CN114488970B - 一种快速数据采集的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速数据采集的系统及方法。为了克服现有技术事故追忆长时间等待回放的要问题；本发明的系统包括：IO模块，以设定的采样周期采集模拟量数据或开关量数据；控制器，以固定周期向各IO模块分别发送重置定时器的脉冲同步信号和含有同步号的广播数据；接收并按时间顺序整理IO模块采集得到的带有时间标签的数据；上位机，解析每个采样点的历史数据，绘制趋势曲线。通过分包发送，支持更多的快速采样点，并且不会给IO总线和网络带来大负荷。所有历史数据能直接实时显示在趋势曲线，选择时间段任意跳转，观察历史数据，并且可以根据需要自由选择趋势上采样点的时间间隔，灵活满足不同的使用需求。

Description

一种快速数据采集的系统及方法
技术领域
本发明涉及一种数据采集领域，尤其涉及一种快速数据采集的系统及方法。
背景技术
对于开关量数据，现有DCS系统常用的SOE(Sequence Of Even，事件顺序记录)功能，能够在开关量信号发生翻转时，以文字形式在软件上产生事件记录，分辨率一般能达到1ms以内。对于模拟量数据，现有方法通常只能以较大的周期进行显示。
例如，一种在中国专利文献上公开的“一种实现快速数据采集的方法”，其公告号CN102413035B，工艺步骤为：对PLC数据缓冲池内的数据进行基本数据类型的压缩；利用PLC控制程序的功能块，首先开辟两块固定大小的数据缓冲区，两个网络通路，用于保存PLC一侧10ms快速变化数据；采用系统功能块AG-SEND对缓冲区内的数据发送到接收端，当程序写完第一组信息采样值后，就完成了整个数据块的数据采集、存储，这时调用发送程序AG-SEND，将数据块发送给快速数据接收端；开发专用服务，通过以太网接收PLC周期发送的数据包。
该方法可实现10ms的快速数据采集需求，但只支持少量采样点。通过数据回放的方式显示采样数据，即先选定回放数据的时间段，然后按采样周期将数据逐个回放，每次仅能显示单个采样点的单个历史数据。如果是12小时的历史数据，不能随时跳转到某一时刻，需要从头开始进行回放，可以加速回放但仍然会耗费大量时间。
发明内容
本发明主要解决现有技术事故追忆长时间等待回放的要问题；提供一种快速数据采集的系统及方法，所有采样历史数据可以实时显示在趋势曲线上，在进行事故追忆时，通过趋势直观地对发生事故时各通道信号值进行回溯，直接输入时间段即可跳转，无需长时间等待回放。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种快速数据采集的系统，包括：
IO模块，以设定的采样周期采集模拟量数据或开关量数据；
IO总线，向IO模块传递脉冲同步信号和含有同步号的广播数据；向控制器传递IO模块采集得到的带有时间标签的数据；
控制器，以固定周期向各IO模块分别发送重置定时器的脉冲同步信号和含有同步号的广播数据；接收并按时间顺序整理IO模块采集得到的带有时间标签的数据；
以太网，向上位机分包发送控制器接收整理的历史数据；
上位机，解析每个采样点的历史数据，绘制趋势曲线。
本方案通过分包发送，支持更多的快速采样点，并且不会给IO总线和网络带来大负荷。所有历史数据能直接实时显示在趋势曲线，并且可以根据需要自由选择趋势上采样点的时间间隔。即4ms的采样点，可以按照4ms取点显示精确趋势，也可以按照1秒取点显示整体趋势，灵活满足不同的使用需求。可以选择时间段任意跳转，观察历史数据，且历史数据文件可以随时拷贝到其它计算机查看。
作为优选，所述的IO模块包括开关量输入模块和模拟量输入模块。模拟量输入模块采样周期支持4ms/10ms/20ms/100ms灵活配置；开关量输入模块的采样周期为0.5ms；IO模块具有更快的数据采样周期，满足工业上更高的需求。
作为优选，所述的IO模块冗余设置。保证采集点的采集可靠度。
作为优选，所述的开关量输入模块在通道信号产生翻转时，记录同步号、相对变化时间和状态；状态包含通道号和电平值。数据上送周期为100ms，每次上送的数据量取决于100ms内DI(开关量输入)通道翻转的次数。
