基于控制以太网的数据采集处理系统

目录引言 41.控制器硬件组态 51.1实验台硬件组成 51.2主控制器介绍 61.3PC机与PLC的链接 62.控制器编程元件的地址分配 82.1控制器元件的地址分配 82.2WAGO-I/O-PRO32变量定义 103.实验台的接线图 104.数字滤波器的选择及论证 114.1干扰源的分类 114.2电源纹波 134.3数字滤波器的选择及其论证 145.过程数据标度变换设计 195.1标度变换过程 196.组态王工程设置 216.1组态王与下位机通讯方法 216.2组态王与模块的通讯 216.2.1设备工程配置情况 216.2.2设备地址设置情况 226.2.3设备设置信息总结 236.3组态王内定义变量 236.3.1未滤波信号的定义 236.3.2滤波后信号的定义 256.3.3其他变量定义 266.4组态王开发系统画面配置 276.4.1组态王总画面配置 276.4.2采样开始按钮配置 286.4.3滤波后数据波形 286.4.4滤波前数据波形 296.4.5滤波后数据显示表 296.4.6滤波后数据显示 306.4.7滤波前数据显示 306.4.8数据库记录总画面 316.4.9数据库记录连接命令语言配置 316.4.10数据库记录开始命令语言配置 326.4.11数据库记录断线命令语言配置 326.5事件命令语言程序 336.5.1数据整合命令语言程序 336.5.2延时命令语言程序 347.数据库配置 348.PLC的梯形图控制程序及程序设计说明 368.1数据采集程序 368.2滤波采集开始程序 368.3滤波、标度转化程序 398.4快采慢放程序 408.5置零程序 419.部分运行画面 4110.程序调试及调试说明 42结束语 43参考文献 44引言数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。随着科学技术的发展和微型计算机技术的广泛应用，数据采集监测已成为日益重要的检测技术。数据采集与处理的新技术、新方法，直接或间接地引发其革新和变化，实时监控(远程监控)与仿真技术(包括传感器、数据采集、微机芯片数据、可编程控制器PLC、现场总线处理、流程控制、曲线与画显示、自动故障诊断与报表输出等)把数据采集与处理技术提高到一个崭新的水平。在现代工业中，多路数据采集已被广泛应用于工业和农如采样率、分辨率、存储深度、数字信号处理速度、抗干扰能力等方面提出了越来越高的要求。由于各种工业现场条件不同，对现场的数据采集与控制功能的要求也不尽相同，通常在工业现场采集信号往往会受到工频电磁场及其谐波的干扰，而使得采集来的信号不准确。为了解决采集易受工频干扰的问题，此设计在控制器内完成数据采集并分析，采用递推平均滤波的算法对采集数据进行滤波，在WAGO平台上对PLC进行编程，利用组态王的监控实现数据的采集与处理。数据采集完后，建立数据库的连接，将滤波前后的数据都保存在数据库表格中，转化为数据曲线，直观表现出滤波效果，完成数据传输与记录。1.控制器硬件组态1.1实验台硬件组成实验平台主要由电源模块、空气开关、WAGO可编程逻辑控制器、接线端子、继电器、指示灯蜂鸣器可变电阻智能电压表智能电流表按钮硬件数量CHNT空气开关（DZ47）1个WAGO可编程逻辑控制器（750-842）1个WAGO电源模块1个WAGO接线端子5个OMRON继电器（MY2N-J）6个指示灯6个蜂鸣器1个可变电阻旋钮1个智能电压表1个智能电流表1个按钮开关6个1.2主控制器介绍WAGO750-842是用于EthernetTCP/IP的可编程现场总线控制器；集线器到750-842之间最大传输距离100m,波特率10Mbits/s；节点中允许有数字量信号和模拟量信号,每个节点中最多64个输入/输出模块,输入/输出过程映象为512字节，输入/输出变量为512字节；程序内存为128K字节，数据内存为64K字节，固态内存为8K字节。WAGO750-842的参数如下表所示。表1WAGO750-842系统数据最大节点数受以太网集线器限制传输介质S-UTP100Ω双绞线总线连接适配器RJ45现场总线节点最大距离在集线器与842最大距离100m(最大距离受以太网规格影响)波特率10Mbits/s协议Modbus/TCP,HTTP,Bootp编程WAGO-I/O-PRO32IEC61131-3IL,LD,FBD,ST,FC1.3PC机与PLC的链接通过PC机上的WAGOBootIPServer配置链接地址，该课设中我们将地址分配为6。