（材料加工工程专业论文）抽油机变频控制柜数据采集与处理系统的研制.pdf

抽油机变频控制柜数据采集与处理系统的研制 粟文洗( 材料加工工程) 牛俊邦( 副教授) 摘要 为了提高抽油机变频控制柜智能化控制程度，优化冲次和上下速比， 需要对变频控制柜输出电气参数进行准确、实时地测量。为此，设计了 以单片机为下位机、p c 机为上位机的主从分布式数据采集与处理系统， 实现了对梁式抽油机变频控制柜输出电参数( 电压、电流、频率、功率 因数等) 的实时采集和处理。 首先分析了数据采集与处理系统的组成及发展趋势，以及变频调速 技术在油田上的应用现状，介绍了变频控制柜输出电参数的测量原理。 然后对数据采集与处理系统的硬件电路和软件部分进行了设计。硬件采 集电路以a t 8 9 c 5 1 单片机为核心，设计了信号调理电路、波形整形电路、 a i ) 转换接口电路、存储器接口电路及串行通信接口电路。软件部分包 括下位机软件和上位p c 机软件部分，其中下位机软件部分采用汇编语 言编程，用于完成数据的采集和传输功能；上位机软件部分采用v b 语 言编程，用于完成数据的接收和数据处理、显示和保存等功能。最后分 别进行了实验室和现场试验调试，测试结果表明系统的设计方案是可行 的。 关键词：变频调速，单片机，电参数，数据采集与处理系统，v b n d e v e l o p m e n to fd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e m o ff r e q u e n c yc o n t r o lc a b i n e ta p p l i e dt op u m p i n gu n i t l iw e n x i ( m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db y a s s o c i a t ep m f c s s o rn i uj u n b a n g a b s t r a c t i no r d e rt oi m p r o v et h ei n t e l l e c t u a l i z e dc o n t r o ld e g r e eo ff r e q u e n c y c o n v e r s i o nc o n t r o lc a b i n e ta p p l i e dt ob e a mp u m p i n gu n i t , a n do p t i m i z es p e e d r a t i oo fi l p - s t r o k ea n dd o w n - s t r o k e ，i td e m a n d sar e a l - t i m es a m p l i n go ft h e e l e c t r i c a lp a r a m e t e r so ft h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nc o n t r o lc a b i n e t t h e r e f o r e , t h ed a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gc i r c u i to ft h em a s t e r - s l a v ed i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e mw i t hp ca n da t 8 9 c 5 1s i n o ec h i pc o m p u t e ri sd e s i g n e d t h e s y s t e mi su s e dt os a m p l ea n dp r o c e s st h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r so ft h e f r e q u e n c yc o n v e r s i o nc o n t r o lc a b i n e t , s u c ha sc u r r e n t , v o l t a g e ，f r e q u e n c y , p o w e rf a c t o ra n d s oo n f i r s t l y t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ec o m p o s i t i o na n dd e v e l o p i n gt r e n do f d a t a a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e m ， a n dt h ec u r r e n t a p p l i e d s t a t u so f f r e q u e n c yc o n v e r s i o nt e c h n o l o g y i nt h eo i l f i e l d ， a n di n t r o d u c e dt h e m e a s u r i n gp r i n c i p l eo