作为优选，所述的模拟量输入模块以固定的上送周期通过IO总线将上送周期内所有的历史数据合包上送，并为每次定时器重置后的历史数据包编号，根据历史数据包的编号计算相对定时器重置时的相对时间。取同步号对应的绝对时间，再加上相对变化时间获得最终的绝对时间。
一种快速数据采集的方法，包括以下步骤：
S1：控制器以固定周期向各IO模块分别发送重置定时器的脉冲同步信号和含有同步号的广播数据，同步IO模块的时钟；
S2：IO模块以设定的采样周期采集模拟量数据或开关量数据，通过IO总线将数据发送到控制器；
S3：控制器接收并按时间顺序整理IO模块采集得到数据，通过以太网分包上传到上位机；
S4：上位机解析每个采样点的历史数据，绘制趋势曲线。
本方案通过分包发送，支持更多的快速采样点，并且不会给IO总线和网络带来大负荷。所有历史数据能直接实时显示在趋势曲线，并且可以根据需要自由选择趋势上采样点的时间间隔。可以选择时间段任意跳转，观察历史数据，且历史数据文件可以随时拷贝到其它计算机查看。
作为优选，所述的步骤S1具体包括重置同步过程和广播同步过程；
重置同步过程包括：
控制器向所有IO模块发送周期为1s的秒脉冲同步信号，并记录一个同步号和当前的绝对时间；
IO模块接收到秒脉冲同步信号后进入中断，重置自身的定时器；
广播同步过程包括：
控制器每25ms通过IO总线发送含有当前同步号的广播数据；
IO模块接收广播数据后更新自身同步号，上送带有时间标签的采样数据；
控制器接收时间标签后，计算最终的绝对时间。
保证了同一机架上的不同IO模块的定时器同步运行。
作为优选，所述的时间标签包括同步号和相对变化时间；相对变化时间的取值范围为0-1000ms；计算最终绝对时间时，取同步号对应的绝对时间，再加上相对变化时间获得最终的绝对时间。计算每个数据包对应的时间。
作为优选，所述的IO模块的数据上送周期为100ms；IO模块通过IO总线每次将上送周期内所有第一历史数据合包上送；第一历史数据包的编号为0到9反复循环，第一历史数据包对应的相对变化时间为编号乘以上送周期。计算每个数据包对应的时间。
作为优选，控制器按时间顺序排序整理后发送给上位机的第二历史数据包包含历史数据的起始时间、各类型采样点的数量、帧序号和总帧数信息；上位机根据第二历史数据包内的当前帧序号和总帧数，确认接收完所有数据帧后，解析每个采样点的历史数据并绘制趋势曲线。历史数据文件保存到计算机硬盘，文件可以随时拷贝并在其它计算机中打开。
本发明的有益效果是：
1.通过分包发送，支持更多的快速采样点，并且不会给IO总线和网络带来大负荷。
2.所有历史数据能直接实时显示在趋势曲线，并且可以根据需要自由选择趋势上采样点的时间间隔，灵活满足不同的使用需求。
3.选择时间段任意跳转，观察历史数据，且历史数据文件可以随时拷贝到其它计算机查看。
附图说明
图1是本发明的数据采集系统结构示意图。
图2是本发明的数据采集方法流程图。
图中，1.开关量输入模块，2.模拟量输入模块，3.控制器，4.上位机。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
本实施例的一种快速数据采集的系统，如图1所示，包括依次连接的IO模块、IO总线、控制器3、以太网和上位机4。
其中，IO模块包括若干的开关量输入模块1(DI模块)和模拟量输入模块2(AI模块)。为了数据采集的可靠，在本实施例中，IO模块冗余设置。
上位机4通过以太网与若干的控制器3通讯连接，控制器3通过IO总线与若干的IO模块连接。
IO模块以设定的采样周期采集模拟量数据或开关量数据。
在本实施例中，模拟量输入模块2采样周期支持4ms/10ms/20ms/100ms灵活配置，单个控制器可支持64个4ms的采样点，总共支持400个快速采样点，可以满足各现场的需求。
模拟量输入模块2的数据上送周期为100ms，通过IO总线每次将周期内所有历史数据合包上送，即如果采样周期为4ms则每次上送25个历史数据。数据包序号为0到9反复循环，如果为5则表示相对变化时间为5*100ms＝500ms。
