可按不同类型（如调节、顺控）分层（概貌、功能组显示等）设计。
对机组和设备运行时的操作指导由LCD的图像和文字显示出来。
操作指导划分为四个部分：
起动方式、正常方式、停机和跳闸方式。
所有的操作许可、联锁、闭锁条件和正在执行的控制逻辑都可通过梯形图或类似的画面在线看到。
运行人员或工程师可通过各种主控和功能组操作显示画面，对控制方式、控制回路和参数进行操作或调整。
4、标准画面显示
标准画面显示包括报警显示、趋势显示、成组显示、棒状图显示等标准画面显示。
（1）成组参数显示
在技术上相关联的模拟量和数字量信号，应组合成成组显示画面，并保存在存储器内，便于运行人员调用。
成组显示应能便于运行人员按需要进行组合，并且根据需要存入存储器或从存储器中删除。
（2）棒状图显示
将同类参数用水平或垂直棒图排列在一起，以显示数值大小的画面。
每条棒均配以刻度比例尺和越限标记，用不同颜色区别越限情况，并与棒图同步地配以实时的数字参数显示。
（3）趋势显示
提供450点历史数据的趋势和450点实时数据的趋势显示。
趋势显示可用整幅画面显示，也可在任何其它画面的某一部位，用任意尺寸显示。
所有模拟量信号及计算值，均可设置为趋势显示。
在同一幅LCD显示画面上，在同一时间轴上，采用不同的显示颜色，应能同时显示8个模拟量数值的趋势。
在一幅趋势显示画面中，运行人员可重新设置趋势变量及量程、趋势显示数目、时间标度、时间基准及趋势显示的颜色。
趋势显示应可存储在内部存储器中，存储时间至少为72小时，并应便于运行人员调用，运行人员亦可按要求组态趋势并保存在外部存储器中，以便调用。
（4）报警显示
通过接点状态的变化，或者参照预先存储的参考值，对模拟量输入、计算点、平均值、变化速率、其它变换值进行扫描比较，分辨出状态的异常、正常或状态的变化。
若确认某一点越过预先设置的限值，LCD屏幕应显示报警画面，并发出声响信号。
报警分析软件应具有自学习功能，运行人员对报警的正确处理可被载入分析软件的信息库，以便下一次报警产生时指导运行人员正确操作。
报警显示应按时间顺序排列，最新发生的报警应优先显示在报警画面的顶部，每个报警点可有六个不同的优先级，并且六种不同的颜色显示该点的Tag，加以区分。
5、其它显示
（1）Help显示
在线的Help显示软件包可帮助运行人员在机组的启、停、运行或紧急工况时，进行操作帮助。
（2）系统状态显示
系统状态显示应表示出与数据高速公路相连接的各个站的状态。
各个站内所有I/O模件的运行状态均应包括在系统状态显示中，任何一个站或模件发生故障，相应的状态显示画面应改变颜色和亮度以引起运行人员的注意。
（四）记录
所有记录均可对标题进行编辑，记录功能可由程序指令或运行人员指令控制，数据库中的所有过程点均可以进行记录。
（1）定期记录
定期记录包括交接班记录、日报、和月报。
对交接班记录和日报，系统可在每一小时的时间间隔内，提供500个预选变量的记录。
而对月报，则在每一天的时间间隔内，提供500个预选变量的记录。
在每一个交接班后，或每一天结束时，或每一个月结束时，可自动进行记录打印或根据运行人员指令召唤打印。
（2）运行人员操作记录
系统应记录运行人员在集控室进行的所有操作项目及每次操作的精确时间，以及准确的操作站名。
通过对运行人员操作行为的准确记录，可便于分析运行人员的操作过程，分析机组事故的原因。
（3）事件顺序记录（SOE）
SOE系统作为DCS整体的组成部分，提供高速顺序记录，其时间分辨率不大于1ms。
所有事件记录应参比于同一时间标准。
SOE具备以下功能：
在SOE数据收集启动后通知操作员站和报警打印机；SOE卡件具备数字量输入卡件的所有功能；SOE报表的历史数据存储和检索功能。
接入该装置的任一测点发生状态变化至特定状态时，立即启动事件顺序记录装置。
事件顺序记录应包括测点状态、描述、按时间顺序排列，并按时、分、秒和毫秒打印出来。
（4）跳闸记录
提供跳闸后的分析记录。
一旦检测到机组某一主设备跳闸，程序应立即打印出表征机组主设备128个变量的完整记录，提供跳闸前10分钟以10秒时间间隔和跳闸后5分钟以1秒时间间隔的快速记录。
（5）操作员记录
操作员记录可按要求进行。
可预先选择记录打印的时间间隔或立即由打印机打印出来。
操作员记录可由20个组构成，每组16个参数。
所有具有地址的点均可设置到操作员记录中。
（6）设备运行记录
可连续记录出泵、风机等主要设备的累计运行小时数和启停次数，自动调节系统的连续运行时间和累计运行时间以及其它考核指标等，上述数据须每天定时上传给SIS系统。
