专利名称：异步过程数据收集系统及数据收集方法
技术领域：
本发明涉及一种过程数据收集系统，特别是涉及一种异步过程数据收 集系统。本发明还涉及利用该系统实现过程数据收集的方法。
技术背景为了确保提供足够的、高速精确的过程数据，支持对生产作业过程的 状态监控、故障诊断，以及对生产作业过程质量的跟踪、分析和管理，过 程数据收集系统是一个生产作业过程信息控制系统的基本配置，应用非常广泛。以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势， 支持几乎所有流行的网络协议，一种基于以太网的过程数据收集系统正被 广泛的应用。但是以太网通讯的不确定性和通用计算机系统的非实时性， 使得这种过程数据收集系统的实时性和稳定性等综合性能受到限制，相关 的应对也是非常专业的、昂贵的。发明内容本发明要解决的技术问题是提供一种异步过程数据收集系统，它可以 在典型的、非专业的环境下，有效规避以太网通讯的不确定性和通用计算 机系统的非实时性，大幅提升过程数据收集系统的实时性和稳定性;为此， 本发明还要提供一种利用上述系统实现过程数据收集的方法。为解决上述技术问题，本发明异步过程数据收集系统，采用支持数据
包通讯，用于提供高速、大规模的过程数据通讯服务的网络；与该网络相 联接，用于提供主动实时的过程数据收集服务的主动实时的数据收集终 端；与该网络相联接，用于提供过程数据归档服务的被动闲置的通用计算 机系统；所述数据收集终端对过程数据队列进行压制，在过程数据队列压制完 成时，由其产生对所述网络和通用计算机系统的激励，通过网络发送数据；所述通用计算机系统接收数据，并对过程数据队列进行还原；所述异步过程数据收集系统的激励来自于过程，网络和通用计算机系 统是一个被动闲置的系统。本发明利用上述系统实现过程数据收集的方法，包括如下步骤首先，建立过程数据队列，所述过程数据队列是一个基于时间先后次 序的、有序的过程数据包，所述过程数据队列每一个过程数据点都拥有一 个过程数据队列；每一个过程数据队列都拥有一个唯一性的时间戳标志； 所述的时间戳标志将作为过程数据队列的一部分由数据收集终端向网络 和通用计算机系统提交；其次，由数据收集终端进行过程数据队列压制，构造一个基于时间先 后次序的、有序的过程数据队列；然后，进行队列发送， 一个过程数据队列被压制完成后，由数据收集 终端触发对网络和通用计算机系统的激励；最后进行过程数据队列还原，基于一个过程数据队列的时间戳标志， 由通用计算机系统对过程数据队列进行恢复，以还原真实的、实时的过程数据。
本发明异步过程数据收集系统以过程为主导，基于典型的应用环境可以获得最高lms的、稳定的过程数据收集性能。本发明异步过程数据收集系统通过充分调度系统的每一个成员，包括 PLC系统、以太网络和通用计算机系统，使其各展所长、各司其职，通力 协作，共同为过程数据收集系统提供服务。本发明异步过程数据收集系统充分利用PLC系统的能力和资源，利用 其实现主动实时的过程数据收集终端。本发明异步过程数据收集系统通过降低对以太网络的激励频率，有效 规避以太网络的不确定性，提高系统通讯的效率和可靠性。本发明异步过程数据收集系统采用被动闲置式的设计，使通用计算机 系统可以更有效的调度和平衡系统资源，最充分的发挥系统强大的平均表 现性能，应对可能的并发任务，规避系统的非实时性。
下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明图l是本发明异步过程数据收集系统原理图； 图2是本发明异步过程数据收集系统两种优选实施方式原理图； 图3是本发明过程数据收集的方法中过程数据队列示意图； 图4是本发明过程数据收集的方法中队列压制过程控制流程图；图5是本发明过程数据收集的方法的控制流程图。
具体实施方式
本发明异步过程数据收集系统是基于以太网强大的平均数据通讯能 力，以及通用计算机系统强大的平均表现性能，通过异步过程，强制分割
