CN111600770A - Dcs环形网络故障监控系统、方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于网络故障监控技术领域,具体涉及DCS环形网络故障监控系统、方法及装置。所述系统包括:环形网络;设置于环形网络中,与环形网络信号连接的使用节点;以及设置于环形网络中心位置的故障监控节点;所述故障监控节点,包括:节点探测模块、随机数据访问模块、探测响应模块、数据统计记录模块和控制模块;所述节点探测模块,用于对环形网络中的使用节点的可达性、可用性的周期性主动探测;所述随机数据访问模块,用于对使用节点进行存储访问性能探测;所述探测响应模块,用于接收探测消息,并及时作出响应。其通过实时的对网络中所有节点进行性能监测,可以在对网络故障进行预测,减少网络故障发生率,提升网络性能。
Description
技术领域
本发明属于网络故障监控技术领域,具体涉及DCS环形网络故障监控 系统、方法及装置。
背景技术
环形网络是使用一个连续的环将每台设备连接在一起。它能够保证一台 设备上发送的信号可以被环上其他所有的设备都看到。在简单的环形网中, 网络中任何部件的损坏都将导致系统出现故障,这样将阻碍整个系统进行正 常工作。而具有高级结构的环形网则在很大程度上改善了这一缺陷。这种结 构的网络形式主要应用于令牌网中,在这种网络结构中各设备是直接通过电 缆来串接的,最后形成一个闭环,整个网络发送的信息就是在这个环中传递, 通常把这类网络称之为"令牌环网"。
集散控制系统是以微处理器为基础,采用控制功能分散、显示操作集中、 兼顾分而自治和综合协调的设计原则的新一代仪表控制系统。集散控制系统 简称DCS,也可直译为“分散控制系统”或“分布式计算机控制系统”。
它采用控制分散、操作和管理集中的基本设计思想,采用多层分级、合 作自治的结构形式。其主要特征是它的集中管理和分散控制。目前DCS在 电力、冶金、石化等各行各业都获得了极其广泛的应用。
DCS在控制上的最大特点是依靠各种控制、运算模块的灵活组态,可实 现多样化的控制策略以满足不同情况下的需要,使得在单元组合仪表实现起 来相当繁琐与复杂的命题变得简单。随着企业提出的高柔性、高效益的要求, 以经典控制理论为基础的控制方案已经不能适应,以多变量预测控制为代表 的先进控制策略的提出和成功应用之后,先进过程控制受到了过程工业界的 普遍关注。需要强调的是,广泛应用各种先进控制与优化技术是挖掘并提升 DCS综合性能最有效、最直接、也是最具价值的发展方向。
在实际过程控制系统中,基于PID控制技术的系统占80%以上,PID回 路运用优劣在实现装置平稳、高效、优质运行中起到举足轻重的作用,各 DCS厂商都以此作为抢占市场的有力竞争砝码,开发出各自的PID自整定软 件。另外,根据DCS的控制功能,在基本的PID算法基础上,可以开发各 种改进算法,以满足实际工业控制现场的各种需要,诸如带死区的PID控制、 积分分离的PID控制、微分先行的PID控制、不完全微分的PID控制、具 有逻辑选择功能的PID控制等等。
现有的DCS环形网络往往会因为运行时间过程,网络中出现问题,而 出现问题后,查找故障发源处和进行维修都需要耗费大量的时间和人力。
发明内容
有鉴于此,本发明的主要目的在于提供DCS环形网络故障监控系统、 方法及装置,其通过实时的对网络中所有节点进行性能监测,可以在对网络 故障进行预测,减少网络故障发生率,提升网络性能。
为达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:
DCS环形网络故障监控系统,所述系统包括:环形网络;设置于环形网 络中,与环形网络信号连接的使用节点;以及设置于环形网络中心位置的故 障监控节点;所述故障监控节点,包括:节点探测模块、随机数据访问模块、 探测响应模块、数据统计记录模块和控制模块;所述节点探测模块,用于对 环形网络中的使用节点的可达性、可用性的周期性主动探测;所述随机数据 访问模块,用于对使用节点进行存储访问性能探测;所述探测响应模块,用 于接收探测消息,并及时作出响应;所述数据统计记录模块:用于监控使用 节点之间的数据交换和数据处理,并进行过程记录,形成节点性能的统计报 告。
