CN103019125B - 多任务实时数据处理系统及数据记录和数据分析的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工业过程控制中多任务实时数据处理系统及数据记录和数据分析的方法，在工业过程控制中设有单独用作数据分析的离线分析数据处理器，所述离线分析数据处理器通过拷贝或下载的方式与控制现场数据处理器进行数据通信；控制现场数据处理器设有过程数据记录存储区，数据记录过程中同时记录时间标签，在离线分析数据处理器中进行事故追忆时，从过程数据记录存储区中导入相应时刻的过程数据进行分析即可。本发明能够及时、准确地记录现场数据，解决了传统的SCADA系统受通信响应延迟等因素影响难以保障数据完整性的缺点，本发明数据分析系统具有实现简单、功能全面、运行稳定、性能可靠的优点。

Description

多任务实时数据处理系统及数据记录和数据分析的方法

技术领域

本发明属于工业自动化控制领域，具体涉及到实时控制系统中过程数据的记录，并对该数据记录进行离线数据分析的实现方法。

背景技术

随着半导体技术、计算机技术和通信技术的发展，实时控制系统作为生产过程控制的“大脑”，在能源、石化、汽车等工业控制领域中得到了越来越广泛的应用，成为工业生产过程自动化必不可少的智能控制系统设备。

实时数据处理器是实时控制系统的核心部分，无论是DCS(Distributed Control System集散控制系统)、PLC（Programmable Logic Controller可编程逻辑控制器）、FCS(Fidlebus Control System现场总线控制系统）或其它智能设备，实时数据处理器均担负着现场设备信号输入（Input）采集、控制运算、设备控制信号输出（Output）乃至采用通信方式将过程数据传送到HMI(Human Machine Interface，即就地监视设备）或SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，即中央监控系统)的作用。

实时数据处理器内部控制任务时常采用多任务机制来满足多个被控对象不同的实时性控制要求。通常情况下，实时数据处理器将输入/输出变量以及内部运算过程中的重要过程参数通过通信方式传递到HMI或SCADA的数据库进行保存和分析，但由于实时控制系统中过程实时数据快速变化的特性以及通信响应的延迟，导致HMI和SCADA不能完整获得过程实时数据，同时，很多应用场合无法采用HMI或SCADA对实时数据处理器进行监控。

发明内容

本发明的技术目的是解决现有技术中存在的问题，通过控制现场数据处理器进行本机记录数据，该记录可以被事后获取，使用单独的用于数据分析的实时数据处理器进行离线的数据回放和重演，不影响控制系统的正常运行。

本发明的技术方案为：

多任务实时数据处理系统，设有在现场实时采集数据的控制现场数据处理器，其特征在于，还单独设有一用作离线分析的实时数据处理器，所述控制现场数据处理器中设有过程数据记录存储区。

离线分析数据处理器和控制现场数据处理器为相同型号，避免硬件系统变化对数据分析的影响。

上述多任务实时数据处理系统数据记录和数据分析的方法，其特征在于：

设置有现场实时采集数据的控制现场数据处理器以及单独用作数据分析的离线分析数据处理器，所述离线分析数据处理器通过拷贝或下载的方式与控制现场数据处理器进行数据通信；

所述控制现场数据处理器设有过程数据记录存储区，并在控制任务执行的控制程序中设有数据记录开关变量，所述数据记录开关变量由用户即时触发或通过预设的程序触发，数据记录过程中同时记录时间标签，在离线分析数据处理器中进行事故追忆时，从所述过程数据记录存储区中导入相应时刻的过程数据，在离线分析数据处理器中进行数据分析。

进一步地，所述控制程序还设置有数据回放开关变量；

在离线分析数据处理器进行数据分析时，将控制现场数据处理器中存储的过程数据以及相应控制任务的控制程序导入离线分析数据处理器中，运行导入的控制程序，用户将数据回放开关变量置位，指定回放时刻，载入对应的过程数据到内存中，对指定时刻的过程数据进行回放和重演，通过编程调试软件观察数据的变化，进行事故分析。

所述过程数据包括直接变量和中间变量，所述直接变量为从控制现场采集的输入变量以及向控制现场输出的控制信号变量，所述中间变量为控制任务产生的中间计算结果。

在数据处理器中，每个控制任务在一个控制周期内的执行步骤为扫描输入变量、执行控制程序、更新输出变量，当数据记录开关变量被触发后，每个任务周期执行完更新输出变量后，则执行过程数据记录的操作。

