一种工业生产过程中数据采集回放系统和方法

一种工业生产过程中数据采集回放系统和方法
【专利摘要】一种工业生产过程中数据采集回放系统和方法，涉及数据采集与处理回放【技术领域】。针对工艺人员通常情况下不能对生产过程中的数据进行回放的问题。回放系统包括参数配置模块、实时数据库数据采集压缩存储模块、回放控制模块以及事件捕捉模块。回放方法对需要进行采集和回放的数据点进行配置、对数据进行分级采集存储和压缩、对历史数据进行回放。该回放系统和方法在不增加硬件设备的前提下，实现了快速数据的采集、分层处理保存处理和生产过程的回放，对分析生产过程中的问题以及参数的优化都起到了重要的作用。
【专利说明】-种工业生产过程中数据采集回放系统和方法

【技术领域】
[0001] 本发明设及数据采集与处理回放【技术领域】，是一种实现让过程控制系统在脱离现 场设备条件下实现生产过程回放的方法。

【背景技术】
[0002] 在现代化流程工厂中，每个生产环节都存在二级过程控制系统。但是，在W往的生 产过程中，二级过程控制系统一般仅仅用于在线的生产过程进行计算，将结果下发到一级 设备，实现生产过程的自动化控制。二级过程控制系统进行模型的计算和数据的下发，一级 PLC接收到控制系统的数据后进行执行并将执行结果返回给二级过程控制系统。而对过程 数据保存的传统方法是将数据保存成一定的文件后通过曲线的形式进行显示，用于生产过 程的分析，分析的过程是根据历史数据形成的趋势曲线，逐点进行现场生产过程问题的分 析，不能实现将历史数据推送给相应的过程控制系统进行离线的生产过程的模拟、分析和 优化的过程。在对某钢厂的连铸过程控制系统进行研发的过程中，研发人员发现不仅调试 需要现场的实际生产过程数据，一些工艺人员也需要利用该些离线数据进行生产过程和参 数的优化。再结合连铸过程控制系统研发、现场调试W及后续模型优化的过程中，发现实现 一种将二级过程控制系统结合现场数据形成具有回放功能的方法和系统是个亟待解决的 问题。


【发明内容】

[0003] 本发明的目的是解决在脱离现场设备和环境的情况下，将保存好的历史数据实现 动态回放并推送给二级过程控制系统，实现了将保存的历史数据单帖（单帖即一个采集周 期的数据）播放，包括前进和后退的单帖回放，实现了采用离线对二级过程控制系统进行 驱动运行，实现了离线模型和参数优化和调试的问题，解决了工艺人员通常情况下通过专 口开发仿真系统进行模型W及参数优化等问题。
[0004] 一种工业生产过程中数据采集回放系统和方法，包括参数配置模块、实时数据库 数据采集压缩存储模块、回放控制模块W及事件捕捉模块。参数配置模块、实时数据库 (RTDB)数据采集压缩存储模块和回放控制模块依次相连接；实时数据库数据采集压缩存 储模块包括快速数据采集模块、数据压缩模块和数据存储模块，快速数据采集模块、数据压 缩模块和数据存储模块依次相连接；事件捕捉模块与快速数据采集模块相连接，回放控制 模块与数据存储模块相连接。快速数据采集模块对一级PLC设备的数据进行数据采集，在 一级PLC-侧开辟缓冲区，实现对10ms W内采集的数据的缓冲存储。数据压缩模块实现对 采集的常规数据进行数据压缩处理；常规数据一般是指采集周期在200ms和Is之间采集周 期的数据，数据压缩存储模块包括PLC存储器、内存区存储器和硬盘存储器，数据压缩存储 模块对采集到的数据进行压缩存储，也就说上面提到的S级存储。一般来说，10ms W内的快 速数据，采用PLC开辟缓冲区存储的方式，对于半小时数据，采用内存存储的方式，不进行 任何处理，直接保存。而对于超过半小时的历史数据，则采用硬盘存储的模式，对于保存到 硬盘的数据，进行压缩后保存。