进一步的,所述随机数据访问模块,对使用节点进行存储访问性能探测 的方法执行以下步骤:
步骤1:对环形网络中的使用节点均进行ID编号;
步骤2:通过伪随机算法,生成随机数,根据生成的随机数与使用节点 的ID进行比对,若对应的使用节点的ID与随机数的差值在设定的阈值范围 内,则对该使用节点进行访问;
步骤3:使用生成的随机数,生成一个序列X,使用该序列X的自相关 函数和高斯白噪声功率谱密度设计一个滤波器;
步骤4:使用该滤波器对往返于使用节点和随机数据访问模块之间的数 据进行滤波,同时使用该滤波器获取数据往返时的相关性高斯噪声;
步骤5:对相关性高斯噪声进行评估,判断使用节点的存储访问性能。
进一步的,所述使用生成的随机数,生成一个序列X,使用该序列X的 自相关函数和高斯白噪声功率谱密度设计一个滤波器的方法执行以下步骤: 将序列X和拉普拉斯噪声满足的自相关函数条件RZ(m)=RXX(m)代入拉普 拉斯噪声生成公式,得到相关性高斯噪声的自相关函数为: 其中,RXx(m)为序列的自相关函数;相关性高斯噪声的自相关函 数进行傅里叶变换,得到相关性高斯噪声的功率谱密度为: 其中,δ(ω)为脉冲函数;高斯噪声通过现行系统 后,功率谱密度为:PG′(ω)=PG(ω)·|H(ω)|2;通过上述公式,得到滤波器 的系统函数为:其中,N0为高斯噪 声的已知功率谱密度。
进一步的,所述节点之间通过点对点网络广播和Gossip协议,进行节点 间信息传输。
一种基于权利要求1至4之一所述系统的DCS环形网络故障监控方法, 其特征在于,所述方法执行以下步骤:
步骤S1:构建环形网络,将使用节点接入环形网络,在环形网络中心位 置设置一个故障监控节点;故障监控节点能够与环形网络中的所有使用节点 进行信息交互;
步骤S2:故障检测节点对环形网络中的使用节点的可达性、可用性的周 期性主动探测;对使用节点进行存储访问性能探测;接收探测消息,并及时 作出响应;监控使用节点之间的数据交换和数据处理,并进行过程记录,形 成节点性能的统计报告。
进一步的,对使用节点进行存储访问性能探测的方法执行以下步骤:
步骤S2.1:对环形网络中的使用节点均进行ID编号;
步骤S2.2:通过伪随机算法,生成随机数,根据生成的随机数与使用节 点的ID进行比对,若对应的使用节点的ID与随机数的差值在设定的阈值范 围内,则对该使用节点进行访问;
步骤S2.3:使用生成的随机数,生成一个序列X,使用该序列X的自相 关函数和高斯白噪声功率谱密度设计一个滤波器;
步骤S2.4:使用该滤波器对往返于使用节点和随机数据访问模块之间的 数据进行滤波,同时使用该滤波器获取数据往返时的相关性高斯噪声;
步骤S2.5:对相关性高斯噪声进行评估,判断使用节点的存储访问性能。
进一步的,所述使用生成的随机数,生成一个序列X,使用该序列X的 自相关函数和高斯白噪声功率谱密度设计一个滤波器的方法执行以下步骤: 将序列X和拉普拉斯噪声满足的自相关函数条件RZ(m)=RXX(m)代入拉普 拉斯噪声生成公式,得到相关性高斯噪声的自相关函数为: 其中,RXX(m)为序列的自相关函数;相关性高斯噪声的自相关函 数进行傅里叶变换,得到相关性高斯噪声的功率谱密度为: 其中,δ(ω)为脉冲函数;高斯噪声通过现行系统 后,功率谱密度为:PG′(ω)=PG(ω)·|H(ω)|2;通过上述公式,得到滤波器 的系统函数为:其中,N0为高斯噪 声的已知功率谱密度。
进一步的,所述节点之间通过点对点网络广播和Gossip协议,进行节点 间信息传输。
进一步的,所述节点之间仅通过点对点网络广播协议,进行节点间信息 传输。
