CN101887255B - 一种实时数据传递装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种实时数据传递装置及其传递的方法，解决了基础控制系统中，实时数据更新快，数据量大不易向过程控制系统传输的问题。本发明的方法包括：对基础控制系统中的信号进行变换；对数据进行A/D转换；对数据进行压缩处理并高速缓存然后再进行一次压缩处理；对压缩后数据进行分包、保存，并将保存的数据送到通讯中间件；通讯中间件生成、发送电文；在过程控制系统中接收电文，再在数据压缩处理器中对接收的电文数据进行解压缩处理；在过程控制系统中处理电文。本发明在不提高电文频率的前提下，提高了基础控制系统实时数据的传输数据量，从而有效提高了向过程控制系统传递数据的效率，满足了过程控制系统中对数据实时性的要求。

Description

一种实时数据传递装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种实时数据传递的装置及传递的方法，尤其是指一种基础控制系统与过程控制系统之间数据传递的装置及其方法。 

背景技术

在现代化大型冶金企业中，基础控制系统使用十分普遍，由于基础控制系统数据需要参与设备控制，因此对实时性要求较高，，实时数据刷新很快，所以基础控制系统都使用自己的专用通讯协议和网络。而过程控制系统由于对实时性要求相对基础控制系统来说要低很多，因此使用普通的通讯协议和普通局域网即可。 

由于基础控制系统和过程控制系统的结构、通信协议和通信方式都完全不一样，两者之间需使用通讯中间件即电文方式进行通讯。如图1所示，现有的基础控制系统(DCS，PLC)11向过程控制系统12传递实时数据时，在基础控制系统11与过程控制系统12之间需要通讯中间件(电文)13。 

现有的通讯中间件13以电文方式处理基础控制系统(DCS，PLC)11实时数据传递时，采用的方法为定时快照方式，即每隔一段时间(如一小时)从基础控制系统11中取一次实时数据然后发送到过程控制系统12。 

由于电文的数据区需要考虑网络负荷、处理效率等因素，其容量是固定的(如图3所示，电文的头部数据区40B，应用数据区8151B，结束符1B)，因此，所发送的实时数据量不能超出电文数据区容量。而由于基础控制系统11中实时数据量很大，更新又快。因此，现有技术的处理数据的方式严重制约了基础控制系统11与过程控制系统12之间的数据传递。 

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术基础控制系统中，实时数据更新快，数据量大，过程控制系统传递数据的效率并能够满足过程控制系统中对数据实时性要求的一种实时数据传递装置及其方法。 

本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 

一种实时数据传递装置，包括基础控制系统，与基础控制系统连接的通讯中间件，与通讯中间件连接的过程控制系统，所述基础控制系统由模拟量信号隔离器连接信号滤波器组成，所述过程控制系统由接收电文模块连接处理电文模块组成，所述通讯中间件由生成电文模块连接发送电文模块组成， 

