PDA高速數據采集分析系統(tǒng)及Profinet在其中的應用

劉安平

(中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶 401122)

0 引言

流程工業(yè)控制中設備故障診斷、產品質量判別、新產品開發(fā)需要大量實時數據，常用的數據庫只能提供秒級的數據分辨率，不夠精細。

大數據質量分析是經典分析方法的重要補充[1-2]，要求的數據更廣、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權，分析功能靈活的便捷工具。Profinet是新一代基于工業(yè)以太網技術的自動化總線標準[3-5]，傳輸速度快、數據量大。

本文在充分研究了Profinet技術的基礎上，將該協(xié)議應用到過程數據采集(process data acquisition，PDA)系統(tǒng)中。

PDA系統(tǒng)專注于通信協(xié)議研發(fā)、現場總線剖析、高速數據采集、實時數據壓縮、海量數據存儲、在線數據分析等技術的探究，可采集總線、網絡、硬件接口模塊及主流PLC等的數據，采樣點數可達10萬點，支持多服務器多客戶端模式。PDA系統(tǒng)為特殊設備的驅動開發(fā)預留了接口，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)實時數據是PDA系統(tǒng)的重要任務。每種工業(yè)控制器支持一種或多種通信協(xié)議和現場總線，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，則每天的數據量為3.456×1011字節(jié)。如此龐大的數據，必須進行壓縮。Windows下壓縮文件通常需要幾秒到幾十秒，是一種非實時數據壓縮。PDA必須在1 ms內對采集的數據完成壓縮，否則下一毫秒的數據將會丟失。壓縮后的歷史數據和正在采集的數據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)以太網技術的自動化總線標準。Profinet雖然應用廣泛，但協(xié)議內核比較復雜，自主應用有一定技術困難。

PDA系統(tǒng)為流程控制及設備測試提供綜合的數據解決方案。①為設備制造廠提供設備測試的手段。②為生產廠的運行維護提供設備故障診斷和狀態(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為產品質量判別提供準確的依據。⑤為新產品開發(fā)提供強大的數據支撐。⑥可作為智能無人駕駛數據記錄儀，可用于圖像識別、語音識別、深度學習、激光測距、路徑規(guī)劃、導航定位。

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，采樣點數可達100 000點。綜合采樣周期與PLC性能相關， 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]。

采用以下三種數據壓縮方式。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。

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

3 PDA系統(tǒng)組態(tài)

3.1 PDA服務器作為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)數為128的倍數。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據。

3.2 Profinet配置

Profinet最終依據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1 408 B，占用CPU時間在1 ms以內。通過單獨的Profinet網卡輸出1 408 B,經過背板總線約需要7 ms。Profinet設備名必須是18個字符。根據實際需要,設置Profinet數據刷新周期。

3.3 PLC數據準備

OB1中，通過SFC20將DB100中需要采集的數據拷貝到輸出地址。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服務器可采集多臺PLC數據。服務器中無需專用的Profinet板卡CP-1616，PDA就可將Profinet協(xié)議集成到普通的以太網卡中，綜合采樣周期可以達到2 ms。

一臺PDA服務器采集多臺PLC數據的Profinet數據采集網絡如圖1所示。

圖1 Profinet數據采集網絡圖 Fig.1 Profinet data acquisition network diagram

3.4 PDA服務器組態(tài)

Config.csv為PDA配置文件[7]，PDAServer.exe為數據采集軟件，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據采集，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從站數據，可設置Profinet網關作為主站，把收集的從站數據通過RT Ethernet轉發(fā)到PDA服務器，有效采集周期可達ms級。

4 PDA數據采集方案及通信協(xié)議

PDA系統(tǒng)采集的設備類型及采集方式主要有：采集主流PLC數據、采集智能控制器數據、采集現場總線上的數據[8-10]、采集遠程模塊信號[11]、高速16位A/D轉換、無線數據采集、多種多臺PLC、采集狀態(tài)指示、采集內存映像網數據、采集PC數據、實時數據文件、轉發(fā)電文采集、專用設備合作開發(fā)驅動。

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)數據分析功能

PDA系統(tǒng)具有豐富的分析、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、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、數據字典、分析策略[15]、數字表、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視圖調整功能：多欄屏顯、視圖導航、視圖平移、滾輪平移、滾輪縮放、變焦縮放、視圖高度調整。

②多維視圖：x-y軸轉換、二維視圖、板形分析、三維視圖、三維曲面視圖。

③導出導入功能：分析數據導出、歷史數據導出、統(tǒng)計數據導出、示波器波形分析。

④系統(tǒng)結構及組態(tài)：微秒級的時間分辨率、采用客戶機/服務器結構[17]、支持多主多從多窗口、捕捉瞬時信號突變、Excel配置地址薄、采集點數靈活配置、信號樹導出、無線模塊組態(tài)。

⑤報表功能。

⑥數據接口。

⑦數據計算功能。

6 結束語

PDA高速數據采集分析系統(tǒng)可廣泛應用于冶金、

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)控制領域。該系統(tǒng)在新鋼、濟鋼、八一鋼鐵等數十家大型企業(yè)的應用中得到用戶的一致好評。

PDA系統(tǒng)支持各類通信電文，為數據平臺提供PLC通信協(xié)議服務。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，本文對數據采集方案和分析功能僅作了簡略說明。

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