一种DCS环形网络故障监控装置,所述装置包括:环形网络;设置于 环形网络中,与环形网络信号连接的使用节点;以及设置于环形网络中心位 置的故障监控节点;所述故障监控节点为一种非暂时性的计算机可读存储介 质,该存储介质存储了计算指令,其包括:对环形网络中的使用节点的可达 性、可用性的周期性主动探测的代码段;对使用节点进行存储访问性能探测 的代码段;接收探测消息,并及时作出响应的代码段;监控使用节点之间的 数据交换和数据处理,并进行过程记录,形成节点性能的统计报告的代码段。
本发明的DCS环形网络故障监控系统、方法及装置,具有如下有益效 果:。
附图说明
图1为本发明实施例提供的DCS环形网络故障监控系统的系统结构示 意图;
图2为本发明实施例提供的DCS环形网络故障监控方法的方法流程示 意图;
图3为本发明实施例提供的DCS环形网络故障监控系统、方法及装置 的故障发生率实验曲线示意图与现有技术的故障发生率的实验曲线对比效 果示意图。
1-使用节点,2-故障监测节点,3-环形网络,4-本发明实验曲线示意图, 5-现有技术实验曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的实施例对本发明的方法作进一步详细的说明。
实施例1
如图1和图3所示,DCS环形网络故障监控系统,所述系统包括:环形 网络;设置于环形网络中,与环形网络信号连接的使用节点;以及设置于环 形网络中心位置的故障监控节点;所述故障监控节点,包括:节点探测模块、 随机数据访问模块、探测响应模块、数据统计记录模块和控制模块;所述节 点探测模块,用于对环形网络中的使用节点的可达性、可用性的周期性主动 探测;所述随机数据访问模块,用于对使用节点进行存储访问性能探测;所 述探测响应模块,用于接收探测消息,并及时作出响应;所述数据统计记录 模块:用于监控使用节点之间的数据交换和数据处理,并进行过程记录,形 成节点性能的统计报告。
具体的,随机检测协议,包括:点对点网络的对等节点间的链接由节点 ID之间的关系决定,由于节点ID是随机产生的,因此对等链接没有任何有 意义的规律,具有最大的覆盖面;对等探测节点的选择在每一轮都随机产生, 随机数的产生以高强度的密码学为基础,从而实现公平性和广泛的覆盖性; 同时,可以有效地减少对等检测的数量;对等探测结果由节点自动通过发布 订阅模式,由网络Gossip协议进行传播,以实现节点探测信息的汇总,并 由节点的对等节点进行记录。
实施例2
在上一实施例的基础上,所述随机数据访问模块,对使用节点进行存储 访问性能探测的方法执行以下步骤:
步骤1:对环形网络中的使用节点均进行ID编号;
步骤2:通过伪随机算法,生成随机数,根据生成的随机数与使用节点 的ID进行比对,若对应的使用节点的ID与随机数的差值在设定的阈值范围 内,则对该使用节点进行访问;
步骤3:使用生成的随机数,生成一个序列X,使用该序列X的自相关 函数和高斯白噪声功率谱密度设计一个滤波器;
步骤4:使用该滤波器对往返于使用节点和随机数据访问模块之间的数 据进行滤波,同时使用该滤波器获取数据往返时的相关性高斯噪声;
步骤5:对相关性高斯噪声进行评估,判断使用节点的存储访问性能。
实施例3
在上一实施例的基础上,所述使用生成的随机数,生成一个序列X,使 用该序列X的自相关函数和高斯白噪声功率谱密度设计一个滤波器的方法 执行以下步骤:将序列X和拉普拉斯噪声满足的自相关函数条件 RZ(m)=RXX(m)代入拉普拉斯噪声生成公式,得到相关性高斯噪声的自相关 函数为:其中,RXX(m)为序列的自相关函数; 相关性高斯噪声的自相关函数进行傅里叶变换,得到相关性高斯噪声的功率谱密度为:其中,δ(ω)为脉冲函数;高 斯噪声通过现行系统后,功率谱密度为:PG′(ω)=PG(ω)·|H(ω)|2;通过上 述公式,得到滤波器的系统函数为:其中,N0为高斯噪声的已知功率谱密度。
具体的,在物理学中,信号通常是波的形式表示,例如电磁波、随机振 动或者声波。当波的功率频谱密度乘以一个适当的系数后将得到每单位频率 波携带的功率,这被称为信号的功率谱密度(power spectral density,PSD); 不要和spectral powerdistribution(SPD)混淆。功率谱密度的单位通常用每 赫兹的瓦特数(W/Hz)表示,后者使用波长而不是频率,即每纳米的瓦特 数(W/nm)来表示。信号的功率谱密度当且仅当信号是广义的平稳过程的 时候才存在。如果信号不是平稳过程,那么自相关函数一定是两个变量的函 数,这样就不存在功率谱密度,但是可以使用类似的技术估计时变谱密度。