其特征在于所述实时数据传递装置还包括数据压缩处理器，所述数据压缩处理器由以下部件组成： 

信号变换模块，与所述基础控制系统中的信号滤波器连接，对基础控制系统中经过隔离和滤波的模拟量输入信号进行抬升和限幅； 

A/D转换模块，与所述信号变换模块连接，把模拟量输入信号转换成数字量信号； 

高速缓存模块，与所述A/D转换模块连接，对完成A/D转换的数据进行高速缓存； 

数据压缩模块，与所述高速缓存模块连接，对高速缓存模块中的数据进行压缩处理； 

数据分包模块，与所述数据压缩模块连接，以电文格式要求对压缩后的数据进行分包处理； 

数据存储模块，与所述数据分包模块连接，数据存储模块的输出端与所述通讯中间件中的生成电文模块连接； 

解压数据模块，其输入端与过程控制系统中的接收电文模块连接，其输出端与过程控制系统中的处理电文模块连接。 

另外，本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 

一种用上述实时数据传递装置进行实时数据传递的方法，其特征在于包括以下步骤： 

S41，信号变换，所述数据压缩处理器从基础控制系统中读出实时数据经过隔离和滤波后的模拟量输入信号，然后对该信号进行抬升和限幅转换处理； 

S42，数据A/D转换，对上述变换后的数据信号进行模拟量到数字量的转换； 

S43，判别A/D转换是否完成，如果没完成，继续S42步骤，直到完成； 

S44，数据进行压缩处理，对完成A/D转换的数据进行高速缓存，然后对信号进行压缩处理； 

S45，判别对压缩处理后的数据是否按电文要求进行分包，如果没进行分包，继续S44步骤，直到已分包； 

S46，对分包后的数据进行保存，并将保存的数据送到所述通讯中间件； 

S47，生成、发送电文，在所述通讯中间件中将数据压缩处理器保存的分包后的数据生成电文，并按电文发送周期将电文发送到过程控制系统中； 

S48，接收电文，解压数据，在所述过程控制系统中接收通讯中间件发送的电文，再在数据压缩处理器中对接收的电文数据进行解压缩处理； 

S49，在所述过程控制系统中处理电文。 

本发明的有益效果： 

本发明通过首先对基础控制系统中模拟量信号进行抽样和量化，然后用有关的压缩算法再进行处理，最后通过数据分包，再利用电文方式进行数据传送。因此，本发明在不提高电文频率的前提下，提高了基础控制系统实时数据的传输数据量，从而有效提高了向过程控制系统传递数据的效率，满足了过程控制系统中对数据实时性的要求。 

为进一步说明本发明的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细说明。 

附图说明

图1为现有技术数据传输方式示意图； 

图2为本发明的数据传输装置结构原理图； 

图3为电文结构图； 

图4为本发明的数据传输方法流程图； 

图5为本发明的数据处理步骤示意图。 

具体实施方式

下面结合实施例的附图对本发明的一种实时数据传递装置及其方法的具体实施方式进行详细说明。 

由于现有技术对基础控制系统中的实时数据仅仅是简单的采集，并不对实时数据信号进行处理，因此无法对采集到的实时数据进行有效的压缩，而本发明的方法中首先对基础控制系统中的模拟量信号进行处理，然后再利用多种压缩技术对数据进行压缩，有效提高了数据压缩效率。 

本发明的实时数据传递装置的结构如图2所示，包括：基础控制系统21连接通讯中间件23，再连接过程控制系统22。 

所述基础控制系统21由模拟量信号隔离器211连接信号滤波器212组成，模拟量信号隔离器211中输入的模拟量有风量、风压、顶压、顶温、富氧量、喷煤量等等。 

所述过程控制系统22由接收电文模块221连接处理电文模块223组成。 

所述通讯中间件23由生成电文模块231连接发送电文模块232组成。 

上述部件是现有技术，本发明的实时数据传递装置还包括数据压缩处理器24，所述数据压缩处理器24由以下部件组成。 

信号变换模块241，与所述基础控制系统21中的信号滤波器212连接，对基础控制系统21中经过隔离和滤波的模拟量信号进行抬升和限幅(由于经过隔离和滤波的模拟量信号并不能直接输入单片机进行A/D转换，电压基准和ADC的单极性输入要求使滤波后的模拟量信号还要经过信号变换电路进行抬升和限幅才能得到A/D转换所用的信号)。 

A/D转换模块242，与所述信号变换模块241连接，对输入的模拟量信号进行A/D(模拟量-＞数字量)转换，对输入信号进行抽样和量化，输入信号经过A/D转换后，成为一个12位的数字量输出，占用2B的存储空间。 

高速缓存模块243，与所述A/D转换模块242连接，保存从A/D转换模块242转换后的数据，为基础控制系统21实时数据提供缓存，从而提高数据处理的效率，对数据进行快速处理。 

