一种用于SIMATICTDC系统GDM网络的嵌入式数据采集系统及方法与流程

本发明属于计算机与自动控制技术领域，具体涉及一种用于simatictdc系统gdm网络的嵌入式数据采集系统及方法。

背景技术：

simatictdc(technologyanddrivecontrol)(以下简称“tdc”)是西门子公司自动化系列产品中的一种用于工艺和驱动控制的产品，是一种模块化的多处理器系统，是西门子公司继simadynd之后开发的产品，也是目前德国西门子公司推出的技术最先进、功能最强大的控制器产品。simatictdc由一个或多个机架构成。机架配备有cpu、i/o模块和通讯模块，根据需要在机架上可以插入各种所需模块。simatictdc特别用于大型设备中的过程控制、快速响应以及多驱动同步等方面，在单一平台上通过最大数量框架和最小循环时间解决了复杂的驱动、控制和技术任务。目前已在我国冷轧、热轧等领域得到广泛应用。

随着传统制造向智能制造的转变，车间的生产数据变得尤为重要，智能制造离不开车间生产数据的支撑。在制造过程中，车间内的各类装备不仅是生产工具和设备，更是车间信息网络的节点，通过生产数据的自动化采集、统计、分析和反馈，将结果用于改善制造过程，提高制造过程的柔性和加工过程的集成性，从而提升产品生产过程的质量和效率。数据采集是指从传感器或其他设备中自动采集模拟或数字信号，送到上位机中进行分析，处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。现有技术中，simatictdc系统的数据采集过程是通过全局数据内存网(gdm)实现的。

全局数据内存网(gdm)是西门子公司使用的一种高速通讯网络，应用于西门子的simatictdc控制器系统中，使得一系列带有cp52x0的机架可以相互通讯。例如，现有的simatictdc数据采集方案为：在pc机上插入一块pci总线的gdm通讯网板，使用光纤将该网板连接到cp52io参与网络通讯，该pci通讯板在功能上等同于tdc机架中的cp52a0，通过cp52io实现了对gdm内存板cp52m0的访问，cp52m0、cp52io位于同一gdm机架，cp52m0位于slot1，cp52io位于slot2～12。

在一个典型的控制系统中，要想获取gdm数据，必须将数据采集服务器接入gdm网络。因此，现有技术中，使用工控机或pc服务器作为数据采集服务器，则必须要有一块pci总线或cpci总线的gdm网络卡，才能将服务器接入gdm网，才能进行数据采集和机架通讯。但由于西门子公司不对外单独出售gdm网络卡，而又没有第二家设备厂商生产类似产品，所以构成了市场的唯一性，没有可替代的产品。因此即便国外厂商的解决方案价格高昂，国内有需求的工厂和控制系统集成商也不得不采取国外厂商的解决方案。

同时，由于西门子的gdm网络数据无法直接采集，必须在tdc控制器中编程组态，再经过以太网进行数据采集，不但使用不便，采集周期也较长(不低于20ms)，难以满足对设备和系统性能调优的要求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种用于simatictdc系统gdm网络的嵌入式数据采集系统及方法，用于解决现有技术中simatictdc系统的数据采集必须通过pci总线gdm网络卡的敝端，缩短数据采集的周期，满足对设备和系统性能调优的要求。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种用于simatictdc系统gdm网络的嵌入式数据采集系统，所述系统包括：原始数据采集自动控制软件fb_acq、存储模块mem_acq、单板计算机、外部存储器及数据采集软件tacq；其中，

所述原始数据采集自动控制软件fb_acq，运行在所述tdc系统的控制器上，用于自动按照设定的周期完成数据采集操作，将所采集的数据存储在存储模块mem_acq中；

所述存储模块mem_acq，是在gdm的特定区域划分出的具有固定大小的存储单元，用于按照预定格式和特定序列存储tdc控制器执行原始数据采集自动控制软件fb_acq后所采集到的数据；

