基于傳感器的PDA高速數據采集分析系統

(1.中冶賽迪工程技術股份有限公司；2.經緯銘月科技(武漢)有限公司)

基于傳感器的PDA高速數據采集分析系統

劉安平1彭 君2

(1.中冶賽迪工程技術股份有限公司；2.經緯銘月科技(武漢)有限公司)

為實現對現場各種物理量的傳感器數據進行采集，開發了PDA高速數據采集與分析系統，設計了幾種接入PDA系統的數據采集方式。

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對工業現場設備進行故障診斷和狀態監測是提高生產廠設備運行維護效率的有效方法，設備制造廠重要裝備出廠前要做設備性能測試和動態過程分析，常需要對相關參數做毫秒甚至微秒級的數據采集，一般用筆錄儀進行高速記錄，消耗大量紙張且通道數量有限，數據分析也不方便，不能統計。流程控制中，針對產品質量判別和新產品開發也需要大量實時數據，常用的數據庫只能提供秒級數據分辨率，不夠精細。大數據質量分析是經典分析方法的重要補充，要求的數據更廣、更多。因此，廣大工程師迫切期盼有一種完全自主知識產權、分析功能能自如伸縮的便捷工具，由于工業控制器大部分由國外廠商提供，通信協議幾乎全由外商把持，數據不開放，高速采集這些控制器中的數據存在諸多瓶頸。

傳感器是現場最原始的數據測量工具，是進行數據分析的物理基礎。筆者設計了PDA高速數據采集與分析系統，可采集總線、網絡、硬件接口模塊及主流PLC等的數據。

1 傳感器數據采集方案

1.1接口模塊數據采集

PDA系統設計有多通道全隔離型模擬量和數字量模塊，模擬量16位高速A/D轉換，數字量采用光電隔離，模塊將轉換后的信號通過10/100M以太網高速發往PDA服務器，支持的信號類型有：0～5V/0～±5V/1～5V/0～10V/0～±10V，0～10mA/0～±10mA/4～20mA/0～±20mA，0～1A/0～5A/0～±1A/0～±5A，mV等弱信號，+5/+12/+24V(DC)數字量，熱電阻Pt100/Cu50，熱電偶J/K/T/E/R/S/B，角位移/電子尺/電位器/頻率信號，SSI串行同步接口信號，通道可按信號類型分組，模塊可級聯擴展至數百點。

模塊IP地址、端口號等通過pdaTools設置，圖1為多個接口模塊通過以太網進行高速數據采集的網絡圖。

圖1 接口模塊數據采集網絡

1.2傳感器串行接口采集

帶有串口RS232/RS485的傳感器可以直接通過該接口采集，PDAU COM-2AI-0AB0可高速采集兩路模擬量數據，采用串口通信，可嵌入到用戶系統中。

在PDA服務器配置文件中設置串口號、波特率、采樣周期、數據源類型和通道數。

1.3傳感器工業以太網采集

帶有工業以太網接口的傳感器可把采集的信號直接發送到PDA服務器或由PDA服務器讀取。

1.4PDA網關采集

PDA網關實際為一臺高性能PLC，可以擴展各種總線主從模塊、各類IO模塊，它與PDA服務器通過實時以太網或EtherCAT高速傳輸數據，如可連接CANopen主站和從站、DeviceNet主站和從站、計數器、AI/DI模塊及SSI等。圖2為一臺PDA網關連接數據采集服務器的網絡結構示意圖。

圖2 PDA網關數據采集網絡結構示意圖

1.5PLC綜合采集

工控系統中傳感器一般都要接入PLC參與控制，PDA可以利用PLC的通信網絡采集各種數據。

S7-400以太網高速定周期2ms方案。當采集點數不很多，但要求采集周期很快時采用本方案，采集周期可達2ms，數據源類型為0，CPU自帶或獨立以太網板的網口均可。PLC上增加一塊Profinet網卡專門用于數據采集，可以大幅縮短采樣周期。建議選用6GK7 443-1EX20-0XE0等西門子升級以后的網卡，性能比6GK7 443-1EX11-0XE0高得多。

Profinet。標準版PDA系統按CP-1616 onboard V2.3配置Profinet從站，采集的字節數為128的倍數，每個從站最多可采集1 408Byte，可增加多個從站采集更多的數據，數據源類型為8。Profinet最終還是依據mac地址傳送數據，因此同一個PN口的不同從站在PDA服務器中需要不同的網卡與之對應，PDA服務器支持多網卡。S7 CPU所帶PN口輸出1 408Byte占用CPU時間在1ms以內，通過單獨的Profinet網卡輸出1 408Byte，原因是要經過背板總線約需7ms時間。Profinet設備名必須是18個字符。PQB必須配置為連續地址。OB1中將DB100中需要采集的數據拷到輸出地址(與PLC硬件組態中的地址要一致)。