ft h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r so ft h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o n c o n t r o l c a b i n e t s e c o n d l y , t h i sp a p e rd e s i g n e dt h eh a r d w a r ec i r c u i ta n d s o f t w a r e t h eh a r d w a r ec i r c u i tc e n t e r e d0 1 1a t 8 9 c 5 1i sm a d eo fs i g n a l c o n d i t i o n i n gc i r c u i t ，w a v es h a p i n gc i r c u i t , a dc o n v e r s i o ni n t e r f a c ec i r c u i t , m e m o r yi n t e r f a c ec i r c u i ta n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i t t h e u i s o f t w a r ec o n s i s t so ft h eu p p e ra n dl o w e rc o m p u t e rs o f t w a r e t h es u b o r d i n a t e c o m p u t e rs o f t w a r ew i t ha s s e m b l yl a n g u a g ei m p l e m e n t sd a t aa c q u i s i t i o na n d t r a n s m i s s i o nf u n c t i o n ；t h es u p e r o r d i n a t ec o m p u t e rs o f t w a r ew i t hv i s u a lb a s i c i m p l e m e n t sd a t ar e c e i v i n g , p r o c e s s i n g , a n ds a v i n gf u n c t i o n l a s t l y , t h e a n a l o g o u sa n df i e l dt e s tr e s u l t s s h o wt h ed a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g s y s t e mi sf e a s i b l ea n dc a nf u l f i l lt h ed e m a n d so f m e a s u r e m e n t k e yw o r d s ：f r e q u e n c yc o n v e r s i o n , s i n g l ec h i p ，e l e c t r i c a lp a r a m e t e r s ，d a t e a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e m ，v b i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 纠年6 月1 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：塞圣i “卅年 靳鹕。件1 年 月1日 月 ) 日 f 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 数据采集与处理系统的组成及发展趋势 1 1 1 数据采集与处理系统的基本概念及组成 数据采集是获取信息的基本手段，数据处理就是对信息进行加工， 数据采集与处理技术作为信息科学的一个重要分支，是信号检测、计算 机、数字信号处理等技术结合而形成的一门综合应用技术。 现代工业控制、自动检测技术中的数据采集与处理是指将现场的电 压、电流、压力、流量等模拟信号和一些开关量信号进行采集，转变成 数字量，再根据不同的需要对这些数字量进行相应的计算和处理，得到 所需的数据，然后将这些计算结果反馈给用户或被控系统，达到监测和 控制的目的。完成这个功能的系统就是数据采集与处理系鲥”。 一般来讲，一个典型的数据采集与处理系统应该具备如下三部分： ( 1 ) 数据采集部分 由采样保持器、模数转换器( a d c ) 及信号调理器等组成。 ( 2 ) 处理器 包括微型计算机、单片机等。 ( 3 ) 数据输出部分 由数模转换器( d a c ) 、数字信号调理器等组成。 1 1 2 数据采集与处理系统的种类及其特点 工业上使用的数据采集与处理系统大致分为以下几种： ( 1 ) 基于通用微型计算机( 如p c 机) 的数据采集与处理系统 这种系统主要由微机控制外部a d 转换后的数字信号或开关量信号 通过打印机接口或其它接口送入微机内进行处理，然后将处理结果经过 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 d a 转换输出或直接在微机上显示。 