CN111830926A - 一种面向工业设备的可配置数据采集系统 - Google Patents

一种面向工业设备的可配置数据采集系统 Download PDF

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宋爱国
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Abstract

本发明公开了一种面向工业设备的可配置数据采集系统，生产设备通过工业总线与控制单元相连，所述控制单元与数据采集单元之间有OPC服务器；所述数据采集单元还连接数据库；所述OPC服务器用于采集所述控制单元传递的所述生产设备的实时数据；所述数据采集单元根据配置按要求获取实时数据经缓存后存入数据库；所述数据库，用于数据持久化存储。本发明还公开了一种面向工业设备的可配置数据采集方法及在线修改方法。本发明能够实现不同类型的设备、不同数量的设备的数据采集要求的灵活配置与采集。

Description

一种面向工业设备的可配置数据采集系统
技术领域
本发明属于数据采集领域，更具体地说涉及一种面向工业设备的可配置数据采集系统。
背景技术
随着工业化、信息化的不断推进，对于工业生产过程数据的采集显得尤为重要。然而在万物互联的5G时代，工业设备的智能化程度不断提高，同时设备的种类以及数量也在不断的增加，这就导致了数据的采集来源和范围更加多样化。在这种背景下导致用于传输数据的工业通信协议种类繁多，没有一个统一的标准，传统的数据采集系统往往针对特定协议做定制开发，这样在针对其他协议进行数据采集时便存在灵活性，通用性和扩展性不足的问题。此外，由于数据采集的要求多样性，缺乏有效的可配置方法以应对这种多样性。这些问题都成为了在物联网技术背景下数据采集技术面临的挑战。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种面向工业设备的可配置数据采集系统，实现不同类型的设备、不同数量的设备的数据采集要求的灵活配置与采集。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种面向工业设备的可配置数据采集系统，生产设备通过工业总线与控制单元相连，控制单元与数据采集单元之间有OPC服务器；数据采集单元还连接数据库；OPC服务器用于采集控制单元传递的生产设备的实时数据；数据采集单元根据配置按要求获取实时数据并缓存；数据库，用于数据持久化存储。
进一步的，数据采集单元包括数据采集配置模块、数据采集模块、数据缓存模块以及数据库操作模块。
进一步的，数据采集配置模块，包括驱动集配置、设备集配置、数据源配置，驱动集，包含数据驱动与设备驱动。通过自定义配置数据驱动、设备属性、数据源等，实现可配置化的数据采集。
进一步的，数据驱动由数据采集协议对应的数据接口实现；数据驱动以动态链接库DLL的形式加载。设备驱动包括不同设备需要采集的数据方法属性。设备集主要是指所有要采集设备的集合，包括设备属性，设备属性包括采集设备名称、对应的设备驱动、对应的设备数据源ID(对应数据源集里的数据源ID)和采集任务。采集任务定义为采集方法、采集的频率、采集的触发形式(定时触发和变化触发)以及应用标识设置，用于标识是否启用该采集任务。数据源集，用于指定在OPC服务器中配置的数据节点，包括数据源ID、对应数据驱动、数据源地址。
进一步的，控制单元为生产现场可编程控制器PLC，用于汇总生产过程中的设备状态、运行参数以及控制生产逻辑。OPC服务器用于采集控制单元传递的生产设备实时数据。OPC服务器支持目前市场上多种品牌的可编程控制器PLC。
进一步的，数据采集模块，通过OPC协议读取OPC服务器采集的实时数据，并根据采集配置模块的配置，定时定量地将读取的数据放入数据缓存模块。
进一步的，数据缓存模块，将数据采集模块获得的数据以结构化的方式保存在本地缓存中。数据缓存模块采用key-value的方式，将不同设备采集的同种类的数据以种类为key值，以采集的实时数据为value值进行缓存。其目的在于，将同种类型的数据汇总起来，在存入数据库时，减少对同一张数据表的操作过程，简化了数据库访问的过程及开销，降低了系统异步访问数据库时产生错误的风险。同时，避免数据在存储过程中，出现网络异常而导致的数据丢失。
进一步的，数据库操作模块，将数据缓存模块中的数据以SQL语句的形式，通过对数据库的访问接口，实现数据持久化存储。
本发明还公开了一种面向工业设备的可配置数据采集方法，包括如下步骤：
步骤1，加载数据采集配置模块内容，包括数据驱动和设备驱动、设备集合以及数据源集合；
步骤2，根据步骤1中加载的设备属性集合，构建与之一一对应的设备对象实例，设备对象实例中包括对应的采集任务。
步骤3，将所有设备对象实例的采集任务加入任务注册器；
步骤4，执行采集任务，获得采集数据。
步骤4进一步包括：
步骤41，开启设备线程，检测采集任务；
步骤42，判断采集任务的触发形式；
步骤43，若是定时触发采集任务，则循环检测任务注册器中的采集任务有没有到采集周期时间，将到达采集周期的采集任务推入线程池；
步骤44，若是变化触发采集任务，则等待直至数据变化后将采集任务推入线程池；
步骤45，线程池采用生产者-消费者的设计模式，步骤43和步骤44是任务的生产者，线程池中的消费者执行采集任务，获得数据。
进一步的，还提供一种面向工业设备的可配置数据采集系统配置修改方法。具体如下：
S1：暂停需要修改的设备任务注册器，线程池就不会收到该设备的采集任务推送；