（7）报警记录
报警记录至少应有5000个存储报警点。
（五）历史数据的存储和检索（HSR）
设置HSR的目的是为了保存长期的详细的运行资料。
提供的历史数据站具备系统和网络管理、数据库管理、数据存储及检索功能。
在DCS的任何操作员站上均能进行历史数据的检索，并设立一台独立的历史数据站。
（六）性能计算
在线性能计算主要是计算汽轮发电机组及其辅机的各种效率及性能参数。
计算值可上传至SIS，作为全厂性能计算的依据。
性能计算软件包带有焓熵值自动调用功能。
性能计算的主要内容如下。
1、热力系统性能计算
热力系统性能计算的主要项目有：
机组净热耗率、循环热效率、汽轮机内效率、汽轮机各缸效率、锅炉效率、加热器效率、凝汽器效率、空气预热器效率、给水泵和给水泵汽轮机效率等。
2、电气系统性能计算
电气系统性能计算的主要项目有：
发电机有功电度和无功电度、厂用电率、厂用电量、发电机功率因数、主要设备运行小时数、断路器跳合闸次数、发电机发电量、发电机负荷曲线、厂用电负荷曲线等。
3、锅炉超温统计
根据电厂运行和事故处理规程，编制和设计机组和设备运行时的超温统计，并由LCD的图像和文字显示出来。
（七）人机联系功能
人机联系功能分为三个方面，即运行员操作功能、工程师操作功能和程序员操作功能。
1、运行员操作功能
运行员可通过运行员操作台上的键盘和CRT与数据采集系统对话，选择所需要的画面，或者请求打印某些参数。
另外，还可以设定系统的运行方式，关闭或开放某些测点，设定打印点和打印时间，等等。
2、工程师操作功能
面向生产管理的工程师利用DAS系统所配置的终端和键盘，可完成系统生成、参数设定和修改、表格设定和修改以及各种文件的查阅和修改等。
工程师还可以设定各测点的报警值、标度变换系数、各种曲线的基值和比例尺，选择自动推出的画面，修改或建立各种画面等等。
3、程序员操作功能
面向计算机软件的程序员，一般通过终端设备来管理DAS系统的软件。
这些管理工作包括：
软件的开发、调试、装入、启动、挂起、撤消等等。
另外还可以观察软件系统的运行情况，获取系统和用户程序的动态参数。
三、350MW超临界机组数据输入输出的分类统计
进入数据采集系统的参数，既是需要实时监视的参数，同时也应满足计算机应用功能的要求。
根据数据种类的不同，采集系统的输入大体上分模拟输入、开关量输入、脉冲量输入等，采集系统的输出大体上分模拟量输出和开关量输出。
（一）模拟量输入
模拟量是生产过程中连续变化的参量，如温度、压力、流量、电压、电流等。
一般来说，除辅助车间工艺系统的某些检测参数（已进入小型巡测装置的检测温度和一些配有专用显示仪表的成份分析、火焰检测等参数）外，模拟量均应输入主数据采集系统。
具体来说，包括以下参数：
1.机组起停、运行及事故处理过程中需要监视和记录的参数；
2.实时制表所需要的参数；
3.二次参数计算、参数修正或补偿所需要的相关参数；
4.主要性能计算和经济分析所需要的参数；
5.重要的风门、档扳开度及油动机行程等参数；
6.主要电气参数。
如果根据模拟量信号种类来分的话，大致上有热电阻信号（主要有pt100、pt10、Cu50等）、热电偶信号（主要有K分度、E分度、T分度等）、传感器和变送器输出信号（主要有0～10mA、4～20mA、0～5V、1～5V、0～10V等）等几种类型。
当然，以上所述信号主要指就地设备取来的信号，除此之外，分散控制系统的其它子系统已有的参数，可通过通信网络传入数据采集系统；汽轮机DEH系统的某些参数，宜通过通信接口进入数据采集系统；辅助车间系统，如果采用可编程序控制器，也可通过通信接口输入系统，以便运行人员在集控室对全厂运行情况进行监视。
表6-1模拟量输入参数的采样周期
测量参数
采样周期（秒）
汽机转速、凝汽器真空、炉膛负压、汽包水位
≤1
压力、风压、负压、真空、主蒸温度、电气参量
≤5
液位
≤10
温度
≤30
成份、物位
≤60
模拟量输入参数的采样周期是根据模拟量的动态特性及重要性进行确定的，一般不得低于表6-1所示标准。
（二）开关量输入
开关量输入也可称为数字量输入，它反映的是状态变化的数据，其主要功能是记录被监视和控制点的状态。
它只记录两种状态信息，即用“1”和“0”信号来表示“有”和“无”，“投”和“切”、“开”或“关”等相互对立的状态。
一般来说，开关量可分为以下几类：
1.反映各种阀门、挡板、执行器开关状态的接点；
2.反映主机和主要辅机运行状态的接点；
3.主要保护动作输出及重要参数越限报警接点；
4.反映各系统及设备电源监视的接点；
5.反映操作状态的接点；
