PDA高速數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)及Profinet在其中的應(yīng)用

劉安平

(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 401122)

0 引言

流程工業(yè)控制中設(shè)備故障診斷、產(chǎn)品質(zhì)量判別、新產(chǎn)品開發(fā)需要大量實時數(shù)據(jù)，常用的數(shù)據(jù)庫只能提供秒級的數(shù)據(jù)分辨率，不夠精細。

大數(shù)據(jù)質(zhì)量分析是經(jīng)典分析方法的重要補充[1-2]，要求的數(shù)據(jù)更廣、更多。因此，廣大工程師迫切期盼著能有一種完全自主知識產(chǎn)權(quán)，分析功能靈活的便捷工具。Profinet是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動化總線標準[3-5]，傳輸速度快、數(shù)據(jù)量大。

本文在充分研究了Profinet技術(shù)的基礎(chǔ)上，將該協(xié)議應(yīng)用到過程數(shù)據(jù)采集(process data acquisition，PDA)系統(tǒng)中。

PDA系統(tǒng)專注于通信協(xié)議研發(fā)、現(xiàn)場總線剖析、高速數(shù)據(jù)采集、實時數(shù)據(jù)壓縮、海量數(shù)據(jù)存儲、在線數(shù)據(jù)分析等技術(shù)的探究，可采集總線、網(wǎng)絡(luò)、硬件接口模塊及主流PLC等的數(shù)據(jù)，采樣點數(shù)可達10萬點，支持多服務(wù)器多客戶端模式。PDA系統(tǒng)為特殊設(shè)備的驅(qū)動開發(fā)預(yù)留了接口，可以定制專用的分析功能。

1 PDA系統(tǒng)功能解析

采集工業(yè)實時數(shù)據(jù)是PDA系統(tǒng)的重要任務(wù)。每種工業(yè)控制器支持一種或多種通信協(xié)議和現(xiàn)場總線，Profinet是其中的一種，由西門子主推，傳送速度可到1 ms。如果采集1 000個實數(shù)，則每天的數(shù)據(jù)量為3.456×1011字節(jié)。如此龐大的數(shù)據(jù)，必須進行壓縮。Windows下壓縮文件通常需要幾秒到幾十秒，是一種非實時數(shù)據(jù)壓縮。PDA必須在1 ms內(nèi)對采集的數(shù)據(jù)完成壓縮，否則下一毫秒的數(shù)據(jù)將會丟失。壓縮后的歷史數(shù)據(jù)和正在采集的數(shù)據(jù)工程師希望能在自己的終端進行分析。

Profinet由PROFIBUS國際組織(PROFIBUS International，PI)推出，是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動化總線標準。Profinet雖然應(yīng)用廣泛，但協(xié)議內(nèi)核比較復(fù)雜，自主應(yīng)用有一定技術(shù)困難。

PDA系統(tǒng)為流程控制及設(shè)備測試提供綜合的數(shù)據(jù)解決方案。①為設(shè)備制造廠提供設(shè)備測試的手段。②為生產(chǎn)廠的運行維護提供設(shè)備故障診斷和狀態(tài)檢測的有效方法。③為動態(tài)過程分析提供便捷的工具。④為產(chǎn)品質(zhì)量判別提供準確的依據(jù)。⑤為新產(chǎn)品開發(fā)提供強大的數(shù)據(jù)支撐。⑥可作為智能無人駕駛數(shù)據(jù)記錄儀，可用于圖像識別、語音識別、深度學(xué)習、激光測距、路徑規(guī)劃、導(dǎo)航定位。

2 PDA系統(tǒng)性能指標

PDA系統(tǒng)運行在Windows平臺，支持字符串(STRING，CHAR)、模擬量；INT；DINT；BYTE；WORD；DWORD；REAL；DOUBLE、數(shù)字量(BIT，BOOL，Boolean)，各類型可以混合排列。

PDA系統(tǒng)采樣周期為0.1～200 ms，采樣點數(shù)可達100 000點。綜合采樣周期與PLC性能相關(guān)， PDA系統(tǒng)提供計算時鐘和實時時鐘，實時時鐘用于廣域同步[6]。

采用以下三種數(shù)據(jù)壓縮方式。①實時壓縮：注重實時性和效率。②高效壓縮：注重壓縮率。③不壓縮：注重開放性。

根據(jù)控制系統(tǒng)配置特點，可靈活選用多種方式進行數(shù)據(jù)采集：工業(yè)以太網(wǎng)、Profibus-DP等網(wǎng)絡(luò)采集；硬件接口模塊采集；PLC主動發(fā)送數(shù)據(jù)，PDA服務(wù)器接收；PDA服務(wù)器直接讀取PLC中的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)打包傳送等。

3 PDA系統(tǒng)組態(tài)

3.1 PDA服務(wù)器作為Profinet從站

標準版PDA系統(tǒng)按西門子板卡CP-1616 onboard V2.3配置Profinet從站，采集的字節(jié)數(shù)為128的倍數(shù)。每個從站最多可采集1 408 B， Q地址必須配置為連續(xù)的地址。CPU輸出映像地址不小于Profinet的Q地址范圍，增加多個從站可以采集更多的數(shù)據(jù)。

3.2 Profinet配置

Profinet最終依據(jù)MAC地址傳送數(shù)據(jù)，因此同一個PN口的不同從站，在PDA服務(wù)器中需要不同的網(wǎng)卡與之對應(yīng)。PDA服務(wù)器支持多網(wǎng)卡。