S2：修改配置内容，并进行修改后的配置内容校验，保证配置内容符合数据采集配置模块的配置要求；
S3：判断以设备名称构建的设备容器是否存在，若不存在则根据配置内容创建新的设备容器；
S4：更新采集任务至任务注册器；
S5：重启任务注册器，设备线程继续检测采集任务，完成数据采集内容。
总体而言，本发明具有以下有益效果：
1、数据采集系统，采用OPC服务器作为数据采集的前驱，采用基于面向服务的架构(SOA)，以OPC UA方式实现对不同品牌PLC的统一访问，避免了现场不同PLC型号对应驱动不统一带来的现场生产数据采集的复杂性。
2、数据采集过程采用可配置的设计思想，自定义配置采集设备数量、采集内容、采集周期，提高了系统使用的灵活性。同时，还支持在线修改配置，且针对其中一个设备配置修改时，不影响别的设备数据采集。
3、采用设备采集任务线程池管理模式，减少因启用多个任务线程带来的系统对多线程管理带来的性能开销。
4、数据缓存模块，简化了数据库访问的过程及开销，降低了系统异步访问数据库时产生错误的风险。同时，避免数据在存储过程中，出现网络异常而导致的数据丢失。
附图说明
图1为本发明实施例的可配置数据采集系统架构示意图。
图2为本发明实施例的数据采集配置模块内容示意图。
图3为本发明实施例的数据采集单元运行流程图。
图4为本发明实施例的在线修改配置的方法流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明公开了一种面向工业设备数据采集系统。所述系统包括现场生产设备、现场控制设备、OPC服务器、数据采集单元和数据库。
所述生产设备中的生产过程数据通过工业总线与控制单元相连。所述控制单元与数据采集单元之间设有OPC服务器。
所述控制单元为生产现场可编程控制器PLC，用于汇总生产过程中的设备状态、运行参数以及控制生产逻辑。包含目前市场上主流的PLC品牌，如西门子、ABB、施耐德等多种品牌。
所述OPC服务器用于采集所述现场控制单元PLC设备传递的实时数据，采用基于面向服务的架构(SOA)，以OPC UA方式实现对不同品牌PLC的统一访问，集成了目前市场上绝大部分品牌的PLC驱动，通过可视化界面配置PLC属性、设备节点以及要采集数据的标签与对应的PLC数据块地址。
所述数据采集单元包括数据采集配置模块、数据采集模块、数据缓存模块以及数据库操作模块。
如图2所示，所述数据采集配置模块，包括驱动集、设备集和数据源集，可以自定义配置数据驱动、设备属性、数据来源等。所述驱动集，包含数据驱动与设备驱动。所述数据驱动指明的是数据采集协议对应的数据接口实现，以动态链接库DLL的形式加载。例如以OPC协议的采集数据，则数据驱动封装了获取这种协议的数据接口实现。所述设备驱动，是对生产设备抽象出来的类，包括不同设备需要采集的数据方法。所述设备集主要是指所有要采集设备的集合，包括设备属性，设备属性包括采集设备名称、对应的设备驱动、对应的设备数据源ID和采集任务。采集任务定义为采集方法、采集的频率、采集的触发形式(定时触发和变化触发)以及应用标识设置，用于标识是否启用该采集任务。所述数据集，用于指定在OPC服务器中配置的数据节点，包括数据源ID、对应数据驱动和数据源地址。
所述数据采集模块，通过OPC协议读取所述OPC服务器采集的实时数据，并根据所述数据采集配置模块的配置，完成数据采集任务。具体工作方法如图3所示。
步骤1，加载数据采集配置模块内容，包括数据驱动和设备驱动、设备集合以及数据源集合；
步骤2，根据步骤1中加载的设备属性集合，构建与之一一对应的设备对象实例，设备对象实例中包括对应的采集任务。
步骤3，将所有设备对象实例的采集任务加入任务注册器；
步骤4，执行采集任务，获得采集数据。具体包括：
步骤41，开启设备线程，检测采集任务；
步骤42，判断采集任务的触发形式；
步骤43，若是定时触发采集任务，则循环检测任务注册器中的采集任务有没有到采集周期时间，将到达采集周期的采集任务推入线程池；
步骤44，若是变化触发采集任务，则等待直至数据变化后将采集任务推入线程池；
步骤45，线程池采用生产者-消费者的设计模式，步骤43和步骤44是任务的生产者，线程池中的消费者执行采集任务，获得数据。
在线修改配置的方法。如图4所示，具体如下：
步骤1：暂停需要修改的设备任务注册器，线程池就不会收到该设备的采集任务推送；
步骤2：修改配置内容，并进行修改后的配置内容校验，保证配置内容符合数据采集配置模块的配置要求；若校验不合格，则重新修改配置内容。
步骤3：判断以设备名称构建的设备容器是否存在，若不存在则根据配置内容创建新的设备容器；
步骤4：更新采集任务至任务注册器；
步骤5：从起任务注册器，设备线程继续检测采集任务，完成数据采集内容。
所述数据缓存模块，将所述数据采集单元获得的数据以结构化的方式保存在本地缓存中。该模块采用key-value的方式，将不同设备采集的同种类的数据以种类为key值，以采集的实时数据为value值进行缓存。其目的在于，将同种类型的数据汇总起来，在存入数据库时，减少对同一张数据表的操作过程，简化了数据库访问的过程及开销，降低了系统异步访问数据库时产生错误的风险。同时，避免数据在存储过程中，出现网络异常而导致的数据丢失。
所述数据库操作模块，将数据缓存模块中的数据以SQL语句的形式，通过对数据库的访问接口，实现数据持久化存储。
以上的实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (11)