所述单板计算机以嵌入的方式插入在所述tdc系统的机架中，通过tdc机架总线vme直接访问mem_acq，获得存储在mem_acq中的数据；

所述外部存储器与所述单板计算机相连，用于存储所述单板计算机发送的数据；

所述数据采集软件tacq包括运行在pc或移动终端上的客户端、历史数据分析模块及运行在所述单片计算机上的服务器端；所述pc或移动终端及单板计算机执行所述数据采集软件tacq时实现以下步骤：

步骤s101，在tacq客户端中进行数据采集信息的配置；

步骤s102，客户端把配置信息发送给tacq服务器端，在所述服务器端启动数据采集任务；

步骤s103，服务器端通过tdc机架总线vme访问存储模块mem_acq，根据配置信息寻找并读取出存储在所述存储模块mem_acq中与所述配置信息相对应的实时数据，并保存在外部存储器中，得到历史数据，完成采集任务；

步骤s104，当需要实时数据时，服务器端发送实时数据给客户端，在客户端中查看；

步骤s105，当需要历史数据时，历史数据分析工具直接从所述外部存储器中采集所需的历史数据，对历史数据进行处理和分析。

进一步地，所述自动控制软件fb_acq根据客户需求和tdc系统的状态设置多个，每个fb_acq能够同时完成32个模拟量、32个数字量的数据采集工作。

进一步地，所述fb_acq作为单独的任务运行，只需简单组态。

进一步地，所述fb_acq加入tdc控制器中已配置好的程序中运行。

进一步地，单板计算机中仅运行数据采集软件tacq。

进一步地，所述步骤s101的数据采集信息配置过程具体为：

在tacq客户端中配置需要采集的tdc控制器编号，每个采集节点与一个tdc控制器的编号相对应；客户端将模拟量和数字量通道信息，以及数据采集文件的存储路径等配置信息发送给tacq服务器端。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于simatictdc系统gdm网络的嵌入式数据采集方法，所述方法包括以下步骤：

步骤s201，在simatictdc机架中插入一块单板计算机作为数据采集服务器端；

步骤s202，在所述tdc系统的控制器上加载原始数据采集自动控制软件fb_acq；

步骤s203，在gdm的特定区域，划分固定大小的存储单元，作为存储模块mem_acq；

步骤s204，在tacq客户端中进行数据采集信息的配置；

步骤s205，客户端把配置信息发送给tacq服务器端，在所述服务器端启动数据采集任务；

步骤s206，服务器端通过tdc机架总线vme访问存储模块mem_acq，根据配置信息寻找并读取出存储在所述存储模块mem_acq中与所述配置信息相对应的实时数据，并保存在外部存储器中，得到历史数据；

步骤s207，当需要时实数据时，服务器端发送采集到的实时数据给客户端；

步骤s208，当需要历史数据时，历史数据分析工具直接从所述外部存储器中采集所需的历史数据，对历史数据进行处理和分析。

根据权利要求7所述的用于tdc系统gdm网络的嵌入式数据采集方法，其特征在于，所述自动控制软件fb_acq运行在所述tdc系统的控制器上，用于自动按照设定的周期完成数据采集操作，将所采集的数据存储在存储模块mem_acq中。

进一步地，所述自动控制软件fb_acq根据客户需求和tdc系统的状态设置多个，每个fb_acq能够同时完成32个模拟量、32个数字量的数据采集工作。

进一步地，所述步骤s204的数据采集信息配置过程具体为：

在tacq客户端中配置需要采集的tdc控制器编号，每个采集节点与一个tdc控制器的编号相对应；客户端将模拟量和数字量通道信息，以及数据采集文件的存储路径等配置信息发送给tacq服务器端。

本发明上述技术方案的有益效果如下：

1、配置和使用方便。tacq提供了简单易用的配置界面，调用采集功能块fb_acq使用通用的cfc语言，工程师上手无难度，不需要复杂的编程环节。配置数据采集通道和数据存储文件也很简单，一次配置，即可实现自动保存配置和错误故障恢复。后期的维护和数据迁移工作量大大降低。