这种系统可以利用微机强大的软件计算能力和丰富的硬件资源来支 持系统工作，同时也方便对系统进行二次开发，但成本较高。 ( 2 ) 基于单片机的数据采集与处理系统 它是由单片机及其外围芯片构成的数据采集与处理系统，是近几十 年来单片机技术快速发展的结果。 它的计算能力相对较弱，但价格便宜。系统开发时可根据需求选择 合适的单片机。由于直接对硬件进行操作，所以能充分利用单片机的资 源，具有很高的性价比。不过系统成型之后，二次开发和扩展性会受到 部分限制。 ( 3 ) 基于d s p 的数据采集与处理系统 数字信号处理器( d s p ) 是数字信号处理理论与超大规模集成电路 技术融合的结晶。与单片机相比，d s p 多采用时钟倍频做主频，c p u 采 用哈佛结构，支持流水线操作，且运行速度快，具有高效的数据处理功 能。因此在需要高速数据采集和处理的场合，基于d s p 的数据采集与处 理系统得到了大量应用。 ( 4 ) 基于专用处理器的数据采集与处理系统 专用处理器从理论上讲也是一种单片机，不过它们是专为某些应用 场合设计的。比如在通信、多媒体等便携式设备中，为了缩小产品的体 积，将输入输出设备、信号转换设备、特殊的计算单元等都集成到一个 芯片里，可以说一个芯片就是一个较完整的数据采集与处理系统。 这种系统集成度高，功能强大，但价格较高，系统的可扩展性不强。 ( 5 ) 混合式的数据采集与处理系统 这种系统一般为上下位机结构。下位机一般由单片机及外围器件构 成，它主要运行在工业现场，将采集到的数据处理之后通过标准总线( 如 r s 2 3 2 、c a n 等) 传送给上位机，也可以接收来自上位机的指令去执行 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 控制操作。上位机由微机或其它处理器构成，它主要对下位机进行管理 或对下位机发来的数据进行计算，通过总线发出控制指令或将计算结果 送还给下位机。 这种混合式的系统配置灵活，易构成各种大中型测控系统。可扩展 性强，只要具备统一的总线接口，上、下位机可以有多种组合方式。 1 1 3 数据采集与处理系统的发展现状与趋势【2 】【3 】 数据采集系统始于2 0 世纪5 0 年代，1 9 5 6 年美国首先研究了用在军事 上的测试系统，由非熟练人员操作，且测试任务是由测试设备高速自动 控制完成的。该测试系统具有高速性和一定的灵活性，满足了众多传统 方法不能完成的数据采集和测试任务。大约在6 0 年代后期，国外就有成 套的数据采集设备产品进入市场，此阶段的数据采集设备和系统多属于 专用系统。 2 0 世纪7 0 年代中后期随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同 计算机溶为一体的数据采集系统。自此，数据采集系统逐渐分为两类： 一类是实验室数据采集系统，多采用并行总线；另一类是工业现场数据 采集系统，多采用串行数据总线。 2 0 世纪8 0 年代随着计算机的普及，数据采集系统得到了极大的发展， 开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。该阶段的数据采集系统主 要有两类：一类由仪器仪表和采集器、通用接口总线和计算机等构成， 这类系统主要用于实验室，在工业生产现场也有一定的应用；另一类由 数据采集卡、标准总线和计算机构成，这类系统在工业现场应用较多。 2 0 世纪9 0 年代至今，数据采集技术已经在军事、航空电子设备及宇 航技术、工业等领域被广泛应用。由于集成电路制造技术的不断提高， 出现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统( d a s ) 。目前有的d a s 产品精度己达1 6 位，采集速度达到每秒几十万次以上。该阶段并行总线 数据采集系统向高速、模块化和即插即用方向发展，串行总线数据采集 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 系统向分布式系统结构和智能化方向发展，可靠性不断提高。 早期的数据采集系统完全是由分立元件拼凑起来的，结构庞大，可 靠性差，精度低，无数据处理能力，而且几乎都是专用系统。随着微型 计算机应用到各个领域，数据采集的面貌也随之焕然一新，而且对数据 具有了分析、计算和判断能力。微电子技术的一系列成就以及数字信号 处理技术的发展，不仅为数据采集与处理系统的应用开拓了广阔的前景， 也对数据采集与处理系统的发展产生了深刻的影响。使用便捷、低成本、 易扩展、具有高速数据采集与复杂运算能力、高可靠性、网络化的特点 代表了现代数据采集与处理系统的发展趋势。 1 2 变频调速技术在油田的应用及存在问题 应用变频调速技术可得到电机的无级调速，并具有硬的机械特性。 目前抽油机使用的变频器基本都是通用变频器，是在对抽油机技术特点 和开采工艺不很了解的前提下设计的，不适应抽油机的负载特性，故障 率高，可靠性差，影响了变频调速技术在油田的推广应用。从国内外抽 油机变频器的开发和使用情况【4 】【5 1 来看，目前主要存在以下问题： ( 1 ) 抽油机变频控制装置基本上是开环控制，自动化程度低。 ( 2 ) 基本上l 台变频器只控制l 台抽油机，各个控制装置之间没有联 系，信息不能共享，无法集中控制和管理。 ( 3 ) 抽油机变频控制装置普遍较贵，性价比较低，影响了变频调速 技术在油田的推广。 ( 4 ) 把变频控制装置应用到工作环境比较恶劣的抽油机上，许多电 力、电子器件经不住长期的野外环境考验，运行中的高故障率导致油田 不敢在抽油机上应用这项先进技术。 ( 5 ) 对抽油机变频控制装置的理论研究还不充分，致使其无法发挥 出自身的诸多优势，如抽油系统最佳参数匹配等。 所以应针对抽油机载荷的特殊性和野外工作特点加大研发力度，按 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 照严格的工业标准设计、制造抽油机专用变频器。英国的i n v e r t e k 变频器 内含制动单元、无线滤波器、线路电抗器和防雷击装置，是专门为抽油 机等室外工作设备设计的变频器，避免了变频器和制动单元分离产生的 匹配性问题，提高了整机的可靠性。我国西安石油学院应用变频调速技 术于1 9 9 6 年研制了我国第l 代智能化抽油控制装置，它可使现有的游梁式 抽油机实现智能化控制，使电机按负载工况得到控制以达到节能、调速、 增产的目的。 。 1 3 变频控制柜输出电参数测试现状 交流变频调速技术广泛应用在许多领域，然而，有关变频器电参数 的测量仍是一难题。其原因是变频器的输出电压、电流已不再是单纯的 直流或工频正弦信号，含有较多的谐波分量，频率变化范围宽。 不同种类的普通电气仪表，因其测量原理及其适用范围不同，测量 仪表和测量回路不同，所得到的数据也不同。若测量仪表选择不当，测 量结果就会出现很大的误差，以致无法进行日常简单的维护和故障诊断。 若测量方法不当，则有可能毁坏变频器。 目前，测量变频器输出电气参数主要有以下几种检测装置： ( 1 ) 指针式仪表1 6 1 1 7 1 指针式仪表以模拟技术处理被测信号，常用的测量仪表包括磁电系 仪表、电磁系仪表及整流系仪表等。这类仪表适合测量直流量或工频正 弦交流量。由于这类仪表在结构设计上仅考虑了基波分量的作用，较少 考虑高次谐波的影响，因此，当它对变频器输出电气参数进行测量时， 会产生测量误差，测量误差随着高次谐波含量的增加而增大。 ( 2 ) 数字式仪表 数字式仪表是以数字电路为基础进行数字化处理，将连续的被测模 拟量先转换成相应的量化离散量，然后予以编码，进而传输、存储并进 行数据处理和数字显示。与指针式仪表相比，数字式仪表不仅精度、灵 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 敏度高，而且能测量多个电量参数。如多功能电参数测试仪可以测量三 相电压、电流、功率、功率因素、频率等参数，但这类仪表数据处理能 力差。 ( 3 ) 智能化仪表 智能化仪表是计算机技术向测量仪器移植的产物，是含有微型计算 机或微处理器的测量仪器。它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断等功 能，实现了测量过程的自动化和仪器的智能化、多功能化。国外早在七 十年代就出现了集电压和电流有效值、功率等多个电参数的测量于一体 的多功能电参数测量仪表。随着微处理技术和数字化测量技术的飞速发 展，将多种测量方法和数据处理溶为一体的电参数监测仪器的智能化和 自动化水平大为提高，并已成为传统仪器的替代品。近年来，国内外以 微机为核心的监测仪表不断涌现。如青岛青智仪器有限公司推出的 8 8 9 0 1 f 三相电参数测量仪，法国施耐德公司最新推出的p m 7 0 0 系列电 力参数测量仪等。 1 4 课题的提出背景及意义 目前，游梁式抽油机效率低下，主要原因在于抽油机是一惯性矩较 大的机械设备，工作时带载起动，起动比较困难，为了满足起动要求， 不得不选配额定功率较大的电机来拖动。而抽油机正常运转时所需的功 率并不大，这就产生了“大马拉小车”的情况。变频控制柜具有优越的 调速性能，以及良好的起动特性，使异步电机调速困难、起动电流大、 起动转矩小等问题得到有效解决。在游梁式抽油机中配备变频控制柜， 不仅解决了“大马拉小车”的问题，而且提高了抽油机的功率因数。然 而，由于抽油机变频控制柜目前主要采用开环控制，智能化程度低，不 能充分发挥出变频调速技术9 1 的优势，极大地阻碍了变频控制柜在油田 的推广应用。为了提高抽油机变频控制柜智能化控制程度，需要对变频 控制柜的输出电气参数进行准确、实时地采集。 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 为此，本文设计了以单片机为下位机、p c 机为上位机的主从分布式 数据采集与处理系统，对抽油机变频控制柜输出电压、电流、频率等电 参数进行实时采集和处理，为游梁式抽油机智能化控制系统的研制奠定 基础。本数据采集与处理系统不仅能实现对变频控制柜电气特性的测试， 而且有助于交流变频调速装置的开发设计。 1 5 课题的研究内容及创新点 本课题以变频控制柜输出电参数为研究对象，设计出一种高性能价 格比的数据采集与处理系统，为游梁式抽油机智能化控制系统的研制奠 定基础。 本文的具体内容安排如下： 第一章：前言部分，介绍了数据采集与处理系统的概念、基本组成、 分类和发展趋势；了解了变频调速技术在油田的应用及变频控制柜输出 电参数的测试现状；给出了论文的工作意义和内容安排。 第二章：分析变频控制柜输出电压、电流、有功功率、功率因数等 电参数的测量方法，为系统软硬件的设计作理论指导。 