[0005] 回放控制模块实现系统的暂停、采集模式、回放速率的控制，对生产过程进行回放 控制；事件捕捉模块对假信号进行过滤，确保真实的反应现场的实际生产过程。事件捕捉模 块根据调试人员在现场调试过程中采集到的各种现场问题，存储了多种对信号进行过滤的 方法。回放控制模块主要实现对生产过程的回放控制。回放控制模块主要用于实现对系统 工作模式的控制，用于实现系统的暂停、采集模式、回放速率的控制，根据系统的不同的运 行模式，在在线采集、回放、暂停回放W及停止之间进行切换回放控制模块将历史数据推送 给运行在回放模式下的实时数据库，实时数据库将数据推送给对应的模型控制系统，二级 模型控制系统可W根据数据实现对生产过程的再次回放，回放过程不仅能实现对数据的再 次回放，也可W实现将生产过程再次回放。进一步的，回放控制模块还实现了根据数据的采 集周期进行回放，回放过程中，当选择了单帖回放W后，数据就会每次只播放一个采集周期 的数据，点击按钮才会播放下一个采集周期或者上一个采集周期的数据，该回放模式对关 键点数据采集和问题的分析起到了关键作用。
[0006] 事件捕捉模块，在流程工厂中，除了一些设定的过程数据，现场一些设备的检测信 号对触发一些计算过程保证生产的正常运行起到不可或缺的作用。该些信号通常是一个上 升沿或者下降沿作为出现的标志，但是在现场实际的生产中，因为设备或者检测装备的问 题，有些信号实际上是假信号，事件捕捉模块就是可W根据相应的配置，实现对假信号的过 滤，从而确保真实的反应现场的实际生产过程。事件捕捉模块里面存储了多种对信号进行 过滤的方法，该些方法都是来源于在现场对实际问题分析的积累。在时间捕捉模块内，对标 签进行了定义，分为一级标签和二级标签。一级标签即是指从一级直接采集的信号，作为事 件触发的源。二级标签则是将一级一个或者多个信号经过一定的运算处理，运算后的结果 作为一个时间触发源，此类标签为二级标签。不管是一级标签还是二级标签，在经过事件捕 捉模块定义后，可W实现假信号的过滤，增加过程控制的准确性。
[0007] 一种工业生产过程中数据收集回放方法，该方法包括W下步骤：
[000引步骤一、对需要进行采集和回放的数据点进行配置，包括采集周期、是否进行采集 W及是否进行回放等的配置。
[0009] 根据每个参数在一级的地址，对参数进行采集配置，该配置不仅可W在采集数据 之前进行，而且在回放的时候可W再次选择回放的参数，从而实现了对数据采集、回放W及 推送的分级控制。
[0010] 步骤二、对数据进行分级采集存储和压缩。根据采集周期的不同，用不同的方法对 数据进行收集；通过在一级PLC-侧开辟缓冲区，实现对10ms W内采集的数据的缓冲存储。 分级存储包括PLC存储器、内存区存储器、硬盘存储器，即PLC缓冲区存储、计算机内存存储 最后到计算机硬盘存储。生产现场数据根据不同的生产过程和工艺段的区别，有些少量数 据的产生周期可W达到8 - 10ms，在轴钢系统中也会有一些采集周期200ms数据，但是数据 点相对会比较多，采集周期最常见的是500ms和Is的常规数据。对于需要进行8ms的快速 数据，采用快速数据采集方法，采用先在PLC进行存储的方式，对于其余的数据，我们采取 在计算机开辟特定的内存区域进行数据缓存，最后将数据进行数据压缩方法批量的写入硬 盘进行保存的方式。数据的压缩存储也采用变点存储的方式，只有当数据的变化范围达到 一定程度的时候才进行保存，否则认为数据未发生变化。在对数据精度可控范围内最大限 度的节约存储空间。
[0011] 进一步的，快速数据的采集方法如下：
[0012] 步骤1、对PLC数据缓冲池内的数据进行基本数据类型的压缩
[0013] 对于B(X)L型数据，按照一个字节进行存储，对于float型和long型数据，在精度 允许范围内，转换成shod类型进行存储，将存储空间从4字节有效的降低为2字节，经过 该样的处理，在开辟的固定大小的存储区中能够尽可能多的存储数据采集点，W满足有些 数据采集点稍多的情况；