软件运行结果与配置文件如下。2.控制器编程元件的地址分配2.1控制器元件的地址分配在PFC中规定使用绝对地址来表示过程映像区地址。绝对地址由符合IEC61131-3PROGRAM标准的字符串来表示类型。绝对地址标准如表1所示。I/O模块过程映像区地址排列在word0～255,变量过程映像区地址排列在word256～511。例如:%IX0.0表示I/O模块输入过程映像区第一个字第一位。以太网数据交换存储区地址类型地址可变电阻旋钮%IW0中间变量%QW256中间变量%QW257中间变量%QW300中间变量%QW301中间变量%QW302中间变量%QW303中间变量%QW304中间变量%QW305中间变量%QW306中间变量%QW307中间变量%QW308中间变量%QW309中间变量%QW310中间变量%QX400.0中间变量%MW0中间变量%MX100.0中间变量%MX200.0中间变量%MX400中间变量%MX500中间变量%MX100.0I/O地址分配2.2WAGO-I/O-PRO32变量定义WAGO变量定义3.实验台的接线图4.数字滤波器的选择及论证4.1干扰源的分类干扰一般以脉冲形式进入数据采集系统。对干扰来源的清晰了解，才能方便我们采取合理的抗干扰措施，以提高数据采集与处理系统的准确性和稳定性。数据采集与处理系统工作环境的干扰源很多，各有特点。下面从不同的角度对其进行分类：从干扰的来源划分，可分为内部干扰和外部干扰。内部干扰是指系统的内部电子电路的各种干扰，如元器件的老化引起的参数变化，以及电阻的热噪声，晶体管、场效应管等器件内部分配噪声和闪烁噪声，放大电路正反馈引起的自激振荡等。外部干扰是指外界窜入系统内的各种干扰。如电动机电刷引起的电火花，其它设备的脉冲开关接触所产生的电磁信号，自然界的雷电、宇宙辐射的电磁波等。按干扰的出现规律划分，可分为固定干扰、半固定干扰和随机干扰。固定干扰是指系统附近固定的电气设备运行时发出的干扰。如邻近的“强电”设备的启停所引入的一个固定时刻的干扰。半固定干扰是指指某些偶然使用的电气设备引起的干扰，有可预测性。随机干扰指偶发性干扰，如闪电、供电系统继电保护的动作等干扰，难以预测发生时刻。从干扰产生和传播的方式分类，可分为静电干扰、磁场耦合干扰、电磁辐射干扰、电导通路耦合干扰、漏电耦合干扰。静电干扰指电场通过电容耦合的干扰，是由于元器件及导线之间的寄生电容所产生的。此外，也包括化纤、纤维之间的摩擦而使人体带电，从而由人体对电子设备所产生的干扰。磁场耦合干扰是一种感应干扰，是由于动力线、变压器、电动机、继电器、电风扇等产生的交变磁场穿过传输线或闭合导线形成的回路，而在传输线上或闭合导线上感应出的交流干扰电压。电磁辐射干扰是由各种大功率高频、中频发生装置及电火花产生的高频电磁波向周围空间辐射产生的干扰。电导通路耦合干扰是指电导通路由于接地电位的不同而在各单元回路之间的公共阻抗上产生的干扰。因为是多接地点，会在接地环路上形成环行电流，这种环行电流通过接地环路阻抗把瞬态噪声干扰耦合到下一级电路。漏电耦合干扰是由于仪器内部的电路绝缘不良，而出现的漏电流引起的电阻耦合产生的干扰；也可能是由高输入阻抗器件组成的系统，因其阻抗与电路板绝缘电阻可以相比拟，通过电路板产生漏电流而形成的干扰。从干扰输入信号的关系划分可分为串模（差模）干扰和共模干扰。串模干扰是指干扰信号与被测信号串联在一起，它成为被测信号的一部分，被送到放大器进行放大，影响很大。产生的原因：外部高压供电线交变电磁场通过寄生电容耦合进传感器一端；电源交变电磁场对传感器一端的漏电流耦合。共模干扰指在信号地和仪器地（大地）之间的干扰。产生的原因：（1）在数据采集系统附近有大功率的电器设备，电磁场以电感或电容形式耦合到传感器和传输导线中；（2）电源绝缘不良而引起的漏电或三相动力电网负载不平衡致使零线有较大的电流时，存在着较大的地电流和地电位差。如果系统有两个以上的接地点，则地电位差就会造成共模干扰；（3）电气设备的绝缘性能不良时，动力电源会通过漏电阻耦合到数据采集系统的信号回路，形成干扰；（4）在交流供电的仪器中，交流电会通过原、副边绕组间的寄生电容、整流滤波电路、信号电路与地之间的寄生电容到地构成回路，形成干扰。