开关量输入模块1在通道信号产生翻转时，即会记录同步号、相对变化时间、状态(包含通道号和电平值等)，相对变化时间分辨率达到0.5ms。数据上送周期为100ms，每次上送的数据量取决于100ms内DI通道翻转的次数。
控制器3以固定周期向各IO模块分别发送重置定时器的脉冲同步信号和含有同步号的广播数据；接收并按时间顺序整理IO模块采集得到的带有时间标签的数据。
上位机4解析每个采样点的历史数据，绘制趋势曲线。
IO模块的所有采样历史数据可以实时显示在趋势曲线上，在进行事故追忆时，可以通过趋势直观地对发生事故时各通道信号值进行回溯，直接输入时间段即可跳转，无需长时间等待回放。
本实施例的一种快速数据采集的方法，如图2所示，包括以下步骤：S1：控制器以固定周期向各IO模块分别发送重置定时器的脉冲同步信号和含有同步号的广播数据，同步IO模块的时钟。
同步IO模块的时钟具体包括重置同步过程和广播同步过程；
重置同步过程包括：
控制器向所有IO模块发送周期为1s的秒脉冲同步信号，并记录一个同步号和当前的绝对时间；例如：同步号59对应9月9日15时30分20秒。
IO模块接收到秒脉冲同步信号后进入中断，重置自身的定时器。
这样就保证了同一机架上的不同IO模块的定时器同步运行。
广播同步过程包括：
控制器每25ms通过IO总线发送含有当前同步号的广播数据。
IO模块接收广播数据后更新自身同步号，上送带有时间标签的采样数据。
时间标签包括同步号和相对变化时间；相对变化时间为相对定时器重置后的变化时间，由于定时器根据秒脉冲同步信号重置，相对变化时间的取值范围为0-1000ms。
控制器接收时间标签后，计算最终的绝对时间。计算最终绝对时间时，取同步号对应的绝对时间，再加上相对变化时间获得最终的绝对时间。
S2：IO模块以设定的采样周期采集模拟量数据或开关量数据，通过IO总线将数据发送到控制器。
IO模块的数据上送周期为100ms。IO模块给控制器发送第一历史数据包(包含0到9的编号)。
IO模块通过IO总线每次将上送周期内所有第一历史数据合包上送；第一历史数据包的编号为0到9反复循环，第一历史数据包对应的相对变化时间为编号乘以上送周期。例如编号为5则表示相对变化时间为5*100ms＝500ms。
S3：控制器接收并按时间顺序整理IO模块采集得到数据，通过以太网分包上传到上位机。
控制器按时间顺序排序整理后发送给上位机第二历史数据包(包含帧序号和总帧数)。
控制器接收并整理不同采样周期的AI模块和DI模块的第一历史数据包，通过以太网每次给上位机发送共500ms的第二历史数据包。
历史数据量比较大，控制器将历史数据分成多包进行发送。数据包内还包含历史数据的起始时间、各类型快速采样点的数量、帧序号和总帧数等信息。
为了避免给以太网上带来巨大负荷，控制器采取每周期分包上送共500ms历史数据的方式进行发包。
控制器接收不同采样周期的AI模块、DI模块数据的时刻各不相同，接收数据后需要将历史数据按时间顺序排序，一共缓存1秒的历史数据。0号数据包在最前面，例如采样周期为20ms时，如表1所示，0号数据包里的5个数据存放在0到4，1号数据包里的5个数据存放在5到9。如果控制器接收到大于等于6的数据包序号，则认为0到4号数据包已经接收完毕，此时打包上送给上位机，可以确保历史数据的可靠性。
表1.控制器缓存历史数据表
0 1 2 …… 49 50 51 …… 249
4ms √ √ √ …… √ √ √ …… √
20ms √ √ √ …… √ / / …… /
S4：上位机解析每个采样点的历史数据，绘制趋势曲线。
上位机根据数据包内的“当前帧序号”和“总帧数”，确认接收完所有数据帧后，解析每个快速采样点的历史数据并绘制趋势曲线。历史数据文件保存到计算机硬盘，文件可以随时拷贝并在其它计算机中打开。
本实施例的方案支持更多的快速采样点，并且不会给IO总线和网络带来大负荷。所有历史数据能直接实时显示在趋势曲线，并且可以根据需要自由选择趋势上采样点的时间间隔。即4ms的采样点，可以按照4ms取点显示精确趋势，也可以按照1秒取点显示整体趋势，灵活满足不同的使用需求。可以选择时间段任意跳转，观察历史数据，且历史数据文件可以随时拷贝到其它计算机查看。