[0014] 步骤2、利用PLC控制程序的功能块，首先开辟两块固定大小的数据缓冲区，两个 网络通路，用于保存PLC -侧10ms快速变化数据；
[0015] 为了实现W上方法，首先对数据块格式和顺序进行定义，S7 - 400发送给快速数据 采集系统的数据块是按照一定（数据的类型和采集的先后顺序的）的格式和顺序进行定义 的存储区，其原理是利用PLC将每个循环周期所采集的过程值W-定（数据缓冲池内数据 结构的）的顺序存放在存储区内，数据包中包含了采样值的信息开始标志、信息结束标志， 不会因为数据管理系统收到数据包的时刻不同而产生采样值的时间标记误差。经过类型压 缩后的数据块如表1所示：
[0016]

【权利要求】
1. 一种工业生产过程中数据采集回放系统，其特征在于：回放系统包括参数配置模 块、实时数据库数据采集压缩存储模块、回放控制模块以及事件捕捉模块。参数配置模块、 实时数据库数据采集压缩存储模块和回放控制模块依次相连接；实时数据库数据采集压缩 存储模块包括快速数据采集模块、数据压缩模块和数据存储模块，快速数据采集模块、数据 压缩模块和数据存储模块依次相连接；事件捕捉模块与快速数据采集模块相连接，回放控 制模块与数据存储模块相连接； 快速数据采集模块对一级PLC设备的数据进行数据采集，在一级PLC -侧开辟缓冲区， 对10ms以内采集的数据的缓冲存储器；数据压缩模块对采集的常规数据进行数据压缩处 理；数据压缩存储模块包括内存区存储器和硬盘存储器，数据压缩存储模块对采集到的数 据进行压缩存储；回放控制模块对系统进行暂停、采集模式、回放速率的控制，对生产过程 进行回放控制；回放控制模块在在线采集、回放、暂停回放以及停止之间进行切换回放控制 模块，将历史数据推送给运行在回放模式下的实时数据库，实时数据库将数据推送给对应 的模型控制系统，二级模型控制系统可以根据数据实现对生产过程的再次回放，回放过程 实现对数据的再次回放，也实现将生产过程再次回放；事件捕捉模块对假信号进行过滤，确 保真实的反应现场的实际生产过程；事件捕捉模块根据调试人员在现场调试过程中采集到 的现场问题，存储了多种对信号进行过滤的方法。
2. 如权利要求1所述的工业生产过程中数据采集回放系统，其特征在于：所述的常规 数据指采集周期在200ms和Is之间采集周期的数据。
3. -种工业生产过程中数据采集回放方法，其特征在于： 步骤一、对需要进行采集和回放的数据点进行配置，包括采集周期、是否进行采集以及 是否进行回放配置； 根据每个参数在一级的地址，对参数进行采集配置，该配置不仅可以在采集数据之前 进行，而且在回放的时候可以再次选择回放的参数，实现对数据采集、回放以及推送的分级 控制； 步骤二、对数据进行分级采集存储和压缩，根据采集周期的不同，用不同的方法对数据 进行收集；通过在一级PLC-侧开辟缓冲区，实现对10ms以内采集的数据的缓冲存储；分 级存储包括PLC存储器、内存区存储器、硬盘存储器；对于需要进行快速存储的数据，采用 快速数据采集方式，在PLC进行存储；对于其余的数据，采取在内存区存储器进行数据缓 存，最后将数据进行数据压缩方法批量的写入硬盘存储器；数据的压缩存储采用变点存储 的方式，只有当数据的变化范围达到一定程度的时候才进行保存，否则认为数据未发生变 化；在对数据精度可控范围内最大限度的节约存储空间； 步骤三、对历史数据进行回放，选定要回放的控制过程，由实时数据库将该控制过程中 的历史数据推送到回放模块中，对控制过程中的历史数据按时间进行数据回放；或者对指 定的数据进行回放。