第三章：设计出以a t 8 9 c 5 1 单片机为核心的硬件电路，给出系统硬 件的总设计方案及各硬件电路的原理图。 第四章：设计下位单片机和上位p c 机的软件部分。下位单片机软 件部分以同步采样方式实现对变频控制柜输出电压、电流瞬时值和频率 的采集，通过串行通信方式把采集的数据传输给p c 机。上位机软件部 分实现数据处理、波形显示、数据保存和打印等功能。 第五章：进行实验和结果分析，验证设计方案的有效性及可行性。 最后，归纳全文，总结系统的特点，分析存在的问题和不足。 本课题的创新之处在于： ( 1 ) 该数据采集与处理系统充分利用了a t 8 9 c 5 1 丰富的片内资源， 硬件电路简单，可靠性好，性能价格比高。a d 转换器件采用m a x l 5 5 ， 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 在同一时刻采样，消除了输入通道采样时间的差异，解决了多路模数转 换器并行工作时数据采集系统硬件开销大、一致性差等问题。 ( 2 ) 利用单片机测量相位角得到功率因数，简化了硬件、接口电路 和软件。 ( 3 ) 该数据采集与处理系统操作界面友好，便于操作。具有在线测 量和离线分析等功能。 ( 4 ) 该数据采集与处理系统具有很强的通用性。只需选用合适的传 感器及稍微修改软件就能实现对工业现场温度、压力、流量的采集及电 焊机外特性的测试。 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章变频控制柜输出电参数测量 第2 章变频控制柜输出电参数测量 2 1 变频控制柜输出电参数的测量方法 游梁式抽油机变频控制柜输出电参数为非正弦量，用传统的电工仪 表来测量非正弦波的各种电参数：周期( 频率) 、电压( 电流) 有效值、 电压( 电流) 平均值、有功( 无功) 功率、功率因数等会带来较大的误 差，甚至产生错误的结果。 被测量的非正弦波电参数，除周期( 频率) 外，其定义如下： 电流有效值t = j ；f f 2 ( 1 ) 出，电压有效值u 。= j 导i “2 ( t 砂； 电流平均值凡= f 沁弦或，o = 专i l f ( f ) 恤； 电压平均值砜= 亭i “o ) a t 或砜= 亭引“( f ) 印； 有功功率p = i 1i u ( t ) i ( t ) d t ，视在功率s = l 以； 无功功率( 时域定义) q = 4 s 2 一p 2 ，功率因数c o s o = i 1 - 。 由此可见，非正弦波电参数的测量除需要做常规的加、减、乘、除、 平方、开方运算外，主要是进行一种积分求平均值运算，它可表达成如 下通式： 而= 磊1r 似) 出( 2 - 1 ) 式中页可表示周期信号八功的平均值，2 刀为周期，翔为积分起点所对 应的电角。当用计算机实现时，需将连续量，( j ) 离散化，用和式代替积 分。如等分宽为2 石的积分区间为n 段，均匀采样个数据 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章变频控制柜输出电参数测鼍 厂( 毛) ，f = 1 , 2 ，n ，可以证明当大于厂( 工) 的最高谐波次数m 时有 7 丽= 吉厂( 一) ( 2 _ 2 ) o ，= l 这就是同步采样及其算法的理论基础( 1 0 】。 2 1 1 电压、电流有效值的测量 由交流电压有效值的定义可知，交流电压有效值是在相同的时间里 产生相等能量的直流电压值。根据该定义，可以对交流电压信号离散化， 得到交流电压有效值的测量结果： u = ( 2 3 ) 式中，为每周期均匀采样点数，地为第i 点电压采样瞬时值。 如果有两路正弦电压信号分别代表电压和电流，则以同样的方法测 量电流有效值： i = ( 2 - 4 ) 该方法称为周期信号交流有效值的定义测量法】。它适合于任何一 种周期性波形有效值的计算。但此方案不能计算基波和谐波的有效值， 且有功功率的测量需要同步采样电压和电流，否则会产生较大的计算误 差。本设计采用周期信号交流有效值的定义测量法实现对变频控制柜输 出电压、电流有效值的测量。 2 1 2 功率、功率因数的测量 由连续周期函数的功率定义可得功率离散表达式为： p = ( 2 5 ) 式中，聊，i i 为同一时刻的采样值，为每周期采样点数。 用单片机测量变频控制柜输出功率，一般是在线测量。在线测量不 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章变频控制柜输出电参数测鼍 能直接测相电压和相电流( 几十千瓦以上的电机都是接法) ，很难直接 测得负载的功率。因此，一般多采用两瓦表法旧测负载功率，其方法如 图2 - 1 所示： 了1 百 c l 。v 图2 - 1 两瓦表法测量线路 两个功率表的电流线圈串入任意两端线中( 图2 1 为a 、b 线) ，电 压线圈的末端( 即无星号端) 共同接到第三条线( 图2 1 为c 线) 上。 这时，两个功率表读数的代数和等于电机的总功率( 即变频控制柜的输 出总功率) ，即： p = 曷+ 县= r i a d t + r “。i b d t ( 2 - 6 ) 可见，用两瓦表法测量变频控制柜输出功率时需要用两个电压传感 器和两个电流传感器，得到4 个模拟量，将占用4 路a d 转换通道。