该系统对过程数据的激励-响应过程，以降低对以太网和通用计算机系统 的激励频率，规避以太网的不确定性和通用计算机系统的非实时性。如图1所示,本发明异步过程数据收集系统与现有的过程数据收集不 同，它以过程为主导。采用支持数据包通讯，用于提供高速、大规模的过 程数据通讯服务的网络；与该网络相联接，用于提供主动实时的过程数据 收集终端服务的主动实时的数据收集终端；与该网络相联接，用于提供强 大的过程数据归档服务的被动闲置的通用计算机系统。所述网络、数据收集终端、通用计算机系统相互依存、互为支持，及 其过程数据收集方法，共同构成一个完整的异步过程数据收集系统。本发明的异步过程数据收集系统可采用两种优选的实施方式分布 式、集中式(参见图2)。所述分布式是指，主动实时的过程数据收集终端服务被分布于多个数 据收集终端中。这些数据收集终端是为大系统功能而配置的。这种方式投资最小，同时，由于主动实时的过程数据收集终端服务被 多个数据收集终端所共同分担，所以最可靠、最稳定。但前提是所有的数 据收集终端都必须支持基于数据包的数据通讯。所述集中式是指，主动实时的过程数据收集终端服务由-个专用的数 据收集终端集中提供。该数据收集终端是专为本发明异步过程数据收集系 统而新增设的。这种方式高度集成，同时，由于新增设的专用的数据收集 终端配置了所有必需的资源，因此适应性最广泛。本发明异步过程数据收集系统中，所述的主动实时的过程数据收集终 端服务可以采用PLC系统，即由该PLC系统作为主动实时的数据收集终端；
另外采用TCP/IP Ethernet提供高速、大规模的、基于TCP/IP Socket 电文的过程数据通讯服务。如果原有的PLC系统支持基于TCP/IP Socket电文的通讯服务，并且 拥有足够富裕的资源，则可采用分布式实施方式；否则应采用集中式实施 方式，新增设一个PLC系统作为专用的数据收集终端，集中提供主动实时 的过程数据收集终端服务。PLC系统具有非常好的实时性。 一个工业级的PLC系统，包括其控制 网络系统，是一个非常高速、实时的系统。通常，实时的PLC嵌入式操作 系统都可以提供最高1毫秒级的时钟中断。这种时钟中断的精度是纳秒级 的。另外，通常的PLC系统还可以提供一组纳秒级精确的硬件中断，以支 持最高级别的激励响应。TCP/IP Ethernet具有强大的平均数据通讯能力。随着百兆/千兆以 太网在工业领域的全面应用，每秒100M/1000M位的网络平均流量，足以 满足最苛刻的过程数据通讯需求。通用计算机系统具有强大的平均表现性能。基于一个时间戳标记，一 个通用计算机系统的数据收集任务可以是一个显式异步的过程。换句话 讲，通用计算机系统并不强求对上一次激励的响应过程，必须在新的激励 发生之前结束。对于注重平均表现性能的通用计算机系统，尤其是拥有大 量并行任务的过程计算机系统，在平衡系统资源方面是非常有效的。本发明异步过程数据收集系统的激励来自于过程。网络和通用计算机 系统是一个被动闲置的系统，除非一个过程激励发生。网络和通用计算机系统采用被动闲置式的系统可以确保最有效的调
度和平衡系统资源，最充分的发挥网络和通用计算机系统强大的平均表现 性能。本发明实现过程数据收集的方法(结合图5)，包括如下步骤 首先，建立过程数据队列。所述过程数据队列是一个基于时间先后次序的、有序的过程数据包， 是本发明异步过程数据收集系统的核心数据结构，其基本的结构如图3所示。该过程数据队列每一个过程数据点都拥有一个过程数据队列;每一个 过程数据队列都拥有一个唯一性的时间戳标志。为了支持通用计算机系统在进行队列还原时采用预定显式异步的方 法，以确保一个显式异步的还原过程可以正确的还原实时的过程数据，所 述的时间戳标志将作为过程数据队列的一部分向网络和通用计算机系统 提交。过程数据队列的大小可以任意确定指定。过程数据队列的大小确定了 本发明异步过程数据收集系统的异步指标，同时也确定了过程对以太网和 通用计算机系统的激励时序。过程数据队列是网络通讯的最小数据单元。必须确保一个过程数据队 列经网络被完整的发送，换句话说，要么全部成功，要么全部失败。基于 TCP/IP Socket电文的通讯是首选的通讯方案。过程数据队列的引入，从根本i:改变了传统的过程数据收集系统对过程数据单纯的、 一一对应式的激励-响应方式，强制分割了系统对过程数 据的激励-响应过程。所述的异步过程数据收集系统需要为过程数据队列增加PLC内存资源。其容量的大小取决于异步过程数据收集系统的异 歩指标。囡此，异步过程数据收集系统的设计需要综合评估对PLC系统所 增加的内存资源。其次，进行队列压制。队列压制过程是实现异步过程数据收集的核心。主要是构造一个基于 时间先后次序的、有序的过程数据队列。