在离线分析数据处理器进行数据回放时，如控制程序的数据记录开关变量和数据回放开关变量同时被置位，过程数据记录功能将被屏蔽。

所述过程数据记录存储区中，过程数据记录文件的存储采用了循环队列的数据结构，当数据记录存储区被占满后，最早的过程记录文件将被新记录文件覆盖。

所述控制现场数据处理器的过程数据记录存储器采用外存盘，记录数据时，通过内存拷贝的方式，复制实时数据处理器的变量数据区和变量状态区到外存盘的过程数据记录存储区。

本发明的有益效果：

1)数据记录功能开关由用户直接出发或设置程序触发，保障用户能够实时采集到关心时刻或关键时刻的数据；

2)实时数据处理器的控制任务在每个运算周期结束时，将过程数据记录到过程数据记录存储区内，保证在记录的时间段内，任何过程数据的任何变化情况都会被记录，有效防止数据的丢失；

3)通过内存拷贝的方式，复制实时数据处理器的变量数据区和变量状态区到过程数据记录存储区，保证数据完整性的同时，也提高的了保存的效率，减少对实时处理器系统性能的影响；

4)数据分析使用独立的同型号的实时数据处理器，即不影响到控制现场实时控制系统的正常运行，也保证了通过实时数据处理器的编程调试软件，能直接对记录时段内的过程数据的变化情况进行回放、重演，用直观的方式表现了事故发生前后的数据变化情况。

本发明采用控制现场处理器本机记录数据、独立处理器分析的方法解决了使用SCADA等历史数据库数据进行数据分析、事故追忆的传统方式存在的数据完整性、有效性难以保证的缺陷和该缺陷致使分析过程不直观的问题，本发明系统及方法实现简单、功能全面、性能可靠、运行稳定，且成本低廉。

附图说明

 图 1是实时数据处理器中典型的多任务执行示意图；

    图 2是实时数据处理器中加入数据记录功能多任务执行示意图；

    图 3是本发明系统的基本架构示意图；

    图 4是本发明控制现场数据记录工作的原理示意图；

    图 5是过程数据记录存储区采用循环队列数据结构存储的示意图；

    图 6是本发明的数据回放的工作原理示意图。

具体实施方式

为了阐明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的介绍。

本发明的多任务实时数据处理系统及其数据记录和数据分析的方法通过以下方案来实现：

本发明实时数据处理系统除了设置在现场进行实时采集数据的控制现场数据处理器外，还另设有一单独用作数据分析的离线分析数据处理器，所述离线分析数据处理器通过拷贝或FTP下载的方式与控制现场数据处理器进行数据通信。

所述控制现场数据处理器设有外置的闪存盘，用作过程数据记录存储区，并在控制任务执行的控制程序中设有数据记录开关变量，所述数据记录开关变量可由用户通过HMI（人机交互界面）或编程调试软件直接触发，也可以在实时数据处理器中根据控制对象相关要素由用户预先设置的程序触发。

如图1所示，在数据处理器中，每个控制任务在一个控制周期内的执行步骤为扫描输入变量、执行控制程序、更新输出变量，当数据记录开关变量被触发后，每个任务周期执行完更新输出变量后，接着执行过程数据记录的操作，如图2所示。

如图4所示，控制现场数据处理器的控制任务在其任务周期的最后阶段判断记录开关是否被置位，若被置位则表明需要对过程数据进行记录，控制任务会立即复制变量数据区和变量状态区到过程数据记录存储区，保存为过程数据记录文件，并记录此时刻的时间标签(时间分辨率为与实时数据处理器的硬件有关)，将时间标签作为过程数据数据记录文件的名称，其格式可设为年-月-日-时-分-秒-毫秒，因每个任务周期中，数据仅变化一次，此时任一过程变量的数值及其状态都会被完整的记录下来，用于事后数据分析。

如图3所示，在需要进行数据分析时，将控制现场数据处理器记录的过程数据导入到离线分析数据处理器中，同时将控制现场数据处理器执行的控制任务中的控制程序也一同载入（在离线分析数据处理器中进行数据分析的时候，如果要获得和记录数据时刻完全一致的状态进行重演，首先要保证离线处理器和现场的处理器执行相同的控制程序），启动数据分析实时数据处理器，运行控制程序。

