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

為實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種物理量的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，開(kāi)發(fā)了PDA高速數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，設(shè)計(jì)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(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測(cè)是提高生產(chǎn)廠設(shè)備運(yùn)行維護(hù)效率的有效方法，設(shè)備制造廠重要裝備出廠前要做設(shè)備性能測(cè)試和動(dòng)態(tài)過(guò)程分析，常需要對(duì)相關(guān)參數(shù)做毫秒甚至微秒級(jí)的數(shù)據(jù)采集，一般用筆錄儀進(jìn)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(jì)。流程控制中，針對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量判別和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)也需要大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，常用的數(shù)據(jù)庫(kù)只能提供秒級(jí)數(shù)據(jù)分辨率，不夠精細(xì)。大數(shù)據(jù)質(zhì)量分析是經(jīng)典分析方法的重要補(bǔ)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(shí)產(chǎn)權(quán)、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(guó)外廠商提供，通信協(xié)議幾乎全由外商把持，數(shù)據(jù)不開(kāi)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(chǎng)最原始的數(shù)據(jù)測(cè)量工具，是進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的物理基礎(chǔ)。筆者設(shè)計(jì)了PDA高速數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，可采集總線、網(wǎng)絡(luò)、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(shè)計(jì)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(zhuǎn)換，數(shù)字量采用光電隔離，模塊將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過(guò)10/100M以太網(wǎng)高速發(fā)往PDA服務(wù)器，支持的信號(hào)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(hào)，+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(hào)，SSI串行同步接口信號(hào)，通道可按信號(hào)類型分組，模塊可級(jí)聯(lián)擴(kuò)展至數(shù)百點(diǎn)。

模塊IP地址、端口號(hào)等通過(guò)pdaTools設(shè)置，圖1為多個(gè)接口模塊通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)絡(luò)圖。

圖1 接口模塊數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)

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(guò)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(wù)器配置文件中設(shè)置串口號(hào)、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(hào)直接發(fā)送到PDA服務(wù)器或由PDA服務(wù)器讀取。

1.4PDA網(wǎng)關(guān)采集

PDA網(wǎng)關(guān)實(shí)際為一臺(tái)高性能PLC，可以擴(kuò)展各種總線主從模塊、各類IO模塊，它與PDA服務(wù)器通過(guò)實(shí)時(shí)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(jì)數(shù)器、AI/DI模塊及SSI等。圖2為一臺(tái)PDA網(wǎng)關(guān)連接數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 PDA網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(luò)采集各種數(shù)據(jù)。

S7-400以太網(wǎng)高速定周期2ms方案。當(dāng)采集點(diǎn)數(shù)不很多，但要求采集周期很快時(shí)采用本方案，采集周期可達(dá)2ms，數(shù)據(jù)源類型為0，CPU自帶或獨(dú)立以太網(wǎng)板的網(wǎng)口均可。PLC上增加一塊Profinet網(wǎng)卡專門(mén)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(mén)子升級(jí)以后的網(wǎng)卡，性能比6GK7 443-1EX11-0XE0高得多。

Profinet。標(biāo)準(zhǔn)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(gè)從站最多可采集1 408Byte，可增加多個(gè)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(gè)PN口的不同從站在PDA服務(wù)器中需要不同的網(wǎng)卡與之對(duì)應(yīng)，PDA服務(wù)器支持多網(wǎng)卡。S7 CPU所帶PN口輸出1 408Byte占用CPU時(shí)間在1ms以內(nèi)，通過(guò)單獨(dú)的Profinet網(wǎng)卡輸出1 408Byte，原因是要經(jīng)過(guò)背板總線約需7ms時(shí)間。Profinet設(shè)備名必須是18個(gè)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(guò)交換機(jī)，一臺(tái)PDA服務(wù)器可采集多臺(tái)PLC數(shù)據(jù)，服務(wù)器中無(wú)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(guò)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(xiě)任何程序，數(shù)據(jù)源類型為21。可采集的數(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(xiàng)目中已經(jīng)定義好的符號(hào)表通過(guò)Excel拷入到Config.csv并做適當(dāng)調(diào)整，DB塊可生成源文件導(dǎo)出后讀入到配置文件中。

S7-400 iso變量存取。S7-400可以不設(shè)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