f(t)的谱密度和f(t)的自相关组成一个傅里叶变换对(对于功率谱密度 和能量谱密度来说,使用着不同的自相关函数定义)。
通常使用傅里叶变换技术估计谱密度,但是也可以使用如Welch法 (Welch'smethod)和最大熵这样的技术。
实施例4
在上一实施例的基础上,所述节点之间通过点对点网络广播和Gossip 协议,进行节点间信息传输。
实施例5
如图2所示,一种基于DCS环形网络故障监控方法,所述方法执行以 下步骤:
步骤S1:构建环形网络,将使用节点接入环形网络,在环形网络中心 位置设置一个故障监控节点;故障监控节点能够与环形网络中的所有使用节 点进行信息交互;
步骤S2:故障检测节点对环形网络中的使用节点的可达性、可用性的 周期性主动探测;对使用节点进行存储访问性能探测;接收探测消息,并及 时作出响应;监控使用节点之间的数据交换和数据处理,并进行过程记录, 形成节点性能的统计报告。
具体的,环型结构在LAN中使用较多。这种结构中的传输媒 体从一个端用户到另一个端用户,直到将所有端用户连成环型。 这种结构显而易见消除了端用户通信时对中心系统的依赖性。
环型结构的特点是,每个端用户都与两个相临的端用户相连,因而存在 着点到点链路,但总是以单向方式操作,于是便有上游端用户和下游端用户 之称。例如用户N是用户N+1的上游端用户,N+1是N的下游端用户。如 果N+1端需将数据发送到N端,则几乎要绕环一周才能到达N端。
环上传输的任何信息都必须穿过所有端点,因此,如果环的某一点断开, 环上所有端间的通信便会终止。为克服这种网络拓扑结构的脆弱,每个端点 除与一个环相连外,还连接到备用环上,当主环故障时,自动转到备用环上。
环型网络的一个例子是令牌环局域网,这种网络结构最早由IBM推出, 但之前被其它厂家采用。在令牌环网络中,拥有“令牌”的设备允许在网络 中传输数据。这样可以保证在某一时间内网络中只有一台设备可以传送信息。
实施例6
在上一实施例的基础上,对使用节点进行存储访问性能探测的方法执行 以下步骤:
步骤S2.1:对环形网络中的使用节点均进行ID编号;
步骤S2.2:通过伪随机算法,生成随机数,根据生成的随机数与使用节 点的ID进行比对,若对应的使用节点的ID与随机数的差值在设定的阈值范 围内,则对该使用节点进行访问;
步骤S2.3:使用生成的随机数,生成一个序列X,使用该序列X的自 相关函数和高斯白噪声功率谱密度设计一个滤波器;
步骤S2.4:使用该滤波器对往返于使用节点和随机数据访问模块之间的 数据进行滤波,同时使用该滤波器获取数据往返时的相关性高斯噪声;
步骤S2.5:对相关性高斯噪声进行评估,判断使用节点的存储访问性能。
实施例7
在上一实施例的基础上,所述使用生成的随机数,生成一个序列X,使 用该序列X的自相关函数和高斯白噪声功率谱密度设计一个滤波器的方法 执行以下步骤:将序列X和拉普拉斯噪声满足的自相关函数条件 RZ(m)=RXX(m)代入拉普拉斯噪声生成公式,得到相关性高斯噪声的自相关 函数为:其中,RXX(m)为序列的自相关函数; 相关性高斯噪声的自相关函数进行傅里叶变换,得到相关性高斯噪声的功率谱密度为:其中,δ(ω)为脉冲函数;高 斯噪声通过现行系统后,功率谱密度为:PG′(ω)=PG(ω)·|H(ω)|2;通过上 述公式,得到滤波器的系统函数为:其中,N0为高斯噪声的已知功率谱密度。
实施例8
在上一实施例的基础上,所述节点之间通过点对点网络广播和Gossip 协议,进行节点间信息传输。
实施例9
在上一实施例的基础上,所述节点之间仅通过点对点网络广播协议,进 行节点间信息传输。
实施例10