所述队列压制过程的控制流程图如图4所示。其实现的过程是首先 使队列指针复位，追加队列，队列指针调整，然后判断构造是否完成，若 未完成则返回追加队列步骤，若完成则发送队列，最后再返回队列指针复 位步骤。所述队列压制过程由PLC系统完成，是一个强制异步过程。从根本上 将传统过程数据收集系统对过程数据单纯的一一对应式的激励-响应方 式，变更为对过程数据队列的激励-响应方式。实时的PLC系统将严格依据设计的过程，依次精确地将实时的过程数 据加入到队列。除非队列构造完成，过程数据将不会产生对网络和通用计 算机系统的激励。进行队列压制的过程需要配置 一个辅助的队列指针，用于确定一个过 程数据在队列中的位置。 然后，进行队列发送。所述队列发送过程是一个网络通讯过程。 一旦一个过程数据队列在 PLC系统中被压制完成， 一个对网络和通用计算机系统的激励将被由PLC
系统触发。所述队列发送过程包括首先由PLC系统发送数据；然后通过以太网 络进行数据通讯；最后由通用计算机系统接收数据。所述队列发送过程必须确保对过程数据队列通讯的完整性和同步性。基于TCP/IP Socket电文的通讯是首选的通讯方案。另外需要指出的是，压制、还原过程的引入，在有效改变对以太网和 通用计算机系统激励频率的同时，通过提高网络数据包有效数据体的大 小，有效的提升了网络数据通讯的效率。最后进行队列还原。基于一个过程数据队列的时间戳标志，由通用计算机系统对过程数据 队列进行恢复，以还原真实的、实时的过程数据。还原过程是一个简单的 合并过程。通常情况下，一个过程数据收集系统最终的任务是将来自于过程的过程数据执行一个对文件的1/0操作，以保存过程数据。对所收集的数据进行分析通常由另外的分析系统完成。所述队列还原过程将完成 一个文件I/O操作，简单的将过程数据队列按时间先后有序的写入文件。与传统的过程数据收集系统不同，本发明的队列还原过程，执行的是一个对过程数据队列的批量式文件1/0操作，类 似于一个对纪录的操作。这种批量式的文件1/0操作方式，在有效降低对 文件的1/0频率的同时，有效地提高了文件I/O的效率。不过，随着通用操作系统的发展，尤其是文件流技术的发展，本发明 与传统的过程数据收集系统在文件1/0性能方面的区别已经被淡化了。
通用计算机系统在实施数据收集，进行队列还原过程中可以采用自动 隐式异步方法，也可以采用预定显式异步方法。所逑自动隐式异歩方法，是由、注童平均表现性能的通用i+算机系统卖 施的，是一个非实时的系统，隐式异步是自动的。通用计算机系统的任务调度一般采用基于优先级的抢先式调度，优先 级较高的任务可以中断优先级较低的任务。对于优先级相同的进程则采用 时间片轮转调度方式。用户进程可以通过系统调用动态地调整自己的优先 级，以提高任务响应的实时性，但是操作系统出于某种需求仍旧可以根据 情况调整这些进程的优先级。对于存在大量并行任务的一个过程计算机系统，或者是一个集数据收集和分析于一体的PDA (过程数据分析)系统，这种隐式异步是很频繁的。 对于一个异步过程数据收集系统，自动隐式异步方法可以提高系统对 过程数据响应的实时性，但是对于通用计算机系统的整体性能是不利的。 这种异步不是必需的，也不是推荐的。所述预定显式异步方法，基于一个时间戳标记，通用计算机系统的数 据收集任务是一个显式异步的过程。换句话讲，系统并不强求对上一次激 励的响应过程，必须在新的激励发生之前结束。这种方法，对于注重平均 表现性能的通用计算机系统，尤其是拥有大量并行任务的过程计算机系 统，在有效平衡资源，提高系统整体性能方面是非常有效的。由于时间戳标志的存在，本发明异步过程数据收集系统将无须关心过 程数据的丢失，或者是顺序的错乱。时间戳标志将作为过程数据队列的一 部分向通用计算机系统提交。
很多通用操作系统，如Windows, Unix等，都能够提供很多实现显式 异步的技术。如异步线程，异步回调和异步委托等。由于异步的存在， 一个还原晌应的时序应该是一个离散、不规则的时 序曲线，参见图2所示(离散方波曲线)。
权利要求
