基于傳感器的PDA高速數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

(1.中冶賽迪工程技術股份有限公司；2.經(jīng)緯銘月科技(武漢)有限公司)

基于傳感器的PDA高速數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

劉安平1彭 君2

(1.中冶賽迪工程技術股份有限公司；2.經(jīng)緯銘月科技(武漢)有限公司)

為實現(xiàn)對現(xiàn)場各種物理量的傳感器數(shù)據(jù)進行采集，開發(fā)了PDA高速數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，設計了幾種接入PDA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式。

數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)分析 傳感器 PDA 高速

對工業(yè)現(xiàn)場設備進行故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測是提高生產(chǎn)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(tài)過程分析，常需要對相關參數(shù)做毫秒甚至微秒級的數(shù)據(jù)采集，一般用筆錄儀進行高速記錄，消耗大量紙張且通道數(shù)量有限，數(shù)據(jù)分析也不方便，不能統(tǒng)計。流程控制中，針對產(chǎn)品質量判別和新產(chǎn)品開發(fā)也需要大量實時數(shù)據(jù)，常用的數(shù)據(jù)庫只能提供秒級數(shù)據(jù)分辨率，不夠精細。大數(shù)據(jù)質量分析是經(jīng)典分析方法的重要補充，要求的數(shù)據(jù)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(chǎn)權、分析功能能自如伸縮的便捷工具，由于工業(yè)控制器大部分由國外廠商提供，通信協(xié)議幾乎全由外商把持，數(shù)據(jù)不開放，高速采集這些控制器中的數(shù)據(jù)存在諸多瓶頸。

傳感器是現(xiàn)場最原始的數(shù)據(jù)測量工具，是進行數(shù)據(jù)分析的物理基礎。筆者設計了PDA高速數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，可采集總線、網(wǎng)絡、硬件接口模塊及主流PLC等的數(shù)據(jù)。

1 傳感器數(shù)據(jù)采集方案

1.1接口模塊數(shù)據(jù)采集

PDA系統(tǒng)設計有多通道全隔離型模擬量和數(shù)字量模塊，模擬量16位高速A/D轉換，數(shù)字量采用光電隔離，模塊將轉換后的信號通過10/100M以太網(wǎng)高速發(fā)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(shù)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(lián)擴展至數(shù)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(wǎng)進行高速數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)絡圖。

圖1 接口模塊數(shù)據(jù)采集網(wǎng)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(shù)據(jù)，采用串口通信，可嵌入到用戶系統(tǒng)中。

在PDA服務器配置文件中設置串口號、波特率、采樣周期、數(shù)據(jù)源類型和通道數(shù)。

1.3傳感器工業(yè)以太網(wǎng)采集

帶有工業(yè)以太網(wǎng)接口的傳感器可把采集的信號直接發(fā)送到PDA服務器或由PDA服務器讀取。

1.4PDA網(wǎng)關采集

PDA網(wǎng)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(wǎng)或EtherCAT高速傳輸數(shù)據(jù)，如可連接CANopen主站和從站、DeviceNet主站和從站、計數(shù)器、AI/DI模塊及SSI等。圖2為一臺PDA網(wǎng)關連接數(shù)據(jù)采集服務器的網(wǎng)絡結構示意圖。

圖2 PDA網(wǎng)關數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡結構示意圖

1.5PLC綜合采集

工控系統(tǒng)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(wǎng)絡采集各種數(shù)據(jù)。

S7-400以太網(wǎng)高速定周期2ms方案。當采集點數(shù)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(shù)據(jù)源類型為0，CPU自帶或獨立以太網(wǎng)板的網(wǎng)口均可。PLC上增加一塊Profinet網(wǎng)卡專門用于數(shù)據(jù)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(wǎng)卡，性能比6GK7 443-1EX11-0XE0高得多。

Profinet。標準版PDA系統(tǒng)按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 408Byte，可增加多個從站采集更多的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)源類型為8。Profinet最終還是依據(jù)mac地址傳送數(shù)據(jù)，因此同一個PN口的不同從站在PDA服務器中需要不同的網(wǎng)卡與之對應，PDA服務器支持多網(wǎng)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(wǎng)卡輸出1 408Byte，原因是要經(jīng)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(xù)地址。OB1中將DB100中需要采集的數(shù)據(jù)拷到輸出地址(與PLC硬件組態(tài)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(shù)據(jù)，服務器中無需專用的Profinet板卡CP-1616，PDA將Profinet協(xié)議集成到普通以太網(wǎng)卡中了。

S7變量存取。PDA可以通過以太網(wǎng)按S7-400/S7-300/TDC/FM458變量地址直接讀取PLC中的數(shù)據(jù)，PLC中不需要編寫任何程序，數(shù)據(jù)源類型為21?？刹杉臄?shù)據(jù)區(qū)為IB、QB、MB、DB、PIB，隨著變量地址的不連續(xù)增加，采樣周期將變慢，約10～100ms。變量地址信息輸入到組態(tài)文件Config.csv變量地址欄(Address)，建議將工程項目中已經(jīng)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(shù)據(jù)，PDA Server中不需要安裝SimaticNet?？刹杉臄?shù)據(jù)區(qū)為IB、QB、MB、DB。如果采集狀態(tài)異常，可將網(wǎng)卡停用再啟用，然后進行數(shù)據(jù)采集。