2、解析数据方便。tacq是按照统一的格式读取和传递数据的，所以解析数据也按照统一的格式进行，不需要对单个控制器的数据分别进行解析。数据传输和解析效率高，系统资源占用率低。

3、数据传递过程透明。用户不需要关注数据的传递过程，只需要写入和读取数据就可以了。

4、可以同时进行数据库存储和实时分析。本发明不但可以将需要的数据存储成磁盘文件，供以后静态分析和离线分析使用，同时还可提供现场直接分析的实时数据。

5、采样精度高，采样周期短。各种与轧钢有关的大型设备基本上都是高速运转，如中板轧机、厚板轧机、热连轧机、冷轧机、彩涂机、卷取机等，有的是ms级，有的甚至达μs级，要对这些设备的运行过程进行数据采集、调试和分析不是一件易事。而这些过程数据对于这种大型数字化控制系统的调试、试车、生产维护、故障分析等尤为重要，对于提高产品质量指标、优化生产工艺等必不可少。

6、经济效益好。tacq的成功研发，不仅解决了我司自动化工程师在现场调试过程中缺乏得力调试工具的难题，同时也给国内有需求的工厂、控制系统集成商一个价廉物美的选择，成为国外某垄断公司的替代产品。

附图说明

为了更加清晰的阐述本发明的实施例和现有的技术方案，下面将本发明的技术方案说明附图做简单的介绍，显而易见的，在不付出创造性劳动的前提下，本领域普通技术人员可通过本附图获得其他的附图。

图1为本发明第一实施例的用于simatictdc系统gdm网络的嵌入式数据采集系统的采样周期为5ms时的大数据量运行过程截图；

图2为本发明第一实施例的用于simatictdc系统gdm网络的嵌入式数据采集方法的采集周期为1ms时的高速数据采集运动截图；

图3为本发明第二实施例的用于simatictdc系统gdm网络的嵌入式数据采集方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明实施例针对现有技术中simatictdc系统的数据采集必须通过pci总线gdm网络卡的敝端，数据采集周期长，不能满足对设备和系统性能调优的要求的问题，提出了一种用于simatictdc系统gdm网络的嵌入式数据采集系统和方法，所述数据采集系统针对simatictdc系统，打破通讯协议和硬件的束缚，通过嵌入的方式，将数据采集下沉到机架，无需使用gdm网络卡，而使用单板计算机作为数据采集器，再针对tdc控制器开发数据采集专用的程序模块。通过执行采采集专用的程序模块将获取到的数据按照一定格式和序列写入特定的存储区域，插入tdc机箱的单板计算机通过机箱底板总线访问存储区域实现数据采集的目的。

特别的，本发明所述的simatictdc系统，cpu采用64位risc处理器、266mhz时钟频率、32mbytesdram内存，最短循环扫描时间100μs，典型值为0.3ms；典型浮点运算时间0.9μs(乘法)。最快控制周期可小于1ms，适合于应用在分布式生产过程的快速系统中，硬件集成化程度高的工业级芯片，适用于各种温度环境和工业现场环境。

下面结合附图通过具体的实施例对本发明作进一步详细的说明。

第一实施例

本实施例提供了一种用于simatictdc系统gdm网络的嵌入式数据采集系统。

本实施例所述的simatictdc(以下简称“tdc”)系统，主要应用于800～1000mm中宽带热轧生产线，例如，应用于850热连轧精轧机组自动化控制系统中，对热连轧过程进行控制。

本实施例所述的用于tdc系统gdm网络的嵌入式数据采集系统，包括：原始数据采集自动控制软件fb_acq、存储模块mem_acq、单板计算机、外部存储器及数据采集软件tacq；其中，

所述原始数据采集自动控制软件fb_acq，运行在所述tdc系统的控制器上，用于自动按照设定的周期完成数据采集操作，将所采集的数据存储在存储模块mem_acq中。

优选地，所述自动控制软件fb_acq根据客户需求和tdc系统的状态设置多个，每个fb_acq能够同时完成32个模拟量、32个数字量的数据采集工作。最优的，fb_acq作为单独的任务运行，只需简单组态，无需做额外工作，将其作为单独的任务运行。最优的，将fb_acq加入tdc控制器中已配置好的程序中运行。