1、一种异步过程数据收集系统，其特征在于，采用支持数据包通讯，用于提供高速、大规模的过程数据通讯服务的网络；与该网络相联接，用于提供主动实时的过程数据收集服务的主动实时的数据收集终端；与该网络相联接，用于提供过程数据归档服务的被动闲置的通用计算机系统；所述数据收集终端对过程数据队列进行压制，在过程数据队列压制完成时，由其产生对所述网络和通用计算机系统的激励，通过网络发送数据；所述通用计算机系统接收数据，并对过程数据队列进行还原；所述异步过程数据收集系统的激励来自于过程，网络和通用计算机系统是一个被动闲置的系统。
2、 如权利要求1所述的异步过程数据收集系统，其特征在于，所述 异步过程数据收集系统可采用分布式、集中式两种数据收集系统；所述分布式是指，主动实时的过程数据收集终端服务被分布于多个数 据收集终端中；所述集中式是指，主动实时的过程数据收集终端服务由一个专用的数 据收集终端集中提供。
3、 如权利要求1所述的异步过程数据收集系统，其特征在于，所述 网络为以太网。
4、 如权利要求1或2所述的异步过程数据收集系统，其特征在于， 所述数据收集终端采用PLC系统；采用TCP/IP Ethernet提供高速、大规模的、基于TCP/IP Socket电文的过程数据通讯服务。
5、 -一种如权利要求1至4中任何一项所述的异步过程数据收集系统 实现过程数据收集的方法，其特征在于，包括如下步骤首先，建立过程数据队列，所述过程数据队列是一个基于时间先后次 序的、有序的过程数据包，所述过程数据队列每一个过程数据点都拥有--个过程数据队列；每一个过程数据队列都拥有一个唯一性的时间戳标志; 所述的时间戳标志将作为过程数据队列的一部分由数据收集终端向网络 和通用计算机系统提交；其次，由数据收集终端进行过程数据队列压制，构造一个基于时间先 后次序的、有序的过程数据队列；然后，进行队列发送， 一个过程数据队列被压制完成后，由数据收集 终端触发对网络和通用计算机系统的激励；最后进行过程数据队列还原，基于一个过程数据队列的时间戳标志， 由通用计算机系统对过程数据队列进行恢复，以还原真实的、实时的过程 数据。
6、 如权利要求4所述的实现过程数据收集的方法，其特征在于，所 述过程数据队列的大小可以任意确定。
7、 如权利要求4所述的实现过程数据收集的方法，其特征在于，所 述过程数据队列是网络通讯的最小数据单元。
8、 如权利要求4所述的实现过程数据收集的方法，其特征在于，所 述队列压制实现的过程是首先使队列指针复位，追加队列，队列指针调 整，然后判断构造是否完成，若未完成则返回追加队列步骤，若完成则发 送队列，最后再返回队列指针复位步骤。
9、 如权利要求4或7所述的实现过程数据收集的方法，其特征在于， 所述队列压制过程由PLC系统完成，实时的PLC系统将严格依据设计的过 程，依次精确地将实时的过程数据加入到队列，在队列压制没有完成时， 过程数据不会产生对网络和通用计算机系统的激励。
10、 如权利要求4所述的实现过程数据收集的方法，其特征在于，所 述队列发送过程包括首先由PLC系统发送数据；然后通过以太网络进行 数据通讯；最后由通用计算机系统接收数据。
11、 如权利要求4所述的实现过程数据收集的方法，其特征在于，所 述队列还原过程，执行的是一个对过程数据队列的批量式文件1/0操作。
12、 如权利要求4或10所述的实现过程数据收集的方法，其特征在 于，所述通用计算机系统在实施数据收集，进行队列还原过程中采用预定 显式异步方法，系统并不强求对上一次激励的响应过程，必须在新的激励 发生之前结束。
全文摘要
本发明公开了一种异步过程数据收集系统及其实现过程数据收集的方法，采用支持数据包通讯，用于提供高速、大规模的过程数据通讯服务的网络；与该网络相联接，用于提供主动实时的过程数据收集服务的主动实时的数据收集终端；与该网络相联接，用于提供过程数据归档服务的被动闲置的通用计算机系统；所述异步过程数据收集系统的激励来自于过程，网络和通用计算机系统是一个被动闲置的系统。过程数据收集的方法，包括建立过程数据队列，由数据收集终端进行过程数据队列压制，进行队列发送，最后进行过程数据队列还原。本发明可以有效规避以太网通讯的不确定性和通用计算机系统的非实时性，大幅提升过程数据收集系统的实时性和稳定性。
文档编号H04L12/58GK101127651SQ200610030190
公开日2008年2月20日 申请日期2006年8月18日 优先权日2006年8月18日
发明者卫万勇, 姜振春, 章亚青, 褚桂林, 骆德欢 申请人:上海宝信软件股份有限公司