S7 CPU所帶PN口輸出1 408 B，占用CPU時間在1 ms以內(nèi)。通過單獨的Profinet網(wǎng)卡輸出1 408 B,經(jīng)過背板總線約需要7 ms。Profinet設(shè)備名必須是18個字符。根據(jù)實際需要,設(shè)置Profinet數(shù)據(jù)刷新周期。

3.3 PLC數(shù)據(jù)準備

OB1中，通過SFC20將DB100中需要采集的數(shù)據(jù)拷貝到輸出地址。該地址與Profinet從站硬件組態(tài)中的地址要一致。將OB80、OB81、OB82、OB83、OB84、OB85、OB86、OB87、OB88、OB121、OB122，加入到Step7軟件項目中。

通過交換機，一臺PDA服務(wù)器可采集多臺PLC數(shù)據(jù)。服務(wù)器中無需專用的Profinet板卡CP-1616，PDA就可將Profinet協(xié)議集成到普通的以太網(wǎng)卡中，綜合采樣周期可以達到2 ms。

一臺PDA服務(wù)器采集多臺PLC數(shù)據(jù)的Profinet數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 Profinet數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)圖 Fig.1 Profinet data acquisition network diagram

3.4 PDA服務(wù)器組態(tài)

Config.csv為PDA配置文件[7]，PDAServer.exe為數(shù)據(jù)采集軟件，PDAClient.exe為分析軟件。它們啟動時，會自動載入當前路徑下的Config.csv。

支持Profinet協(xié)議的主站都可以采用類似方式進行數(shù)據(jù)采集，如Beckhoff、ABB等廠商的控制器，Siemens CPU555每個從站可采集240 B。

如果要采集Profinet從站數(shù)據(jù)，可設(shè)置Profinet網(wǎng)關(guān)作為主站，把收集的從站數(shù)據(jù)通過RT Ethernet轉(zhuǎn)發(fā)到PDA服務(wù)器，有效采集周期可達ms級。

4 PDA數(shù)據(jù)采集方案及通信協(xié)議

PDA系統(tǒng)采集的設(shè)備類型及采集方式主要有：采集主流PLC數(shù)據(jù)、采集智能控制器數(shù)據(jù)、采集現(xiàn)場總線上的數(shù)據(jù)[8-10]、采集遠程模塊信號[11]、高速16位A/D轉(zhuǎn)換、無線數(shù)據(jù)采集、多種多臺PLC、采集狀態(tài)指示、采集內(nèi)存映像網(wǎng)數(shù)據(jù)、采集PC數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)文件、轉(zhuǎn)發(fā)電文采集、專用設(shè)備合作開發(fā)驅(qū)動。

支持的總線和協(xié)議有：Ethernet UDP、Ethernet TCP、S7 Ethernet TCP/iso、Profinet、Beckhoff Realtime Ethernet、EtherCAT、Beckhoff Ads、MPI/DP[12]、Profibus-DP、Modbus、ModbusTCP、RS232/RS485、CANopen DeviceNet、EGD、EtherNet/IP、Reflective memory、Inverter等。

5 PDA系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析功能

PDA系統(tǒng)具有豐富的分析、報表功能，所有數(shù)據(jù)提供開放的接口，支持Dos、Windows32/64、Linux32/64、Android、Mac OS、iOS等平臺。

常用的分析功能主要有：實時趨勢、歷史趨勢[13-14]、雙x軸標記、雙y軸標記、動態(tài)y軸標記、視頻同步分析、時序分析、絕對時鐘、計算時鐘、動態(tài)回放、信號查找、數(shù)據(jù)字典、分析策略[15]、數(shù)字表、曲線標注、故障分析[16]、事件標注、同比分析、自動定標、對齊功能。

①視圖調(diào)整功能：多欄屏顯、視圖導(dǎo)航、視圖平移、滾輪平移、滾輪縮放、變焦縮放、視圖高度調(diào)整。

②多維視圖：x-y軸轉(zhuǎn)換、二維視圖、板形分析、三維視圖、三維曲面視圖。

③導(dǎo)出導(dǎo)入功能：分析數(shù)據(jù)導(dǎo)出、歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)出、統(tǒng)計數(shù)據(jù)導(dǎo)出、示波器波形分析。

④系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組態(tài)：微秒級的時間分辨率、采用客戶機/服務(wù)器結(jié)構(gòu)[17]、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(shù)靈活配置、信號樹導(dǎo)出、無線模塊組態(tài)。

⑤報表功能。

⑥數(shù)據(jù)接口。

⑦數(shù)據(jù)計算功能。

6 結(jié)束語

PDA高速數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于冶金、

石化、水泥、能源、煤炭、電力、醫(yī)藥、煙草、加熱爐、機械制造、交通運輸、大型船舶、造紙印刷、軍工、軍事等行業(yè)控制領(lǐng)域。該系統(tǒng)在新鋼、濟鋼、八一鋼鐵等數(shù)十家大型企業(yè)的應(yīng)用中得到用戶的一致好評。

PDA系統(tǒng)支持各類通信電文，為數(shù)據(jù)平臺提供PLC通信協(xié)議服務(wù)。它具有完善的通信協(xié)議軟件開發(fā)模板，能快速開發(fā)未知未來協(xié)議。限于篇幅，本文對數(shù)據(jù)采集方案和分析功能僅作了簡略說明。

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