所述存储模块mem_acq，是在gdm的特定区域划分出的具有固定大小的存储单元，用于按照预定格式和特定序列存储tdc控制器执行原始数据采集自动控制软件fb_acq后所采集到的数据。

所述单板计算机以嵌入的方式插入在所述tdc机架中，所述单板计算机通过tdc机架总线vme(versamoduleeurocard)直接访问mem_acq，从而获得存储在mem_acq中的数据。所述单板计算机上运行有操作系统；优选的，所述操作系统为windows或vxworks。

优选的，由于当前的单板计算机性能已经可以很好的运行windows操作系统，不会出现性能不足的问题，在单板计算机中仅运行数据采集软件tacq，不再运行其他任务，以保证系统不受其他任务干扰。

所述外部存储器与所述单板计算机相连，用于存储所述单板计算机发送的数据。

所述数据采集程序tacq包括运行在pc或移动终端上的客户端、历史数据分析模块及运行在所述单片计算机上的服务器端；所述单板计算机执行所述数据采集程序tacq时实现以下步骤：

步骤s101，在tacq客户端中进行数据采集信息的配置。优选的，所述数据采集信息的配置具体为，配置需要采集的tdc控制器编号，每个采集节点与一个tdc控制器的编号相对应；客户端将模拟量和数字量通道信息，以及数据采集文件的存储路径等配置信息发送给tacq服务器端。

步骤s102，客户端把配置信息发送给tacq服务器端，在tacq服务器端启动数据采集任务；

步骤s103，服务器端通过机架总线vme访问存储模块mem_acq，根据配置信息寻找并读取出存储在所述存储模块mem_acq中的与所述配置信息相对应实时数据，，并保存在外部存储器中，得到历史数据；

步骤s104，当需要实时数据时，服务器端发送实时数据给客户端，在客户端中查看。

步骤s105，当需要历史数据时，历史数据分析工具直接从所述外部存储器中采集所需的历史数据，对历史数据进行处理和分析。

由以上步骤可以看出，本实施例的用于simatictdc系统gdm网络的嵌入式数据采集系统，实现了tdc系统gdm网络中数据的高速采集，经过实际工况测试验证：数据采集的时间精度得到了很好的保证，无异于工控机或pc服务器平台，每10000个采样值的累计时间误差不超过1ms；最快采样周期可达到1ms，最多同时采集50个tdc控制器数据，最大同时采集2048个通道(1024模拟量、1024数字量)。

本实施例的用于simatictdc的数据采集系统，与西门子simatictdc控制器和850热连轧精轧机组自动化控制系统相结合，应用于某850mm热连轧生产线改造项目，该条生产线原有系统存在系统运行不稳定、产品控制精度差等问题。图1为本发明第一实施例所述用于simatictdc系统gdm网络的嵌入式数据采集系统的采样周期为5ms时的所采集的大数据量运行过程截图，图2为本发明第一实施例的用于simatictdc系统gdm网络的嵌入式数据采集系统的采样周期为1ms时的高速数据读取运动截图。由图1及图2可以看出，在应用过程中，每台tdc控制器配置多块cpu，分别完成各个机架的压下及各活套的伺服液压回路控制。其中伺服液压回路相关功能作为保证系统控制精度的高速任务，循环扫描时间缩短为2ms，充分满足了热轧控制中高速响应的控制需求。同时，很好的实现了精轧机组自动零调功能、机架自动刚度测试功能、控制系统的响应性及控制精度得到大幅提升，产品厚度精度提升明显，由原来的±100μm达到±30μm。另外，原先由于液压控制系统执行周期太慢而导致的轧机两侧压下位置不同步所引起的产品边鼓现象也完全消除，多cpu、多处理器、多周期的复杂控制功能得到完美实现，效果显著。