標(biāo)準(zhǔn)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(wù)器。這種方式效率較高，支持UDP、TCP方式，UDP可到毫秒級(jí)或以下。

Profibus-DP。PDA的DP網(wǎng)橋PDA DPM-2B244-0AB0有兩個(gè)獨(dú)立的DP接口，可連接到兩個(gè)DP網(wǎng)段，從每個(gè)網(wǎng)段采集2 44Byte并通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送到PDA服務(wù)器，pda244.gsd是它的配置文件，當(dāng)采集點(diǎn)數(shù)較多時(shí)可用多塊DP網(wǎng)橋串聯(lián)起來(lái)，采樣周期可達(dá)0.5ms。對(duì)于S7-400/S7-300采集程序應(yīng)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(guò)DP進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)絡(luò)圖，每塊網(wǎng)橋的IP地址和DP站號(hào)通過(guò)pdaTools.exe設(shè)置。

圖3 DP網(wǎng)橋數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

內(nèi)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(duì)于以VxWorks為內(nèi)核的實(shí)時(shí)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(shí)采集數(shù)十臺(tái)PLC的數(shù)據(jù)，總采樣點(diǎn)數(shù)不少于10 000點(diǎn)，采樣周期不大于2ms。

CoDeSys。對(duì)于以CoDeSys、LogiCAD、TCS及ISaGRAF等為編程平臺(tái)的PLC系統(tǒng)，開(kāi)放性很強(qiáng)，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(dá)2ms。PDA服務(wù)器可接收多臺(tái)PLC的多個(gè)生產(chǎn)者的數(shù)據(jù)，一臺(tái)PLC中也可以有多個(gè)生產(chǎn)者，按Exchange ID識(shí)別，一臺(tái)PDA服務(wù)器還可以設(shè)置多個(gè)IP地址。

Modbus。設(shè)置好串口號(hào)、通信速率和變量寄存器地址，PDA服務(wù)器即可按寄存器地址或首址成塊采集內(nèi)存數(shù)據(jù)。

Modbus TCP。設(shè)置好IP地址、變量寄存器地址，PDA服務(wù)器即可按寄存器地址或首址成塊采集內(nèi)存數(shù)據(jù)。

EtherNet/IP。以RSLogix為例，一個(gè)連接最多采集496Byte，即可采集124個(gè)實(shí)數(shù)或248個(gè)整數(shù)或其他數(shù)據(jù)類型，采樣周期可到2ms。采集點(diǎn)數(shù)較多時(shí)可建立多個(gè)連接，PDA Server支持多個(gè)IP地址與之對(duì)應(yīng)。如果選用Web+以太網(wǎng)模板，還可用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)方式采集數(shù)據(jù)，但編程復(fù)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(nèi)核的CPU，有效采樣周期可達(dá)0.25ms，比WinXp或Win7內(nèi)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(wàn)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

Beckhoff Realtime Ethernet?？蓪?shí)現(xiàn)0.25ms有效采樣周期的數(shù)據(jù)采集，定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體保存將要采集的數(shù)據(jù)，將該結(jié)構(gòu)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?shí)現(xiàn)0.1ms有效采樣周期的數(shù)據(jù)采集，需要FC1100或FC1121支持。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)文件。各連接的文件名為其識(shí)別號(hào)，數(shù)據(jù)刷新率為秒級(jí)，可用于廣域網(wǎng)。

OPC。支持OPCAutomation、OPC Com方式，一臺(tái)PLC采集點(diǎn)數(shù)太多時(shí)，可把點(diǎn)分成多個(gè)連接，每個(gè)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(nèi)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(nèi)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(biāo)

PDA系統(tǒng)運(yùn)行在Windows平臺(tái)，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(shè)備性能相關(guān)，提供計(jì)算時(shí)鐘；實(shí)時(shí)時(shí)鐘(廣域同步)。

數(shù)據(jù)壓縮方式有實(shí)時(shí)壓縮(注重實(shí)時(shí)性和效率)、高效壓縮(高的壓縮比，注重壓縮率)、不壓縮(注重開(kāi)放性)3種。