为 简化起见，采用一种用单片机测量电机功率及功率因数的新方法，如 图2 2 所示。 图2 - 2 单片机测量电机功率因数线路 把电压传感器接到任意两条线上( 图2 - 2 为a 、b 线) ，电流传感器 接在第三条线上( 图2 - 2 为c 线) ，测得线电压u 和线电流，。，得到 和l 之间的夹角西。，进而得到相电压和相电流的夹角o ，则可计算出 电机的功率因数c o s 中。利用计算式p = 3 吼i c o s * 得到电机的总功 1 1 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章变频控制柜输出屯参数测量 率。 这种方法具有以下优点： ( 1 ) 节省了电流传感器和电压传感器，降低了成本； ( 2 ) 接法与相序、首末顺序无关，操作简便； ( 3 ) 简化了硬件、接口电路和软件。 2 ，1 ，3 频率的测量 频率的测量方法【1 4 】【1 5 】有两种：测频率法和测周期法。 测频率法是测得单位时间内频率信号的脉冲个数，以此求得频率 厅测频率法所测频率的表达式为： ，= 生i t ( 2 - 7 ) 式中， ，为频率信号脉冲数，垃是闸门开启时间白j 隔。 测频法测量原理如图2 3 所示。 频率信号脉冲 闸门信号 闸门采样辟冲 几广 n 图2 - 3 测频率法测量原理 由式( 2 7 ) 分析其测量精度为： 堑一d n 丛箜 l n ( 2 8 ) 式中，d ( a t ) l 址是闸门开启时间相对误差，删为计数误差。计数误 差在被测值较大或测量时间f 相对较长时，对频率测量的相对误差影 响较小；但在频率较低而f 较小时，对测量的相对误差则影响较大。闸 门开启时间的相对误差d ( f ) 出很小，可以忽略。因此，测频率法只适 用于测量频率较高的信号。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章变频控制柜输出电参数测量 测周期法是在一个信号周期内记录下基准定时脉冲的个数，然后换 算成频率 测量原理如图2 _ 4 所示。测周期法所测频率的表达式为： 厂= 击 ( 2 - 9 ) 式中，n 为基准定时脉冲的个数，名为基准定时脉冲的周期。 频率信号脉冲 厂 厂 时钟脉冲 几盯0 0 0r 1 0 0 n 0 0 0 0 n 0 周期计数脉冲 图2 - 4 测周期法测量原理 由式( 2 9 ) 分析其测量精度为： 。a f ：_ 型+ 掣1 ( 2 - 1 0 ) fn丸1 式中，a t 五为基准定时脉冲的周期相对误差，d n n 为基准定时脉冲 计数误差。基准定时脉冲的周期相对误差很小，一般可以忽略；当较 大时，d n n 相对较小。因此，当频率较低时，测周期法测量精度较高。 变频器的输出频率范围一般为0 - - 6 0 h z ，输出频率比较低。测频率法 适合于对高频信号的测量，而测周期法适合于对低频信号的测量，故本 系统采用测周期法测量变频控制柜输出频率。 2 2 数据采集的相关理论 2 2 1 采样定理 目前，在电参数测量系统中，普遍采用数字方法处理模拟信号。在 一定时间间隔对一个连续信号取其瞬时值，称为采样。在实际工作中， 信号的采样是通过采样保持器和a d 转换器来实现的。通过a d 转换 器，可将连续信号z ( 力变成数字信号m 瓦) ，以便计算机或微处理器实现 数字处理。一系列的采样值虽然已经离散化和量化，但只要满足一定的 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章变频控制柜输出电参数测鼍 条件，仍然能够涵盖被采样信号所载有的全部信息。而采样定理规定了 所要满足的条件。 采样定理是由n y q u i s t 和s h a n n o n c z 分别于1 9 2 8 年和1 9 4 9 年提出 的。它指出，在一定条件下一个连续的时间信号完全可由该信号在等时 间间隔点的样本值来表示，并且可以用这些样本值把该信号全部恢复出 来。采样定理在连续时间信号和离散时间信号之间架起了桥梁。 采样定理的内容为：若连续信号x ( o 是有限带的，其频谱的最高频率 为厶。，对j ( f ) 采样时，若保证采样频率石砺。，那么，可由“n 瓦) 恢复 出j ( f ) ，即h n 正) 保留了j ( 0 的全部信息。 采样定理指出若想无失真地恢复原信号，信号的采样频率工必须不 小于信号最高频率厶。的两倍。为了保证不因采样而造成原始信号信息 的丢失，应满足两个条件：第一，要求采样频率正职。；第二，被采样 信号有带宽的限制，为了保证这一点，在实际对缸f ) 采样时，首先要了解 j ( f ) 的最高截止频率五，以确定应选取的采样频率石。若0 不是有限带 宽的，在采样之前，必须应用高性能的低通滤波器来缩小模拟信号的频 率范围。即应对d 做模拟滤波处理，以滤掉厂 厶。的高频部分。当以 上两个条件有任何一个不满足时，将不能由采样信号完全重构原模拟信 号。 2 2 2 信号采样与量化 若信号x ( o 是一频限信号，其最高频率分量小于。，则当采样频率 工z 7 ：，。时，缸f ) 可完全由其采样值确定，即采样信号没有产生混淆。在实 际应用中遇到的信号不一定都是有频限的，对这类信号，无论采样间隔 选得多么小，也不可能用其采样值完全地描述它。为此，在数字处理中， 通常选择一个，：，。，使信号能量的大部分( 如9 8 ) 都落在( ：后。