標準以太網(wǎng)。一般的PLC均帶有以太網(wǎng)接口，PLC可以將要采集的數(shù)據(jù)發(fā)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(wǎng)橋PDA DPM-2B244-0AB0有兩個獨立的DP接口，可連接到兩個DP網(wǎng)段，從每個網(wǎng)段采集2 44Byte并通過以太網(wǎng)發(fā)送到PDA服務器，pda244.gsd是它的配置文件，當采集點數(shù)較多時可用多塊DP網(wǎng)橋串聯(lián)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(shù)據(jù)采集的網(wǎng)絡圖，每塊網(wǎng)橋的IP地址和DP站號通過pdaTools.exe設置。

圖3 DP網(wǎng)橋數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡結構示意圖

內存映象網(wǎng)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(tǒng)，如LogiCAD、CoDeSys及ISaGRAF等與此類同。支持的廠商有奧鋼聯(lián)、西馬克、GE及西屋等。支持同時采集數(shù)十臺PLC的數(shù)據(jù)，總采樣點數(shù)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(tǒng)，開放性很強，可以支持多種方式與PDA系統(tǒng)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(chǎn)者的數(shù)據(jù)，一臺PLC中也可以有多個生產(chǎn)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(shù)據(jù)。

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(shù)據(jù)。

EtherNet/IP。以RSLogix為例，一個連接最多采集496Byte，即可采集124個實數(shù)或248個整數(shù)或其他數(shù)據(jù)類型，采樣周期可到2ms。采集點數(shù)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(wǎng)模板，還可用標準以太網(wǎng)方式采集數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，PLC中不需要編程，綜合采集周期不小于10ms。

GE Fanuc SNPX。數(shù)據(jù)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(fā)送1 423Byte，上升沿觸發(fā)。

Wago萬可。采用UDP通信，PLC可一次(2ms)發(fā)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(shù)據(jù)采集。

Beckhoff Realtime Ethernet。可實現(xiàn)0.25ms有效采樣周期的數(shù)據(jù)采集，定義一個結構體保存將要采集的數(shù)據(jù)，將該結構體定義到組態(tài)中。

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

EtherCAT?？蓪崿F(xiàn)0.1ms有效采樣周期的數(shù)據(jù)采集，需要FC1100或FC1121支持。

實時數(shù)據(jù)文件。各連接的文件名為其識別號，數(shù)據(jù)刷新率為秒級，可用于廣域網(wǎng)。

OPC。支持OPCAutomation、OPC Com方式，一臺PLC采集點數(shù)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(tài)要選Full access，DB塊取消優(yōu)化。

S7-1200。S7-1200支持直接讀PLC內存地址方式。PLC組態(tài)選Full access，DB塊取消優(yōu)化。

2 PDA系統(tǒng)性能指標

PDA系統(tǒng)運行在Windows平臺，支持字符串、模擬量和數(shù)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(shù)據(jù)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(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及RFM網(wǎng)等網(wǎng)絡采集；硬件接口模塊采集；PLC主動發(fā)送數(shù)據(jù)，PDA服務器接收；PDA服務器直接讀取PLC中的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)打包傳送。

3 PDA系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析功能

PDA系統(tǒng)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??；采集點數(shù)靈活配置；信號樹導出；分析數(shù)據(jù)導出；歷史數(shù)據(jù)導出；統(tǒng)計數(shù)據(jù)導出；邏輯虛擬信號；x-y軸轉換；無線模塊組態(tài)；加速度分析；雙x軸標記；雙y軸標記；動態(tài)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(shù)據(jù)記錄；質量數(shù)據(jù)報表；專用分析功能定制；英文版/中文版/任意語種；歷史數(shù)據(jù)接口；在線數(shù)據(jù)接口；視頻同步分析接口；兼容第三方數(shù)據(jù)格式；Oracle等數(shù)據(jù)庫實時接口；質量管理系統(tǒng)及大數(shù)據(jù)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(tài)回放；視圖導航；視圖平移；滾輪平移；滾輪縮放；變焦縮放；數(shù)據(jù)統(tǒng)計；信號查找；多欄屏顯；數(shù)據(jù)字典；數(shù)字濾波；分析策略；數(shù)字表；曲線標注；故障分析；事件標注；專家系統(tǒng)；系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)支持各類電文，為數(shù)據(jù)平臺提供PLC通信協(xié)議服務，具有完善的通信協(xié)議軟件開發(fā)模板，能快速合作開發(fā)未知未來協(xié)議，限于篇幅文中的數(shù)據(jù)采集方案和分析功能僅作了簡略說明。

PDA高速數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)可以詳盡解析工業(yè)大數(shù)據(jù)來源，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、軍工及軍事等行業(yè)的控制領域，在新鋼、濟鋼及八一鋼鐵等數(shù)十家大型企業(yè)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.

data acquisition, data analysis, sensor, PDA, high speed

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

TH865

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1000-3932(2017)11-1061-05

2017-07-18，

2017-09-14)

2017華南工業(yè)自動化暨智能與物聯(lián)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(yè)自動化暨智能與物聯(lián)制造展覽會是覆蓋智慧生產(chǎn)、物聯(lián)網(wǎng)及工業(yè)自動化產(chǎn)業(yè)鏈的一個專業(yè)展會，針對潛力巨大的自動化及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)制造市場而誕生。這是一個令業(yè)界興奮的全新展會。針對潛力巨大的自動化及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)制造市場，匯聚業(yè)內人士，共同了解、采購和學習最新有關物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)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(yè)應用，繼而提升業(yè)務生產(chǎn)效率并降低成本。

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