根據(jù)控制系統(tǒng)配置特點(diǎn)可靈活選用多種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集：工業(yè)以太網(wǎng)、Profibus-DP及RFM網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)采集；硬件接口模塊采集；PLC主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，PDA服務(wù)器接收；PDA服務(wù)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(bào)表功能，所有數(shù)據(jù)提供開(kāi)放的接口，支持Dos、Windows32/64、Linux32/64、Android、Mac OS及iOS等平臺(tái)。

常用的分析功能主要有：微秒級(jí)的時(shí)間分辨率；采用客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)；支持多主多從多窗口；捕捉瞬時(shí)信號(hào)突變；Excel配置地址?。徊杉c(diǎn)數(shù)靈活配置；信號(hào)樹(shù)導(dǎo)出；分析數(shù)據(jù)導(dǎo)出；歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)出；統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)出；邏輯虛擬信號(hào)；x-y軸轉(zhuǎn)換；無(wú)線模塊組態(tài)；加速度分析；雙x軸標(biāo)記；雙y軸標(biāo)記；動(dòng)態(tài)y軸標(biāo)記；視圖高度調(diào)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(jì)算；軋機(jī)剛度測(cè)量；軋機(jī)剛度跟蹤報(bào)表；大型液壓缸性能測(cè)試報(bào)表；質(zhì)量異義判別；QDR質(zhì)量數(shù)據(jù)記錄；質(zhì)量數(shù)據(jù)報(bào)表；專用分析功能定制；英文版/中文版/任意語(yǔ)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(kù)實(shí)時(shí)接口；質(zhì)量管理系統(tǒng)及大數(shù)據(jù)接口；HMI接口；插件；時(shí)序分析；絕對(duì)時(shí)鐘；計(jì)算時(shí)鐘；實(shí)時(shí)趨勢(shì)；歷史趨勢(shì)；動(dòng)態(tài)回放；視圖導(dǎo)航；視圖平移；滾輪平移；滾輪縮放；變焦縮放；數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)；信號(hào)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(biāo)注；故障分析；事件標(biāo)注；專家系統(tǒng)；系統(tǒng)報(bào)警；同比分析；自動(dòng)定標(biāo)；對(duì)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(yùn)行界面如圖4所示。

圖4 PDA分析軟件運(yùn)行界面

4 結(jié)束語(yǔ)

PDA系統(tǒng)支持各類電文，為數(shù)據(jù)平臺(tái)提供PLC通信協(xié)議服務(wù)，具有完善的通信協(xié)議軟件開(kāi)發(fā)模板，能快速合作開(kāi)發(fā)未知未來(lái)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(jiǎn)略說(shuō)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(lái)源，廣泛應(yīng)用于冶金、石化、水泥、能源、煤炭、電力、醫(yī)藥、煙草、加熱爐、機(jī)械制造、交通運(yùn)輸、大型船舶、造紙印刷、軍工及軍事等行業(yè)的控制領(lǐng)域，在新鋼、濟(jì)鋼及八一鋼鐵等數(shù)十家大型企業(yè)應(yīng)用，得到用戶一致好評(píng)。

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(jí)高級(jí)工程師，從事工業(yè)自動(dòng)化及高速數(shù)據(jù)采集分析的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作，1033657011@qq.com。

TH865

B

1000-3932(2017)11-1061-05

2017-07-18，

2017-09-14)

2017華南工業(yè)自動(dòng)化暨智能與物聯(lián)制造展覽會(huì)

展會(huì)時(shí)間2017年12月6～8日展會(huì)地點(diǎn)深圳會(huì)展中心3號(hào)館

2017華南工業(yè)自動(dòng)化暨智能與物聯(lián)制造展覽會(huì)是覆蓋智慧生產(chǎn)、物聯(lián)網(wǎng)及工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)鏈的一個(gè)專業(yè)展會(huì)，針對(duì)潛力巨大的自動(dòng)化及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)制造市場(chǎng)而誕生。這是一個(gè)令業(yè)界興奮的全新展會(huì)。針對(duì)潛力巨大的自動(dòng)化及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)制造市場(chǎng)，匯聚業(yè)內(nèi)人士，共同了解、采購(gòu)和學(xué)習(xí)最新有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分折技術(shù)及自動(dòng)化設(shè)備，讓買(mǎi)家更有效地了解各技術(shù)及解決方案的工業(yè)應(yīng)用，繼而提升業(yè)務(wù)生產(chǎn)效率并降低成本。

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