6.反映连锁、保护及自动装置切换状态的接点；
7.发电机—变速器组断路器和隔离开关状态接点；
8.高、低压厂用变压器断路器状态接点。
从重要性上来分，开关量信号输入有一般型开关量输入和中断型开关量输入两类。
一般型开关量输入反映的是一般的状态变化或报警状态变化；而中断型开关量输入反映的是引起机组跳闸的主要保护状态，中断型开关量的变化应引起某些画面的自动推出并参与事故顺序记录，事故顺序记录的分辨率要求很高，因此，中断型开关量的处理要重要和复杂得多。
（三）脉冲量输入
数据采集系统应有适当数量的脉冲量输入接口，主要用于输入电量及汽机转速、电泵转速等脉冲量变送器信号。
（四）模拟量输出和开关量输出
数据采集系统的模拟量输出接口主要用于模拟趋势记录仪，在较高控制水平的电厂往往不单独设立趋势记录仪，此时模拟量输出接口可不予考虑；少量的开关量输出接口，主要供数据采集系统故障报警用，同样，采用DCS系统以后数据采集系统故障可和其它子系统故障同时进行考虑，在具有更高自动化水平的电厂，甚至可不设常规报警系统，此时，开关量输出接口也可不予考虑。
（五）350MW机组输入输出点数。
对于350MW机组，数据采集系统的输入/输出规模可参见表6-2。
表6-2300MW机组DAS系统输入/输出规模
序号
通道类别
点数
1
模拟量输入
其中:
高电平输入
低电平输入
2
开关量输入
其中:
一般型开关量输入
中断型开关量输入
3
脉冲量输入
4
模拟量输出
开关量输出
四、输入数据的前置处理及二次计算实用方法。
（一）输入数据的前置处理
如前所述，进入DAS系统的测点类别很多，有温度、压力、流量、水位、速度等等。
通常，各种传感元件必须将这些参数转换成相应的电参数，并将这些电参数进行预处理，转换成统一的电压或电流信号，再通过A/D转换器变换成数字量送入计算机，完成数据采集过程。
在DAS系统基本功能一节中，介绍了输入信号处理的基本要求，即对采入数据必须进行一系列的简单处理如标度变换、有效性检验、线性化和数字滤波等。
采入的数据只有在完成这些前置处理功能以后，方可进入存贮器或数据库中，下面就前置处理的实用方法进行简要介绍。
1.标度变换
数据采集时，进入模数转换器（A/D）的模拟信号都为统一电平的信号。
例如，某测点为主蒸汽压力，设20MPa时，压力变送器输出为20mA，进入A/D前为5V。
而另一测点为主蒸汽温度，设600℃时，温度变送器输出为20mA,进入A/D前为5V。
则两者经A/D变换后得到同一的数字量，但两者所代表的原有量值截然不同。
所以，要由计算机来进行计算，即乘以给定的相应系数把它们恢复到原有的量值。
这就是标度变换。
2.采入数据有效性检验
其目的是判断采入的数据是否有明显的差错。
以锅炉燃烧过程中的数据为例，一般有下述几种判断方法。
（1）由于热工参数变化较慢，故可以用同一参数前一周期和后一周期的变化量来判断。
如果前后周期内的变化量超过一定的范围，则该数据是不可信的。
（2）利用相关参数的变化率互相校核。
有些不同的热工参数之间存在着程度不同的相关性。
因此，可以利用相关性较强的参数来互相校核。
例如，汽轮机排汽温度与真空之间，第一级压力与有功功率之间都有较强的相关性，可以互相校核数据的正确性。
当排汽温度上升时，真空必然按一定关系而下降，不符合这种情况时，数据是不可信的。
（3）对于一些较重要的参数，可以用两个测点或在同一测点处安装两台同样的变送器，用它们之间的差值进行校核。
当差值超过一定数值时，采入的数据是不可信。
（4）限值判断。
各种输入数据，当超过其可能最大的变化范围时，该数据是不可信的。
根据参数的不同类型，对采入数据分别采用合适的方法加以判断。
3.线性化处理
大多数变送器的输出电信号与被测参数之间呈非线性关系。
为了提高测量的精度，需要采取线性化措施。
典型的例子就是用热电偶或电阻体测量温度，其输出电压与温度之间的关系总是非线性的。
其原因，一方面由于热电偶或电阻体的温度特性是非线性的，另一方面是由于转换时产生的非线性。
为了提高精度，通常将非线性函数进行分段线性化的拟合处理。
而分段数则应达到分段的误差能满足测量或性能计算对于测量精度的要求。
例如：
以EU型热电偶（0～1100℃）为例,用n段直线来逼近,则其线性化近似计算式可表示为：
（
）（6-1）
式中：
—被测温度;
—线性化系数;
V—热电偶毫伏值
现用7段直线来拟合其特性曲线，经计算其精度可达到要求的数值（误
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