数据压缩模块244，与所述高速缓存模块243连接，对高速缓存模块243中的数据进行压缩处理，处理方式分为二步： 

第一步，对保存在高速缓存模块243内的数据进行压缩处理，使部分原有12位，2B的数据被压缩至1B，该压缩算法如下： 

对原始数据采用2种不同方式进行压缩，设数据长度为L＝12，原始数据为D₀， 以1B数据最大值255作为这2种策略的分界点，则： 

当D₀＜256时，舍去1B，即最高8位； 

当D₀≥256时，舍去最高8位中的低4位。 

第二步，压缩算法采用LZO算法，LZO算法由以色列数学家A.Lempel、J.Ziv和B.Oberhumer共同开发，故命名为LZO(Lempel-Ziv-Oberhumer)，它是一种适合于需要在实时情况下的压缩和解压缩算法，具有较快的速率获得合适的压缩比，源代码和压缩的数据格式可方便地应用于各种操作平台。该压缩算法的设计原则是其解压缩的速度必须较快，以适应实时工作的需要。它在具有相当的压缩比的前提下，具有非常快的解压缩速度，并且解压缩不需要额外的内存消耗。 

数据分包模块245，与所述数据压缩模块244连接，将压缩后的数据进行分包处理，数据分包模块245以电文格式要求(图3所示)对压缩后的实时数据进行分包，如电文定义数据区大小为8151B，则对压缩数据以8151B大小进行分包，从而保证电文应用数据区不发生数据溢出。 

数据存储模块246，与所述数据分包模块245连接，数据存储模块246的输出端与通讯中间件23中的生成电文模块231连接，数据存储模块246对经压缩、分包处理后的数据包进行保存，以提供给生成电文模块231。 

解压数据模块247，其输入端与过程控制系统22中的接收电文模块221连接，其输出端与过程控制系统22中的处理电文模块23连接，该解压数据模块247对压缩后的数据进行恢复，恢复十分简单，当过程控制系统收到有压缩内容的电文后，按压缩算法逆运算即可，一般技术人员均可实现。 

根据图4再配合图5所示，本发明的利用实时数据传递装置进行实时数据传递的方法包括以下步骤。 

S41，信号变换，数据压缩处理器24从基础控制系统21中读出实时数据经过隔离和滤波后的模拟量输入信号(参见S51)，然后对信号进行抬升和限幅转换处理(参见S52)，其目的是对信号进行抬升和限幅，以满足A/D转换所用的信号源。 

S42，数据A/D转换，将上述变换后的数据信号按设定进行模拟量-＞数字量的转换(参见S53)。 

S43，判别A/D转换是否完成，如果没完成，继续S42步骤，直到完成，此时，信号成为一个12位的数字量输出，占用2B的空间(参见S54)。 

S44，数据进行压缩处理，对完成A/D转换的数据进行高速缓存，以提高实时数据处理的效率，然后调用压缩函数对信号进行压缩处理(参见S55)，压缩处理的方式如上面装置部分描述的分为二步，在此不赘述。 

S45，判别对压缩处理后的数据是否按电文要求进行分包，如果没进行分包，继续S44步骤，直到已分包(参见S56)。 

S46，对分包后的数据进行保存，并将保存的数据送到所述通讯中间件23(参见S57)。 

S47，生成、发送电文，在通讯中间件23中将数据压缩处理器24保存的分包后的数据生成电文，并按电文发送周期将电文发送到过程控制系统中(参见S58)。 

S48，接收电文，解压数据，在过程控制系统22中接收通讯中间件23发送的电文，再在数据压缩处理器24中对接收的电文数据进行解压缩处理(参见S59)。 

S49，在过程控制系统22中处理电文(参见S59)。 

采用本方法后从实际使用情况来看，通过利用压缩处理的两种算法相互混用，明显提高了数据的压缩比。基本可以稳定提供3∶1的压缩比。如传输相同数量的数据，仅需三小时通讯一次即可(原来需一小时通讯一次)，从而大大提高了电文的传输效率。 

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的目的，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求的范围内。 

Claims (6)