软件方面的干扰源主要表现在以下几个方面：（1）不正确的算法产生错误的结果，最主要的原因是由于计算机处理器中的程序指数运算是近似计算，产生的结果有时有较大的误差，容易产生误动作；（2）由于计算机的精度不高，而加减法运算时要对阶，大数“吃掉”了小数，产生了误差积累，导致下溢的出现，也是噪声的来源之一；（3）由于计算机处理器是高速数字器件，所长它的运算器、控制器及控制寄存器易受电磁干扰。以上硬件受到干扰引起的计算机出现的诸如：程序计数器PC值变化、数据采集误差增大、控制状态失灵、RAM数据受干扰发生变化以及系统出现“死锁”等现象。4.2电源纹波纹波是由于直流稳定电源的电压波动而造成的一种现象，因为直流稳定电源一般是由交流电源经整流稳压等环节而形成的，这就不可避免地在直流稳定量中多少带有一些交流成份，这种叠加在直流稳定量上的交流分量就称之为纹波。纹波的成分较为复杂，它的形态一般为频率高于工频的类似正弦波的谐波，另一种则是宽度很窄的脉冲波。它是附着于直流电平之上的包含周期性与随机性成分的杂波信号，指在额定输出电压、电流的情况下，输出电压中的交流电压的峰值。狭义上的纹波电压，是指输出直流电压中含有的工频交流成分。我们通常在产品中用的电源输出的直流电压是一个固定值，由交流电压经整流、滤波、稳压后得到。由于滤波不干净，直流电压中含有交流成分，这就产生了纹波。纹波是一种复杂的杂波信号，它是围绕输出直流电压上下来回波动的周期性信号，但周期和振幅不是定值，随时间而变，不同电源的纹波波形不一样。除了在电路中产生谐波以外，它主要有以下主要危害：（1）使电网中发生谐振而造成过电流或过电压而引发事故；（2）增加附加损耗，降低发电、输电及用电设备的效率和设备利用率；（3）使电气设备（如旋转电机、电容器、变压器等）运行不正常，加速绝缘老化，从而缩短它们的使用寿命；（4）使继电保护、自动装置、计算机系统及许多用电设备运转不正常或不能正常动作或操作；（5）使测量和计量仪器、仪表不能正确指示或计量；（6）干扰通信系统，降低信号的传输质量，破坏信号的正常传递，甚至损坏通信设备。纹波的害处：（1）容易在用电器上产生谐波，而谐波会产生较多的危害；（2）降低了电源的效率；（3）较强的纹波会造成浪涌电压或电流的产生，导致烧毁用电器；（4）会干扰数字电路的逻辑关系，影响其正常工作；（5）会带来噪音干扰，使图像设备、音响设备不能正常工作。由于我国供电频率是50Hz，所以它的纹波主要来自工频50Hz变压器，纹波电压的频率常常是50nHz，n取自然数，大小取决于整流电路的类型。对于半波整流，是1；对于全波整流，是2；对于三相全波整流，是6，即300Hz。所以这种电源的输出端纹波主要是50HZ或它的整数倍，幅值小，较易滤除，通常纹波可做到几mV。4.3数字滤波器的选择及其论证经分析，在本次设计中的干扰来源主要是工频干扰，干扰信号的频率为50Hz，周期为20ms，特点是具有周期性。因此必须选择数字滤波器滤除干扰，才能得到精确的采集结果。数字滤波器是按照程序计算信号，达到滤波的目的。通过对数字滤波器的存储器编写程序，就可以实现各种滤波功能。名称方法优点缺点限幅滤波法根据经验判断，确定两次采样允许的最大偏差值（设为A），每次检测到新值时判断：如果本次值与上次值之差<=A，则本次值有效，如果本次值与上次值之差>A，则本次值无效，放弃本次值，用上次值代替本次值能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰无法抑制那种周期性的干扰，平滑度差中位值滤波法连续采样N次（N取奇数），把N次采样值按大小排列，取中间值为本次有效值能有效克服因偶然因素引起的波动干扰，对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果对流量、速度等快速变化的参数不宜算术平均滤波法连续取N个采样值进行算术平均运算，N值较大时：信号平滑度较高，但灵敏度较低；N值较小时：信号平滑度较低，但灵敏度较高N值的选取：一般流量，N=12；压力：N=4适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波，这样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用，比较