通過交換機，一臺PDA服務器可采集多臺PLC數據，服務器中無需專用的Profinet板卡CP-1616，PDA將Profinet協議集成到普通以太網卡中了。

S7變量存取。PDA可以通過以太網按S7-400/S7-300/TDC/FM458變量地址直接讀取PLC中的數據，PLC中不需要編寫任何程序，數據源類型為21。可采集的數據區為IB、QB、MB、DB、PIB，隨著變量地址的不連續增加，采樣周期將變慢，約10～100ms。變量地址信息輸入到組態文件Config.csv變量地址欄(Address)，建議將工程項目中已經定義好的符號表通過Excel拷入到Config.csv并做適當調整，DB塊可生成源文件導出后讀入到配置文件中。

S7-400 iso變量存取。S7-400可以不設IP地址，而是按mac地址采集數據，PDA Server中不需要安裝SimaticNet。可采集的數據區為IB、QB、MB、DB。如果采集狀態異常，可將網卡停用再啟用，然后進行數據采集。

標準以太網。一般的PLC均帶有以太網接口，PLC可以將要采集的數據發送到PDA服務器。這種方式效率較高，支持UDP、TCP方式，UDP可到毫秒級或以下。

Profibus-DP。PDA的DP網橋PDA DPM-2B244-0AB0有兩個獨立的DP接口，可連接到兩個DP網段，從每個網段采集2 44Byte并通過以太網發送到PDA服務器，pda244.gsd是它的配置文件，當采集點數較多時可用多塊DP網橋串聯起來，采樣周期可達0.5ms。對于S7-400/S7-300采集程序應在OB1中，有效采樣周期與OB1的掃描周期相同。

圖3是典型的通過DP進行數據采集的網絡圖，每塊網橋的IP地址和DP站號通過pdaTools.exe設置。

圖3 DP網橋數據采集網絡結構示意圖

內存映象網Reflective Memory。該方式是以GE為代表的高速PLC通信方案。對于以VxWorks為內核的實時操作系統，如LogiCAD、CoDeSys及ISaGRAF等與此類同。支持的廠商有奧鋼聯、西馬克、GE及西屋等。支持同時采集數十臺PLC的數據，總采樣點數不少于10 000點，采樣周期不大于2ms。

CoDeSys。對于以CoDeSys、LogiCAD、TCS及ISaGRAF等為編程平臺的PLC系統，開放性很強，可以支持多種方式與PDA系統通信。

EGD(Ethernet Global Data)。以GE Fanuc、阿爾斯通HPCi為代表的多種PLC支持EGD通信。采樣周期可達2ms。PDA服務器可接收多臺PLC的多個生產者的數據，一臺PLC中也可以有多個生產者，按Exchange ID識別，一臺PDA服務器還可以設置多個IP地址。

Modbus。設置好串口號、通信速率和變量寄存器地址，PDA服務器即可按寄存器地址或首址成塊采集內存數據。

Modbus TCP。設置好IP地址、變量寄存器地址，PDA服務器即可按寄存器地址或首址成塊采集內存數據。

EtherNet/IP。以RSLogix為例，一個連接最多采集496Byte，即可采集124個實數或248個整數或其他數據類型，采樣周期可到2ms。采集點數較多時可建立多個連接，PDA Server支持多個IP地址與之對應。如果選用Web+以太網模板，還可用標準以太網方式采集數據，但編程復雜，不推薦使用。

EtherNet/IP-backplate。該方式支持的PLC有Rockwell的ControlLogix等系列，按變量名讀取PLC中的數據，PLC中不需要編程，綜合采集周期不小于10ms。

GE Fanuc SRTP。SRTP是GE Service Request Transfer Protocol，支持GE Fanuc 90、VersaMax、PACSystems系列PLC。按變量地址讀取PLC中的數據，PLC中不需要編程，綜合采集周期不小于10ms。

GE Fanuc SNPX。數據源類型為30，利用串口與PLC通信，支持的PLC有90-30、VersaMax。

Beckhoff Ethernet。建議選用WinCE內核的CPU，有效采樣周期可達0.25ms，比WinXp或Win7內核具有更高的效率。PLC可一次(2ms)發送1 423Byte，上升沿觸發。

