第3章IO接口与数据采集技术

监督控制与数据采集技术华东理工大学自动化系王华忠[e-mail]3I/O接口与数据采集技术一、SCADA系统I／O接口概述过程输入／输出通道是SCADA系统上、下位机与被控过程现场测控设备之间的物理信息通道。过程输入／输出通道除了有A／D、D／A、DI、DO等I／O设备外，通常还包括一些辅助的部件，如多路转换开关、放大器、采样保持器、热电偶冷端温度补偿装置等。SCADA系统的I／O接口，不仅实现了计算机与监控过程的信号传输，而且还解决了计算机与外部设备连接时存在的各种矛盾，如输入／输出信号形式的不同、速度的不匹配、串／并连转换以及信号隔离等。二、过程I/O通道AIAODIDO1、数字信号及其调理开关信号连续脉冲信号Input:ReadanopticalencoderOutput:Generateasquarewave分辨率时钟频率Input:SenseaswitchclosureOutput:Closeavalve驱动程序的功能通道数DAQ卡需要考虑的指标onofft1-0-t（1）数字信号调理LoadsRequiringACSwitchingorLargeCurrentFlowProductionMonitoringorProcessControlCommon-ModeVoltagesorHighVoltagesElectromechanicalRelaysorSolid-StateRelaysOpticalIsolationSolenoidsValvesMotorsHeatersLampsPumpsElectromechanicalRelaysorSolid-StateRelaysProximitySwitchesLimitSwitchesThermostatsManualSwitches数字I/O图3.1数字信号调理示意图2、模拟信号及其调理时域信号VibrationSpeechSonar分辨率采样率AC精度触发滤波器TemperaturePressureFlowStrainDC精度频域信号直流信号ECGBloodpressureSingle-shoteventsChromatograph分辨率采样率AC和DC精度触发DAQ卡需要考虑的指标参数0.985ttf各种模拟信号调理低电压信号电流输入/输出RTDs和热敏电阻热电偶应变仪隔离放大噪声滤波电流与电压的转换;隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波冷端补偿激励电源隔离，放大，噪声滤波激励电压全桥和半桥设置隔离，放大，噪声滤波多功能I/O图3.2模拟信号调理示意图3、模数转换设备A/D把外部电压信号转成计算机能够识别的数字信号，主要性能参数：采样频率MaxSamplingRate(S/s),SamplingFrequency(Hz)精度(Resolution)：8bit12bit14bit16bit输入范围(InputRange)(增益)：同步采样(Simultaneousanaloginput)轮询采样(Multiplexanaloginput)突发模式采样(Burstmode)触发模式(Triggermode)隔离(Isolation)FIFO……（1）A/D分辩率Codewidth=smallestdetectablechangeinvoltage=AD的输入范围增益*2nn=#ofADCbits16-bitADC3-bitADCAmplitudecodewidthTime02010012014040608010.009.757.506.255.003.752.501.250111110100011010001000（2）A/D采样速率香浓定律采样率2倍的最高频率AdequatelysampledAliasedduetoundersampling图3.3采用频域确定（3）多通道采集采集模式通道设置•扫描顺序•增益•范围•单端/差分输入•单极/双极连续扫描间隔扫描Straingauge1Straingauge2Battery1Battery2TempPressure同步采样图形示例（4）触发•软件触发STARTTRIG*InputofMIOBoardEdgeInitiatesAcquisitionTTLSignalLevelandSlopeofAnalogSignalInitiatesAcquisitionLevelandSlopeofAnalogSignalRetrievesAcquisition•条件获取(软件)–由AIBufferRead设定–AIRead调用AIBufferRead•模拟触发•数字触发图3.4NI信号调理模块4、SCXI设备SCXI功能传感器和信号•热电偶•RTDs•热敏电阻•应变仪•电压信号微伏，毫伏，伏•电流信号4—20mA,0—20mA•数字信号信号调理多路复用放大隔离滤波传感器激励冷端补偿三、基于PC的数据采集技术利用嵌入式装置的数据采集网络化数据采集利用虚拟仪器技术的数据采集利用PLC等进行数据采集1、数据采集系统类型2、数据采集中的I/O控制方式数据采集就是在CPU的控制下将I／O卡的输入、输出数据作转换，把计算机内存中的数据输出，或将外部的模拟数据转换为数字量后再送入内存。根据采样定理，如果信号的截止频率很高时，采样频率必须相应提高，才能保证频率不失真，而采样频率的最大值是由A／D转换器的转换时间决定的。图3.5A／D转换过程四、基于PC的数据采集系统编程图3.6各种数据采集软件模式几种数据采集编程方式直接对寄存器编程进行数据采集基于DLL的数据采集基于ActiveX的数据采集采用OPC技术进行数据采集五、用PLC进行数据采集1、直接用PLC配I/O模块进行数据采集。2、利用PLC＋I/O模块进行数据采集，特别是配接数据采集模块，以降低成本。3、利用PLC+智能仪表进行数据采集4、利用PLC构成分布式数据采集系统