应理解，实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种快速数据采集的系统，其特征在于，包括：
IO模块，以设定的采样周期采集模拟量数据或开关量数据；
IO总线，向IO模块传递控制器发送的脉冲同步信号和含有同步号的广播数据；向控制器传递IO模块发送的带有时间标签的采样数据的第一历史数据包；
控制器，以固定周期向各IO模块分别发送重置定时器的脉冲同步信号和含有同步号的广播数据；接收并按时间顺序整理IO模块采集得到的带有时间标签的数据；
以太网，向上位机分包发送控制器接收整理的第二历史数据包；
上位机，解析第二历史数据包中每个采样点的历史数据，绘制趋势曲线；
所有采样历史数据实时显示在趋势曲线上，在进行事故追忆时，通过趋势曲线直观地对发生事故时各通道信号值进行回溯，直接输入时间段即可跳转。
2.根据权利要求1所述的一种快速数据采集的系统，其特征在于，所述的IO模块包括开关量输入模块和模拟量输入模块。
3.根据权利要求1或2所述的一种快速数据采集的系统，其特征在于，所述的IO模块冗余设置。
4.根据权利要求2所述的一种快速数据采集的系统，其特征在于，所述的开关量输入模块在通道信号产生翻转时，记录同步号、相对变化时间和状态；状态包含通道号和电平值。
5.根据权利要求2所述的一种快速数据采集的系统，其特征在于，所述的模拟量输入模块根据设定的采样周期完成所有通道的信号采样后，以固定的上送周期通过IO总线将上送周期内所有的历史数据合包上送，并为每次定时器重置后的历史数据包编号，根据历史数据包的编号计算相对定时器重置时的相对时间。
6.一种快速数据采集的方法，采用如权利要求1~5中任意一项所述的一种快速数据采集的系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1：控制器以固定周期向各IO模块分别发送重置定时器的脉冲同步信号和含有同步号的广播数据，同步IO模块的时钟；
S2：IO模块以设定的采样周期采集模拟量数据或开关量数据，通过IO总线将数据发送到控制器；
S3：控制器接收并按时间顺序整理IO模块采集得到的数据，通过以太网分包上传到上位机；
S4：上位机解析每个采样点的历史数据，绘制趋势曲线。
7.根据权利要求6所述的一种快速数据采集的方法，其特征在于，所述的步骤S1具体包括重置同步过程和广播同步过程；
重置同步过程包括：
控制器向所有IO模块发送周期为1s的秒脉冲同步信号，并记录一个同步号和当前的绝对时间；
IO模块接收到秒脉冲同步信号后进入中断，重置自身的定时器；
广播同步过程包括：
控制器每25ms通过IO总线发送含有当前同步号的广播数据；
IO模块接收广播数据后更新自身同步号，上送带有时间标签的采样数据；
控制器接收时间标签后，计算最终的绝对时间。
8.根据权利要求7所述的一种快速数据采集的方法，其特征在于，所述的时间标签包括同步号和相对变化时间；相对变化时间的取值范围为0-1000ms；计算最终绝对时间时，取同步号对应的绝对时间，再加上相对变化时间获得最终的绝对时间。
9.根据权利要求7或8所述的一种快速数据采集的方法，其特征在于，所述的IO模块的数据上送周期为100ms；IO模块通过IO总线每次将上送周期内所有第一历史数据合包上送；第一历史数据包的编号为0到9反复循环，第一历史数据包对应的相对变化时间为编号乘以上送周期。
10.根据权利要求9所述的一种快速数据采集的方法，其特征在于，控制器按时间顺序排序整理后发送给上位机的第二历史数据包包含历史数据的起始时间、各类型采样点的数量、帧序号和总帧数信息；上位机根据第二历史数据包内的当前帧序号和总帧数，确认接收完所有数据帧后，解析每个采样点的历史数据和对应的采样时间并绘制趋势曲线。
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