浪费RAM递推平均滤波法把连续取N个采样值看成一个队列，队列的长度固定为N，每次采样到一个新数据放入队尾，并扔掉原来队首的一次数据(先进先出原则)把队列中的N个数据进行算术平均运算，就可获得新的滤波结果N值的选取：流量，N=12；压力：N=4；液面，N=4~12；温度，N=1~4对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，适用于高频振荡的系统灵敏度低，对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差，不易消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差，不适用于脉冲干扰比较严重的场合，比较浪费RAM中位值平均滤波法相当于“中位值滤波法”“算术平均滤波法”，连续采样N个数据，去掉一个最大值和一个最小值，然后计算N-2个数据的算术平均值N值的选取：3~14融合了两种滤波法的优点，对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差测量速度较慢，和算术平均滤波法一样，比较浪费RAM限幅平均滤波法相当于“限幅滤波法”“递推平均滤波法”，每次采样到的新数据先进行限幅处理，再送入队列进行递推平均滤波处理融合了两种滤波法的优点，对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差比较浪费RAM一阶滞后滤波法取a=0~1，本次滤波结果=（1-a）*本次采样值a*上次滤波结果对周期性干扰具有良好的抑制作用，适用于波动频率较高的场合相位滞后，灵敏度低，滞后程度取决于a值大小，不能消除滤波频率高于采样频率的1/2的干扰信号加权递推平均滤波法是对递推平均滤波法的改进，即不同时刻的数据加以不同的权，通常是，越接近现时刻的资料，权取得越大，给予新采样值的权系数越大，则灵敏度越高，但信号平滑度越低适用于有较大纯滞后时间常数的对象和采样周期较短的系统对于纯滞后时间常数较小，采样周期较长，变化缓慢的信号，不能迅速反应系统当前所受干扰的严重程度，滤波效果差消抖滤波法设置一个滤波计数器，将每次采样值与当前有效值比较：如果采样值＝当前有效值，则计数器清零如果采样值<>当前有效值，则计数器1，并判断计数器是否>=上限N(溢出)，如果计数器溢出，则将本次值替换当前有效值，并清计数器对于变化缓慢的被测参数有较好的滤波效果，可避免在临界值附近控制器的反复开/关跳动或显示器上数值抖动对于快速变化的参数不宜，如果在计数器溢出的那一次采样到的值恰好是干扰值，则会将干扰值当作有效值导入系统限幅消抖滤波法相当于“限幅滤波法”“消抖滤波法”，先限幅后消抖继承了“限幅”和“消抖”的优点，改进了“消抖滤波法”中的某些缺陷，避免将干扰值导入系统对于快速变化的参数不宜IIR数字滤波器确定信号带宽，滤之Y(n)=a1*Y(n-1)a2*Y(n-2)...ak*Y(n-k)b0*X(n)b1*X(n-1)b2*X(n-2)...bk*X(n-k)高通，低通，带通，带阻任意设计简单(用matlab）运算量大综上对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，适用于高频振荡的系统的递推平均滤波法更适合。5.过程数据标度变换设计检测到的物理量量经过A/D转换后得到一个数字量，该数字量仅表示一个代表检测物理量大小的数值，并不一定等于原有量纲的参数值，故需将其转换成带有量纲的数值后输出才能进行运算、显示、或者打印输出，这种转化称为标度变换。5.1标度变换过程经查阅wago资料（M012900E.PDF）（Thedigitizedmeasuredvalueisstoredinadataword(16bit)asaninputbyte0(high)andasaninputbyte1(low).Thevaluewitha12bitresolutionisillustratedonbitB3...B14.Thethreelowvaluebits(B0...B2)areonlyusedintheeventofanerror.）PLC储存单位为字，即16位（B0~B15），其中状态信息位为BitB0..B2，数字输入位为BitB3..B15.