4. 如权利要求3所述的工业生产过程中数据采集回放方法，其特征在于：所述的回放 分为正常速度、加速回放和单帧回放；将历史数据推送到回放模块中，进行加速推送；加速 回放由设定的加速率来对原始时间进行加速显示数据。
5. 如权利要求3所述的工业生产过程中数据采集回放方法，其特征在于：所述的快速 数据采集方式步骤如下： 步骤1、对PLC数据缓冲池内的数据进行基本数据类型的压缩，对于BOOL型数据，按照 一个字节进行存储，对于float型和long型数据，在精度允许范围内，转换成short类型进 行存储，将存储空间从4字节有效的降低为2字节； 步骤2、利用PLC控制功能块，首先开辟两块固定大小的数据缓冲区，两个网络通路，用 于保存PLC -侧10ms快速变化数据； 其次是建立数据块，用于存储这些快速数据；依据采样周期，放在循环中断组织块里调 用；填写每个变量的头文件信息，该信息在第一个采样周期内写入； 依次将数值写入第一组信息的数据块，写入第1个变量的第1个数值以后，将指针跳转 到下一个变量的第1个数值的地址，写完最后一个变量第1个数值后，循环写入第1个变量 第2个数值，依次类推当程序写完第20组变量后，开始写入第二组信息，两组信息交替被写 入，完成两组信息数据块的数据采集、存储，完成数据块的建立； 步骤3、然后采用系统功能块对缓冲区内的数据发送到接收端；当写完第一组信息采 样值后，就完成了整个数据块的数据采集、存储，将数据块发送给快速数据接收端；第一组 数据块完成数据采集后，立刻对第二组数据块进行信息采样，写完后将数据发送给快速数 据接收端；两组信息交替发送解决了数据采集过程中经常发生的丢帧问题； 步骤4、开发专用服务，通过以太网接收PLC周期发送的数据包。 针对发送方采用双通道发送数据块的模式，对于每一个PLC控制设备，在PLC控制设备 侧启动两个监听线程，在指定的两个端口上进行监听；对PLC控制设备发送过来的快速数 据和普通数据进行接收；对网络情况进行判断，当网络出现异常的时候，停止和PLC控制设 备的当前连接，等待PLC控制设备再次提出连接请求。
6.如权利要求3所述的工业生产过程中数据采集回放方法，其特征在于：所述的数据 压缩方法步骤如下： 步骤1、根据过程数据的数据类型和取值范围对数据进行类型的基本压缩，包括数据类 型压缩、阈值自适应的变点存储和数据时间戳；数据类型压缩，对于B00L型数据，按照一个 字节进行存储，对于float型和long型数据，转换成short类型进行存储，将存储空间从4 字节降低为2字节； 步骤2、采用阈值自适应的变点存储方法，根据数据最大值和最小值的范围设定阈值， 每个采样周期，系统对采集到的数据与前一个采样周期的数据进行对比，如果两个数的差 小于阈值，则认为该数未发生变化，在该采样周期不对该数进行采集；只有当前采样周期的 数值与上一个采样数据的大小差超过阈值的时候才对该数进行存储；结合过程数据采集的 过程中的范围，对阈值说的大小进行不断的修正和自学习，以达到阈值的最佳取值； 阈值自学习方法在于，对每个压缩周期内的数据的最大值和最小值进行记录后，最大 值和最小值的差的一定比例作为下一个压缩周期内数据采集的阈值； 步骤3、采用段页式时间存储法，选择一个时间基准点，称为段时间T0,该时间称为标 准时间戳；从段时间T0开始，对于该周期的时间戳，选取他与段时间的间隔，称为页时间， 是时间偏移量；段时间在存储的时候占有8字节，页时间为short类型，占2字节。
【文档编号】G05B19/418GK104503407SQ201410805230
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月20日 优先权日:2014年12月20日
【发明者】周月杰, 李彦斌, 刘维兆, 石浩森, 彭会军, 杨伟强, 高雷, 蒋学军 申请人:北京首钢自动化信息技术有限公司