1.一种面向工业设备的可配置数据采集系统，其特征在于，包括：
生产设备通过工业总线与控制单元相连，所述控制单元与数据采集单元之间有OPC服务器；所述数据采集单元还连接数据库；
所述OPC服务器用于采集所述控制单元传递的所述生产设备的实时数据；所述数据采集单元根据配置按要求获取实时数据经缓存后存入数据库；所述数据库，用于数据持久化存储。
2.根据权利要求1所述的面向工业设备的可配置数据采集系统，其特征在于：
所述数据采集单元包括数据采集配置模块、数据采集模块、数据缓存模块以及数据库操作模块。
3.根据权利要求2所述的面向工业设备的可配置数据采集系统，其特征在于：所述数据采集配置模块包括驱动集配置、设备集配置和数据源配置，通过自定义配置数据驱动、设备属性、数据源集，实现可配置化的数据采集。
4.根据权利要求3所述的面向工业设备的可配置数据采集系统，其特征在于：所述数据驱动由数据采集协议对应的数据接口实现；所述数据驱动以动态链接库DLL的形式加载；所述设备驱动包括不同设备需要采集的数据方法属性。
5.根据权利要求3所述的面向工业设备的可配置数据采集系统，其特征在于：所述设备集包括所述设备属性，所述设备属性包括采集设备名称、对应的设备驱动和采集任务；所述采集任务定义为采集方法、采集的频率、采集的触发形式以及应用标识设置；所述数据源集，用于指定在OPC服务器中配置的数据节点，包括数据源ID、对应数据驱动、数据源地址。
6.根据权利要求2所述的面向工业设备的可配置数据采集系统，其特征在于：所述数据采集模块通过OPC协议读取所述OPC服务器采集的实时数据，并根据所述数据采集配置模块的配置，定时定量地将读取的数据放入所述数据缓存模块。
7.根据权利要求2或6所述的面向工业设备的可配置数据采集系统，其特征在于：所述数据缓存模块将所述数据采集模块获得的数据以结构化的方式保存在本地缓存中；所述数据缓存模块采用key-value的方式，将不同设备采集的同种类的数据以种类为key值，以采集的实时数据为value值进行缓存。
8.根据权利要求2所述的面向工业设备的可配置数据采集系统，其特征在于：所述数据库操作模块，将数据缓存模块中的数据以SQL语句的形式，通过对数据库的访问接口，实现数据持久化存储。
9.一种面向工业设备的可配置数据采集方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，加载数据采集配置模块内容，包括数据驱动和设备驱动、设备集合以及数据源集合；
步骤2，根据步骤1中加载的设备属性集合，构建与之一一对应的设备对象实例，设备对象实例中包括对应的采集任务。
步骤3，将所有设备对象实例的采集任务加入任务注册器；
步骤4，执行采集任务，获得采集数据。
10.根据权利要求9所述的面向工业设备的可配置数据采集方法，其特征在于，步骤4进一步包括：
步骤41，开启设备线程，检测采集任务；
步骤42，判断采集任务的触发形式；
步骤43，若是定时触发采集任务，则循环检测任务注册器中的采集任务有没有到采集周期时间，将到达采集周期的采集任务推入线程池；
步骤44，若是变化触发采集任务，则等待直至数据变化后将采集任务推入线程池；
步骤45，线程池采用生产者-消费者的设计模式，步骤43和步骤44是任务的生产者，线程池中的消费者执行采集任务，获得数据。
11.一种面向工业设备的可配置数据采集系统配置修改方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：暂停需要修改的设备任务注册器，线程池就不会收到该设备的采集任务推送；
S2：修改配置内容，并进行修改后的配置内容校验，保证配置内容符合数据采集配置模块的配置要求；
S3：判断以设备名称构建的设备容器是否存在，若不存在则根据配置内容创建新的设备容器；
S4：更新采集任务至任务注册器；
S5：重启任务注册器，设备线程继续检测采集任务，完成数据采集内容。
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