1.一种实时数据传递装置，包括基础控制系统，与基础控制系统连接的通讯中间件，与通讯中间件连接的过程控制系统，所述基础控制系统由模拟量信号隔离器连接信号滤波器组成，所述过程控制系统由接收电文模块连接处理电文模块组成，所述通讯中间件由生成电文模块连接发送电文模块组成，

其特征在于所述实时数据传递装置还包括数据压缩处理器，所述数据压缩处理器由以下部件组成：

信号变换模块，与所述基础控制系统中的信号滤波器连接，对基础控制系统中经过隔离和滤波的模拟量输入信号进行抬升和限幅；

A/D转换模块，与所述信号变换模块连接，把模拟量输入信号转换成数字量信号；

高速缓存模块，与所述A/D转换模块连接，对完成A/D转换的数据进行高速缓存；

数据压缩模块，与所述高速缓存模块连接，对高速缓存模块中的数据进行压缩处理；

数据分包模块，与所述数据压缩模块连接，以电文格式要求对压缩后的数据进行分包处理；

数据存储模块，与所述数据分包模块连接，数据存储模块的输出端与所述通讯中间件中的生成电文模块连接；

解压数据模块，其输入端与过程控制系统中的接收电文模块连接，其输出端与过程控制系统中的处理电文模块连接。

2.如权利要求1所述的实时数据传递装置，其特征在于：

所述A/D转换模块将输入信号转换成一个12位的数字量输出，占用2B的存储空间。

3.如权利要求1所述的实时数据传递装置，其特征在于：

所述数据压缩模块中对数据进行压缩处理的方式分为二步：

第一步，对保存在高速缓存模块内的数据进行压缩处理，使部分原有12位，2B的数据被压缩至1B，该压缩算法如下：

对原始数据采用2种不同方式进行压缩，设数据长度为L＝12，原始数据为D₀，以1B数据最大值255作为这2种策略的分界点，则：

当D₀＜256时，舍去1B，即最高8位；

当D₀≥256时，舍去最高8位中的低4位；

第二步，压缩算法采用Lempel-Ziv-Oberhumer算法。

4.一种用权利要求1所述的实时数据传递装置进行实时数据传递的方法，其特征在于包括以下步骤：

S41，信号变换，所述数据压缩处理器从基础控制系统中读出实时数据经过隔离和滤波后的模拟量输入信号，然后对该信号进行抬升和限幅转换处理；

S42，数据A/D转换，对上述变换后的数据信号进行模拟量到数字量的转换；

S43，判别A/D转换是否完成，如果没完成，继续S42步骤，直到完成；

S44，数据进行压缩处理，对完成A/D转换的数据进行高速缓存，然后对数据进行压缩处理；

S45，判别对压缩处理后的数据是否按电文要求进行分包，如果没进行分包，继续S44步骤，直到已分包；

S46，对分包后的数据进行保存，并将保存的数据送到所述通讯中间件；

S47，生成、发送电文，在所述通讯中间件中将数据压缩处理器保存的分包后的数据生成电文，并按电文发送周期将电文发送到过程控制系统中；

S48，接收电文，解压数据，在所述过程控制系统中接收通讯中间件发送的电文，再在数据压缩处理器中对接收的电文数据进行解压缩处理；

S49，在所述过程控制系统中处理电文。

5.如权利要求4所述的实时数据传递的方法，其特征在于：

所述步骤S43中，在完成A/D转换后，信号成为一个12位的数字量输出，占用2B的空间。

6.如权利要求4所述的实时数据传递的方法，其特征在于：

所述步骤S44中，数据进行压缩处理的方式分为二步：

第一步，对保存在高速缓存模块内的数据进行压缩处理，使部分原有12位，2B的数据被压缩至1B，该压缩算法如下：

对原始数据采用2种不同方式进行压缩，设数据长度为L＝12，原始数据为D₀，以1B数据最大值255作为这2种策略的分界点，则：

当D₀＜256时，舍去1B，即最高8位；

当D₀≥256时，舍去最高8位中的低4位；

第二步，压缩算法采用Lempel-Ziv-Oberhumer算法。

Images