一种DCS环形网络故障监控装置,所述装置包括:环形网络;设置于 环形网络中,与环形网络信号连接的使用节点;以及设置于环形网络中心位 置的故障监控节点;所述故障监控节点为一种非暂时性的计算机可读存储介 质,该存储介质存储了计算指令,其包括:对环形网络中的使用节点的可达 性、可用性的周期性主动探测的代码段;对使用节点进行存储访问性能探测 的代码段;接收探测消息,并及时作出响应的代码段;监控使用节点之间的 数据交换和数据处理,并进行过程记录,形成节点性能的统计报告的代码段。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到,为描述的方便和简洁,上 述描述的系统的具体工作过程及有关说明,可以参考前述方法实施例中的对 应过程,在此不再赘述。
需要说明的是,上述实施例提供的系统,仅以上述各功能模块的划分进 行举例说明,在实际应用中,可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能 模块来完成,即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合,例如, 上述实施例的模块可以合并为一个模块,也可以进一步拆分成多个子模块, 以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步 骤的名称,仅仅是为了区分各个模块或者步骤,不视为对本发明的不当限定。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到,为描述的方便和简洁,上 述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明,可以参考前述方 法实施例中的对应过程,在此不再赘述。
本领域技术人员应该能够意识到,结合本文中所公开的实施例描述的各 示例的模块、方法步骤,能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实 现,软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(RAM)、内存、 只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬 盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介 质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性,在上述说明中已经按照 功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软 件方式来执行,取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人 员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实 现不应认为超出本发明的范围。
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象,而不是用于描述或 表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含,从而使 得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素,而 且还包括没有明确列出的其它要素,或者还包括这些过程、方法、物品或者 设备/装置所固有的要素。
至此,已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案,但 是,本领域技术人员容易理解的是,本发明的保护范围显然不局限于这些具 体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下,本领域技术人员可以对相关 技术特征作出等同的更改或替换,这些更改或替换之后的技术方案都将落入 本发明的保护范围之内。