所以需要将数据的B0~B2位置零，再将数据右移3位。标度变换公式为：其中A0:仪表下限；Am:仪表上限；Ax:实际测量值；N0：仪表下限所对应的数字量；Nm：仪表上限所对应的数字量；Nx：测量值所对应的数字量；在该试验台中A0:4mAAm:20mAN0:0Nm:4095(111111111111)所以立即推：AA6.组态王工程设置目前组态王常用的版本为“组态王6.53”软件包，它由以下三部分组成：(1)工程浏览器TouchExplorer是应用工程的开发环境。(2)工程管理器ProjectManager是应用程序的管理系统。(3)画面运行系统TouchView是“组态王6.53”软件的实时运行环境，在应用工程的开发环境中建立的图形画面只有在TouchView中才能运行。6.1组态王与下位机通讯方法“组态王”把每一台与之通讯的设备看作是外部设备，为实现组态王和外部设备的通讯，组态王内置了大量设备的驱动作为组态王和外部设备的通讯接口，在开发过程中只需根据工程浏览器提供的“设备配置向导”一步步完成连接过程即可实现组态王和相应外部设备驱动的连接。在运行期间，组态王就可通过驱动接口和外部设备交换数据，包括采集数据和发送数据/指令。6.2组态王与模块的通讯6.2.1设备工程配置情况在窗口的树型结构中通过双击选择“PLC\莫迪康\ModbusTCP\TCP”，如下图所示：6.2.2设备地址设置情况此设备地址指WT406-232的地址。MODBUS通讯是主从式通讯，通讯双方必须约定主机、从机，从机可以有多个，用1-255地址来区分。在此，组态王软件为主机方，WT406-232接口模块为从机，WT406-232接口地址可以设置。输入设备地址为：6:5021。如下图所示：6.2.3设备设置信息总结6.3组态王内定义变量6.3.1未滤波信号的定义定义滤波前采集到的数据为变量A1~A5,其具体相关参数如下：变量名:A1~A5变量类型:I/O实数连接设备:新I/O设备寄存器：输入3301~3306数据类型：SHORT读写属性：只读采集频率：500ms其它参数使用默认值，如下图所示：定义滤波前采集到的汇总数据为变量A,其具体相关参数如下：变量名:A变量类型:内存实数连接设备:新I/O设备其它参数使用默认值，如下图所示：6.3.2滤波后信号的定义定义滤波前采集到的数据为变量“B1~B5”,其具体相关参数如下：变量名:B1~B5变量类型:I/O实数连接设备:新I/O设备寄存器：输入3307~3311数据类型：SHORT读写属性：只读采集频率：500ms其它参数使用默认值，如下图所示：定义滤波后采集到的汇总数据为变量B,其具体相关参数如下：变量名:B变量类型:内存实数连接设备:新I/O设备其它参数使用默认值，如下图所示：6.3.3其他变量定义定义一个KAISHI变量，变量类型为内存离散型，来控制采集开始。定义MD、MD2两个内存实型变量，来作为数据整合延时程序的中间变量6.4组态王开发系统画面配置6.4.1组态王总画面配置6.4.2采样开始按钮配置、6.4.3滤波后数据波形6.4.4滤波前数据波形6.4.5滤波后数据显示表6.4.6滤波后数据显示6.4.7滤波前数据显示6.4.8数据库记录总画面6.4.9数据库记录连接命令语言配置6.4.10数据库记录开始命令语言配置6.4.11数据库记录断线命令语言配置6.5事件命令语言程序6.5.1数据整合命令语言程序由内存实数变量A，整合A1-A4中数据。由于500ms数据更新一次，故刷新时间定为500ms\\本站点\A=\\本站点\A1;if(\\本站点\MD==1)\\本站点\A=\\本站点\A2;if(\\本站点\MD==1)\\本站点\A=\\本站点\A3;if(\\本站点\MD==1)\\本站点\A=\\本站点\A4;if(\\本站点\MD==1)\\本站点\A=\\本站点\A5;6.5.2延时命令语言程序为了更好的进行数据整合不发生混乱，编写一个延时程序，加强对数据整合命令语句的控制。int(\\本站点\MD);\\本站点\MD=\\本站点\MD+1;if(\\本站点\MD==1)\\本站点\MD2=1;7.数据库配置在控制面板管理工具中添加新的ODBC数据源,选择建成的数据库进行添加。在组态王内定义记录体“数据“添加时间与电压值字段8.PLC的梯形图控制程序及程序设计说明8.1数据采集程序将%IW0