，矗。) 的频率范围内。然后选择至少为2 。的采样频率。 采样参数主要是采样频率和采样点数： ( 1 ) 采样频率 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章变频控制柜输出电参数测量 对信号作时域分析时，采样频率越高，信号的复原性越好。进行频 率域分析时，为了避免混叠，采样频率茹必须大于信号最高频率。的2 倍。 在实际分析中，一般采样频率取为信号中最高频率的3 4 倍，若只对信号 中某些频率成分感兴趣，分析时的最高频率可取所感兴趣的最高频率。 不过，若采样点数 伪固定值，提高采样频率，会使分析频带宽度僧 加( a f = f n ) ，从而使频率分辨率变差。因此，若对频率分辨率要求较 高，而对谱值精度要求不高时，采样频率可尽可能地低；如果主要研究 信号的能量大小，对谱值要求精确，而对频率分辨率要求不高，则采样 频率可选择高一些。 ( 2 ) 采样点数 根据实际需要，选定频率分辨率 一旦行走定，即可确定做d f t 所需的点数 n = s | 鹭 ( 2 1 1 ) 一般来说，越小越好，但，j 这小，| 就越大，使计算量、存储量也随之 增大。为计算f f t 的方便，希望 ，取2 的整数次幂，若点数据已给定，且 不能再增加，可用尾数补零的办法使为2 的整数次幂。 ( 3 ) 量化 采样过程只是把模拟信号转化成了离散信号，为了让计算机能够识 别和接受，还必须对信号进行量化处理。量化过程是将被测信号的变化 范围划分成若干区间，每个区间都用一个量化数字来代替。它是由a d 转换器来完成的。 本设计需采集变频控制柜输出线电压、线电流的瞬时值，而变频器 输出电压、电流含有较多谐波分量，且不是有限带宽的信号。由于变频 器工作频率范围一般为o - - 6 0 h z ，且本设计不需要对信号的高次谐波分 析。根据采样定理，本设计所选择的采样频率为4 0 0 0 h z ，同时采用模拟 低通滤波器滤掉5 0 0 h z 以上高频部分。 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章变频控制柜输出电参数测量 2 3 傅立叶算法 傅立叶变换是一种将信号从时域变换到频域的变换形式，是声学、语 音、电信和信号处理等领域中一种重要的分析工具。 2 3 1 傅立叶变换及离散傅立叶变换o f i 傅立叶变换的定义可表述如下： 日( ，) ：仁乙e - j 2 缈出 ( 2 1 2 ) 傅立叶逆变换为： ：伫乙h ( 厂弦j 2 矿矽 ( 2 1 3 ) 其实质就是时间函数在频域上的表示，也就是把一个时域波形分解 成许多不同频率的正弦波之和。 对连续傅立叶变换的时间函数或频率函数进行抽样和截断处理，使 之成为离散傅立叶变换( d f t ) 。设缸n ) 是一个长度为的有限长序列， 则珂”) 的点离散傅里叶变换为： 一l x ( 七) = x ( 月) ，k = o ，l ，n 一1 ( 2 1 4 ) n = o 式中，讳0 = e - m ，称为旋转因子或蝶形因子。 2 3 2f f t 算法的基本原理 为了减少运算次数，缩短运算时间，2 0 世纪6 0 年代c o o l e y 和t u k e y 提出了快速傅立叶变换( f f t ) 算法，它是快速计算d f t 的一种高效方 法，可以明显地降低运算量，提高d f t 的运算速度，从而使d f t 有了 更加广泛的实际应用价值。 从d f t 的定义可以看出，在珂h ) 为复数序列的情况下，对某个k 值， 直接按式( 2 1 3 ) 计算x ( 需次复数乘法和( n - i ) 次复数加法。因此， 对所有个k 值，共需要2 次复数乘法和n ( n - o 次复数加法。对于 值来说，直接计算它的d f t 所需的计算量很大。不难发现旋转因子降_ 具 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章变频控制柜输出电参数测鼍 有对称性孵= 一蝶“”和周期性噼= 噼”。而f f t 的基本思想是利用 阡的周期性和对称性，使长序列的d f t 分解为更小点数的d f t ，利用 这些小的d f t 的计算来代替大的d f t 的计算，从而达到减少运算工作 量、快速地计算序列的d f t 的目的。 f f t 算法基本上分为两大类：按时间抽取的f f t ( d i tf f t ) 和按频 率抽取的f f t ( d i ff f t ) 。本课题采用d i tf f t 算法计算傅立叶变换， 计算时，按时间奇偶将长序列不断地变为短序列，结果使输入序列为混 序，输出序列为顺序排列。 设序列缸n ) 的长度为，且满足= 2 u ，m 为自然数。按”的奇偶 把“n ) 分解为两个n 2 点的子序列： 而( ，) = z ( 2 ，) ， ，= 。，1 ，( n i 一1 ) 硝加羽，+ 1 ) ，= o ，1 ，- 1 ) 则m ) 的d f t 为： 由于 孵。：。一睁。：。一7 t 2 x 呜： 略表示矿“以j v 为周期，嘴：表示矿“以n 2 为周期，所以 2 - i2 - 1 x ( 七) = 而( ，) 畹：+ 孵x ：( r ) 畹： r = or = 0 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) = j l ( ) + 孵x 2 ( 七)k = 0 , 1 ，( n - 1 ) ( 2 - 1 9 ) 1 7 孵d h 啦 一 + 打 孵 一地 m = 咛 d | + 月 时 d | = d以 打 孵。