本实施例的基于simatictdc的数据采集系统，实现了对gdm网络数据的直接、无转换的采集。数据采集速率大幅提高，从20ms降低到1ms。通过并行技术，可以支持50个tdc控制器数据的同时采集，并且能自动检测gdm网络状态，实时更新控制器站点状态。所述程序采用了复杂的多线程并行处理技术，可以极大的提高计算速度，提升软件性能；同时使用了高效、可伸缩通讯协议，保证了通讯稳定性，大大提高了容错能力。通过采取内存保护技术，避免缓冲数据所在的内存页面被系统频繁的换入和换出，降低内存占用率的同时，提升了程序执行效率。tacq可以将整个生产线上的各种信号进行全程在线实时采集，包括工艺参数、主要设备运行参数、产品物理参数等，帮助用户监控、查找和分析生产工艺过程的特征数据和状态信息，能够明显减轻操作人员的劳动强度，并提高生产管理手段，推动了质量管理和绩效深层次发展，也满足了节能降耗发展需求。tacq还可实现对车间内各类装备的运行状态进行全天候实时监测和分析，为维护人员提供故障判断及处理手段和依据，帮助其迅速、准确地发现并处理故障，从而降低故障停轧时间，确保生产顺行。

第二实施例

本实施例提供了一种用于simatictdc系统gdm网络的嵌入式数据采集方法，图3所示为本实施例的所述用于tdc系统gdm网络的嵌入式数据采集方法的流程示意图。如图3所示，所述方法包括以下步骤：

步骤s201，在simatictdc机架中插入一块单板计算机作为数据采集服务器端。

所述单板计算机中运行有操作系统。优选的，所述操作系统为windows或vxworks。当前的单板计算机性能已经可以很好的运行windows操作系统，不会出现性能不足的问题。在单板计算机系统中仅运行数据采集软件，不再运行其他任务，以保证系统不受其他任务干扰。。

步骤s202，在所述tdc系统的控制器上加载原始数据采集自动控制软件fb_acq。

原始数据采集自动控制软件fb_acq自动按照设定的周期完成数据采集操作，将所采集的数据存储在存储模块mem_acq中。

所述自动控制软件fb_acq根据客户需求和tdc系统的状态设置多个，每个fb_acq能够同时完成32个模拟量、32个数字量的数据采集工作。最优的，fb_acq作为单独的任务运行，只需简单组态，无需做额外工作，将其作为单独的任务运行。最优的，将fb_acq加入tdc控制器中已配置好的程序中运行。

步骤s203，在gdm的特定区域，划分固定大小的存储单元，作为存储模块mem_acq。

tdc控制器通过执行fb_acq，将采集到的数据按照一定格式、特定序列写入mem_acq。插入tdc机架的单板计算机通过机架总线vme(versamoduleeurocard)直接访问mem_acq，从而获得采集数据。

步骤s204，在tacq客户端中进行数据采集信息的配置。优选的，所述数据采集信息的配置具体为，配置需要采集的tdc控制器编号，每个采集节点与一个tdc控制器的编号相对应；客户端将模拟量和数字量通道信息，以及数据采集文件的存储路径等配置信息发送给tacq服务器端。

步骤s205，客户端把配置信息发送给tacq服务器端，在tacq服务器端启动数据采集任务。

步骤s206，服务器端通过机架总线vme访问存储模块mem_acq，根据配置信息寻找并读取出存储在所述存储模块mem_acq中的与所述配置信息相对应实时数据，并保存在外部存储器中，得到历史数据。

步骤s207，当需要时实数据时，服务器端发送采集到的实时数据给客户端。

步骤s208，当需要历史数据时，历史数据分析工具直接从所述外部存储器中采集所需的历史数据，对历史数据进行处理和分析。

本实施例的所述用于simatictdc系统gdm网络的嵌入式数据采集方法，实现了tdc系统gdm数据的高速采集，经过实际工况测试验证：数据采集的时间精度得到了很好的保证，无异于工控机或pc服务器平台，每10000个采样值的累计时间误差不超过1ms；最快采样周期可达到1ms，最多同时采集50个tdc控制器数据，最大同时采集2048个通道(1024模拟量、1024数字量)。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。