以上所述,仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护 范围。
Claims (10)
1.DCS环形网络故障监控系统,所述系统包括:环形网络;设置于环形网络中,与环形网络信号连接的使用节点;以及设置于环形网络中心位置的故障监控节点;其特征在于,所述故障监控节点,包括:节点探测模块、随机数据访问模块、探测响应模块、数据统计记录模块和控制模块;所述节点探测模块,用于对环形网络中的使用节点的可达性、可用性的周期性主动探测;所述随机数据访问模块,用于对使用节点进行存储访问性能探测;所述探测响应模块,用于接收探测消息,并及时作出响应;所述数据统计记录模块:用于监控使用节点之间的数据交换和数据处理,并进行过程记录,形成节点性能的统计报告。
2.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述随机数据访问模块,对使用节点进行存储访问性能探测的方法执行以下步骤:
步骤1:对环形网络中的使用节点均进行ID编号;
步骤2:通过伪随机算法,生成随机数,根据生成的随机数与使用节点的ID进行比对,若对应的使用节点的ID与随机数的差值在设定的阈值范围内,则对该使用节点进行访问;
步骤3:使用生成的随机数,生成一个序列X,使用该序列X的自相关函数和高斯白噪声功率谱密度设计一个滤波器;
步骤4:使用该滤波器对往返于使用节点和随机数据访问模块之间的数据进行滤波,同时使用该滤波器获取数据往返时的相关性高斯噪声;
步骤5:对相关性高斯噪声进行评估,判断使用节点的存储访问性能。
4.如权利要求3所述的系统,其特征在于,所述节点之间通过点对点网络广播和Gossip协议,进行节点间信息传输。
5.一种基于权利要求1至4之一所述系统的DCS环形网络故障监控方法,其特征在于,所述方法执行以下步骤:
步骤S1:构建环形网络,将使用节点接入环形网络,在环形网络中心位置设置一个故障监控节点;故障监控节点能够与环形网络中的所有使用节点进行信息交互;
步骤S2:故障检测节点对环形网络中的使用节点的可达性、可用性的周期性主动探测;对使用节点进行存储访问性能探测;接收探测消息,并及时作出响应;监控使用节点之间的数据交换和数据处理,并进行过程记录,形成节点性能的统计报告。
6.如权利要求5所述得方法,其特征在于,对使用节点进行存储访问性能探测的方法执行以下步骤:
步骤S2.1:对环形网络中的使用节点均进行ID编号;
步骤S2.2:通过伪随机算法,生成随机数,根据生成的随机数与使用节点的ID进行比对,若对应的使用节点的ID与随机数的差值在设定的阈值范围内,则对该使用节点进行访问;
步骤S2.3:使用生成的随机数,生成一个序列X,使用该序列X的自相关函数和高斯白噪声功率谱密度设计一个滤波器;
步骤S2.4:使用该滤波器对往返于使用节点和随机数据访问模块之间的数据进行滤波,同时使用该滤波器获取数据往返时的相关性高斯噪声;
步骤S2.5:对相关性高斯噪声进行评估,判断使用节点的存储访问性能。
8.如权利要求8所述的方法,其特征在于,所述节点之间通过点对点网络广播和Gossip协议,进行节点间信息传输。
9.如权利要求7所述的方法,其特征在于,所述节点之间仅通过点对点网络广播协议,进行节点间信息传输。
10.一种基于权利要求1至5之一所述系统的DCS环形网络故障监控装置,其特征在于,所述装置包括:环形网络;设置于环形网络中,与环形网络信号连接的使用节点;以及设置于环形网络中心位置的故障监控节点;所述故障监控节点为一种非暂时性的计算机可读存储介质,该存储介质存储了计算指令,其包括:对环形网络中的使用节点的可达性、可用性的周期性主动探测的代码段;对使用节点进行存储访问性能探测的代码段;接收探测消息,并及时作出响应的代码段;监控使用节点之间的数据交换和数据处理,并进行过程记录,形成节点性能的统计报告的代码段。
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