Wago萬可。采用UDP通信，PLC可一次(2ms)發送1 473Byte。

MOOG PLC。MOOG PLC采用CoDeSys作為編程工具，采用UDP通信，綜合采集周期可到2ms。

ABB PLC。支持UDP、Profinet及EtherCAT等方式進行數據采集。

Beckhoff Realtime Ethernet。可實現0.25ms有效采樣周期的數據采集，定義一個結構體保存將要采集的數據，將該結構體定義到組態中。

Beckhoff Ads。按變量名采集Beckhoff PLC中的數據，PLC中不需要編程，有效采集周期不小于10ms。

EtherCAT。可實現0.1ms有效采樣周期的數據采集，需要FC1100或FC1121支持。

實時數據文件。各連接的文件名為其識別號，數據刷新率為秒級，可用于廣域網。

OPC。支持OPCAutomation、OPC Com方式，一臺PLC采集點數太多時，可把點分成多個連接，每個連接的OPC組名建議不一致。

S7-1500。S7-1500支持UDP、Profinet和直接讀PLC內存地址方式。PLC組態要選Full access，DB塊取消優化。

S7-1200。S7-1200支持直接讀PLC內存地址方式。PLC組態選Full access，DB塊取消優化。

2 PDA系統性能指標

PDA系統運行在Windows平臺，支持字符串、模擬量和數字量，各類型可以混合排列。

采樣周期0.25～200.00ms，綜合采樣周期與設備性能相關，提供計算時鐘；實時時鐘(廣域同步)。

數據壓縮方式有實時壓縮(注重實時性和效率)、高效壓縮(高的壓縮比，注重壓縮率)、不壓縮(注重開放性)3種。

根據控制系統配置特點可靈活選用多種方式進行數據采集：工業以太網、Profibus-DP及RFM網等網絡采集；硬件接口模塊采集；PLC主動發送數據，PDA服務器接收；PDA服務器直接讀取PLC中的數據；數據打包傳送。

3 PDA系統數據分析功能

PDA系統有豐富的分析、報表功能，所有數據提供開放的接口，支持Dos、Windows32/64、Linux32/64、Android、Mac OS及iOS等平臺。

常用的分析功能主要有：微秒級的時間分辨率；采用客戶機/服務器結構；支持多主多從多窗口；捕捉瞬時信號突變；Excel配置地址薄；采集點數靈活配置；信號樹導出；分析數據導出；歷史數據導出；統計數據導出；邏輯虛擬信號；x-y軸轉換；無線模塊組態；加速度分析；雙x軸標記；雙y軸標記；動態y軸標記；視圖高度調整；視頻同步分析；示波器波形分析；三維曲面視圖；軸承油膜計算；軋機剛度測量；軋機剛度跟蹤報表；大型液壓缸性能測試報表；質量異義判別；QDR質量數據記錄；質量數據報表；專用分析功能定制；英文版/中文版/任意語種；歷史數據接口；在線數據接口；視頻同步分析接口；兼容第三方數據格式；Oracle等數據庫實時接口；質量管理系統及大數據接口；HMI接口；插件；時序分析；絕對時鐘；計算時鐘；實時趨勢；歷史趨勢；動態回放；視圖導航；視圖平移；滾輪平移；滾輪縮放；變焦縮放；數據統計；信號查找；多欄屏顯；數據字典；數字濾波；分析策略；數字表；曲線標注；故障分析；事件標注；專家系統；系統報警；同比分析；自動定標；對齊功能；二維視圖；三維視圖；曲線擬合；曲面擬合；板形分析；頻譜分析；相位分析；能譜分析。

PDA系統分析軟件PDAClient運行界面如圖4所示。

圖4 PDA分析軟件運行界面

4 結束語

PDA系統支持各類電文，為數據平臺提供PLC通信協議服務，具有完善的通信協議軟件開發模板，能快速合作開發未知未來協議，限于篇幅文中的數據采集方案和分析功能僅作了簡略說明。

PDA高速數據采集與分析系統可以詳盡解析工業大數據來源，廣泛應用于冶金、石化、水泥、能源、煤炭、電力、醫藥、煙草、加熱爐、機械制造、交通運輸、大型船舶、造紙印刷、軍工及軍事等行業的控制領域，在新鋼、濟鋼及八一鋼鐵等數十家大型企業應用，得到用戶一致好評。

PDAHigh-speedDataAcquisitionandAnalysisSystemBasedonSensors

LIU An-ping1, PENG Jun2

(1.CISDIEngineeringCo.,Ltd.; 2.KingWeiImpressMoonTechnology(Wuhan)Co.,Ltd.)

For purpose of collecting the sensor data of all physical quantities on site, a PDA(process data acquisition) high-speed data acquisition and analysis system was developed, and various data-collecting methods which accessing to the PDA system were designed.

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劉安平(1968-)，教授級高級工程師，從事工業自動化及高速數據采集分析的設計開發工作，1033657011@qq.com。

TH865

B

1000-3932(2017)11-1061-05

2017-07-18，

2017-09-14)

2017華南工業自動化暨智能與物聯制造展覽會

展會時間2017年12月6～8日展會地點深圳會展中心3號館

2017華南工業自動化暨智能與物聯制造展覽會是覆蓋智慧生產、物聯網及工業自動化產業鏈的一個專業展會，針對潛力巨大的自動化及工業物聯網制造市場而誕生。這是一個令業界興奮的全新展會。針對潛力巨大的自動化及工業物聯網制造市場，匯聚業內人士，共同了解、采購和學習最新有關物聯網、大數據分折技術及自動化設備，讓買家更有效地了解各技術及解決方案的工業應用，繼而提升業務生產效率并降低成本。

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