屯 一目 哪 + 打 孵 器c l = 中国石油大学( 华东) 硕十论文第2 章变频控制柜输出电参数测量 其中x i ( 的和x 2 分别为x l ( r ) 和规( ，) 的n 2 点d f t 。 n f 2 - 1 x 。( 七) = x l ( r ) 畹：= d f t x ( ，) 】 ( 2 2 0 ) r = 0 ( 2 2 1 ) 由于x l ( 助和x 2 ( k )以n 2 为周期，且旋转因子孵具有对称性 孵= 一啸“”，所以x ( 功又可表示为： x ( 七) = x l ( 七) + 阡葛x 2 ( 七) x ( k + i n ) = 置( 护孵x ：( 尼) 这样，就将点d f t 分解为n 2 点的 l ，( 譬_ 1 ) ( 2 - 2 2 ) 1 ，( 警_ 1 ) ( 2 - 2 3 ) d f t 和式( 2 2 2 ) 和( 2 2 3 ) 的计 算。这个方程是f f t 算法的基本原理【l6 】。与第一次分解相同，把两个半 序列可继续分成1 4 序列和1 8 序列等，直到将点d f t 分解成n 2 个 两点d f t 。从上述分析可以看出，这种f f t 算法把取为2 的整数次幂， 这种f f t 算法称为基一2 f f t 【l ”。 图2 5 以n = 8 为例画出了f f t 算法流程的一个实例。由于每个对偶 结点对的图形很像蝴蝶，因此该流程也称为蝶形流程图。 也唧 = 略也 邑 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章变频控制柜输出电参数测量 初始化 l = 2 图2 - 5n = 8 时f f f 的蝶形流程图 2 3 3 用f f f 计算频谱 频谱分析是对动态信号在频率域内进行分析，分析的结果是以频率 为坐标的各种物理量的谱线和曲线，可得到以频率为变量的各种幅值的 频谱函数。频谱分析的种类很多，通常将基于f f t 变换的谱分析技术称 为线性谱分析技术。 一l 用f f t 计算缸n ) 的频谱，即计算j ( 七) = 工( n ) 阡铲，x ( d 一般由实 n = o 部x “助和虚部x i 组成复数，即x ( k ) = x 。( 后) + j x ，( 七) 。因此，计算 功率谱时只需要将f f t 变换好的数据，按照实部x r ( k ) 和虚部x i ( k ) 求它 们的平方和，然后对平方和进行开方运算。在软件实现上，不开方也可 以求出f f t 变换后数据的最大值，并对功率谱的结果没有影响，所以省 去了开方运算。 1 9 中国石油大学( 华东) 硕十论文第3 章系统硬件电路设计 第3 章硬件采集电路设计 3 1 硬件电路结构框图 本设计采用由下位单片机与上位p c 机组成的分布式数据采集与处 理系统。硬件采集电路以单片机为核心，由信号调理电路、波形整形电 路、a d 转换接口电路、数据存储接1 3 电路以及串行通信接口电路等外 围电路构成。抽油机变频控制柜数据采集与处理系统硬件结构框图如图 3 1 所示。 单片 机采 集系 统 图3 - 1 数据采集硬件结构框图 系统硬件采集电路设计原理如下： 变频控制柜输出的线电压、线电流经传感器变为交流电压信号，经 信号调理电路变为单片机所能识别电压范围后，由a d 转换器变成数字 量进入单片机；同时，波形整形电路将电流传感器输出的交流电压信号 变为同周期脉冲信号，由单片机计数器测量信号频率，最后单片机把采 集到的电压、电流瞬时值及频率数据通过串行通信接口传送给上位p c 机，由上位机通过软件完成数据处理、存储、图形曲线显示及打印等功 能。 3 2 单片机的选择 单片微型计算机( s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r ) 简称单片机，它在结 2 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章系统硬件电路设计 构上把存储器、c p u 、定时计数器及i o 接口电路集成在一块芯片上。 虽然单片机只是一块芯片，但它具有微机系统的组成和功能特征。 按照c p u 对数据处理位数不同，单片机经历了4 位单片机、8 位低 档单片机、8 位高档单片机、1 6 位单片机等各个发展阶段。目前，正向 高性能、高速度、高集成度、大容量、多功能、低功耗、加强i o 能力 及结构兼容的3 2 位和双c p u 方向发展。尽管单片机的种类很多，但从 国内使用情况来看，由于具有良好的性价比，目前使用最广泛的仍是 m c s - 5 1 系列8 位单片机。在此，本设计选用美国a t m e l 公司生产的 a t 8 9 c 5 1 单片机。a t 8 9 c 5 1 单片机是一种低电压、低功耗、高性能的8 位单片机，该芯片的制造采用了a t m d 公司的高密度非易挥发存储器的 生产技术，并与m c s 一5 1 系列单片机指令系统及管脚分布相兼容。片内 的f l a s h 存储器允许在线对程序存储器重新编程。a t 8 9 c 5 1 单片机的主 要特点和性能【1 8 】如下： 与m c s 5 1 系列单片机相兼容； 4