如图6所示，在离线分析数据处理器启动并下载了控制现场运行的控制程序后，他将按照与控制现场一致的方式进行运行，用户可以直接为数据回放开关变量置位，并指定要回放的时刻，控制任务将载入对应时刻的数据到其变量数据内存和变量状态内存，此时离线分析数据处理器的状态与记录数据时控制现场的实时数据处理器的状态完全一致。

离线分析数据处理器运行控制程序时，为避免控制程序的数据记录开关变量与数据回放开关变量同时被置位，数据回放开关被赋予更高的优先级，在执行数据回放功能时，过程数据记录功能将被屏蔽（如不屏蔽，分析数据时，控制任务会执行数据记录功能，但这些数据已在控制现场获得，在离线分析数据处理器中再次记录并没有意义）。用户可以直接在实时数据处理器编程调试软件中，查看此时任意过程变量的数值和状态，以便对事故进行数据分析。此外，可逐一的对一段时间内所有记录文件进行回放，用户可以在编程调试软件中，可以直接观察到其关心的数据在一段时间内的变化，实现事故发生前后，数据变化过程的重演。

根据控制程序规模、控制任务的运算周期及过程数据记录存储区大小的不同，记录数据的时间的长度也有所不同，以控制任务运算周期100ms，控制程序变量20KByte，过程数据记录存储区512MByte计算，可以储存2560s即42分钟左右的过程数据。

过程数据记录的存储可采用循环队列的数据结构，当可用于存储数据的外存被占满后，最早的数据记录项将被覆盖，如图5所示。而当控制程序或用户将数据记录开关复位后， 控制任务将不再进行数据记录。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.多任务实时数据处理系统数据记录和数据分析的方法，其特征在于：

设有在现场实时采集数据的控制现场数据处理器以及单独用作数据分析的离线分析数据处理器，所述离线分析数据处理器通过拷贝或下载的方式与控制现场数据处理器进行数据通信；

所述控制现场数据处理器设有过程数据记录存储区，并在控制任务执行的控制程序中设有数据记录开关变量，所述数据记录开关变量由用户即时触发或通过预设的程序触发，数据记录过程中同时记录时间标签，在离线分析数据处理器中进行事故追忆时，从所述过程数据记录存储区中导入相应时刻的过程数据，在离线分析数据处理器中进行数据分析。

2.根据权利要求1所述的多任务实时数据处理系统数据记录和数据分析的方法，其特征在于：

所述控制程序还设置有数据回放开关变量；

在离线分析数据处理器进行数据分析时，将控制现场数据处理器中存储的过程数据以及相应控制任务的控制程序导入离线分析数据处理器中，运行导入的控制程序，用户将数据回放开关变量置位，指定回放时刻，载入对应的过程数据到内存中，对指定时刻的过程数据进行回放和重演，通过编程调试软件观察数据的变化，进行事故分析。

3.根据权利要求权2所述的多任务实时数据处理系统数据记录和数据分析的方法，其特征在于：

所述离线分析数据处理器与控制现场数据处理器采用相同型号的处理器。

4.根据权利要求1、2或3所述的多任务实时数据处理系统数据记录和数据分析的方法，其特征在于：

所述过程数据包括直接变量和中间变量，所述直接变量为从控制现场采集的输入变量以及向控制现场输出的控制信号变量，所述中间变量为控制任务产生的中间计算结果。

5.根据权利要求4所述的多任务实时数据处理系统数据记录和数据分析的方法，其特征在于：

在数据处理器中，每个控制任务在一个控制周期内的执行步骤为扫描输入变量、执行控制程序、更新输出变量，当数据记录开关变量被触发后，每个任务周期执行完更新输出变量后，执行过程数据记录的操作。

6.根据权利要求5所述的多任务实时数据处理系统数据记录和数据分析的方法，其特征在于：

在离线分析数据处理器进行数据回放时，如控制程序的数据记录开关变量和数据回放开关变量同时被置位，过程数据记录功能将被屏蔽。

7.根据权利要求权5所述的多任务实时数据处理系统数据记录和数据分析的方法，其特征在于：

所述过程数据记录存储区中，过程数据记录文件的存储采用了循环队列的数据结构，当数据记录存储区被占满后，最早的过程记录文件将被新记录文件覆盖。

8.根据权利要求权4所述的多任务实时数据处理系统数据记录和数据分析的方法，其特征在于：

所述控制现场数据处理器的过程数据记录存储器采用外存盘，记录数据时，通过内存拷贝的方式，复制实时数据处理器的变量数据区和变量状态区到外存盘的过程数据记录存储区。