CN114859831B - 应用于边缘计算的工业过程数据累计计算及报表生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及工业过程控制领域的基于过程控制器或边缘计算控制器件的过程检测值累计量的计算、及报表生成技术，具体涉及工业过程控制中的过程测量值如流量、位移、物料等累计量计算和报表生成。应用于边缘计算的工业过程数据累计计算及报表生成方法，包括：步骤一：在边缘计算设施中将对累计量的计算划分为采样周期、积分周期、计算周期、报表生成周期。步骤二：在边缘计算设施中在每个采样周期通过控制器的IO域采集现场待累计的仪表数据信号Sk。步骤三：采用辛普森积分法计算本积分周期内的累计量值Vk_j。步骤四：在边缘计算设施中在每个计算周期内对积分计算的累计量Vkj。步骤五：形成当日基础报表数据。本发明提供了高效的、灵活的报表生成方式。
Description
技术领域
本发明涉及工业过程控制领域的基于过程控制器或边缘计算控制器件的过程检测值累计量的计算、及报表生成技术，具体涉及工业过程控制中的过程测量值如流量、位移、物料等累计量计算和报表生成。
背景技术
在工业过程控制领域，人们往往需要知道某种量值随着时间增长的累计值，如过去一小时的累计流量、过去一天的物料用量、过程工业产线当月的实际产量等，从而更好的提供给管理决策人员关于生产状况的有效信息。
现有的工业过程累计量计算以及相应报表生成通常采用基于就地仪表的累计量读取或者采用PLC、单片机等控制器件对就地仪表数据进行定时累加计算，然后以总累计量或者简单的EXCEL表格形式呈现。这种方式的弊端在于，由于累计量计算通常是采用根据实时值算出单位时间内的平均值然后用平均值乘以累计计算周期做累加，这样会产生两方面的误差：其一，在一个累加计算周期内采用平均值乘以时间长度来计算本周期的累加量所产生的积分误差；其二，长时间多次在对累加值做加法运算过程中采用浮点数加法所造成的浮点数累积舍入误差。目前，工业控制中常用的控制器普遍采用IEEE 754作为浮点数的存储格式，如图1所示。浮点数在运算过程中会产生舍入误差，如果在一系列运算中的一步或几步产生了舍入误差，在某些情况下，这个误差将会随着运算次数的增加而积累得很大，最终会导致很大的计算误差。经过测算，对浮点数0.1进行累计加法运算，当累加次数达到10万次时误差为0.958％，当累加次数达到1000万次时误差高达8.794％。因此，在用浮点数进行累加量计算时存在不可忽视的计算误差。
在目前工业控制器性能逐年提升以及大量边缘计算设备应用于工业控制领域的状况下，人们对计量值的精度、报表数据的准确性、可靠性提出了更高的要求，所以，设计一种高精度的累计量计算方式以及相应的高效、灵活的报表生成、呈现方法在工业过程控制领域显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的就是针对上述问题，提供应用于边缘计算的工业过程数据累计计算及报表生成方法。
本发明的目的是这样实现的：应用于边缘计算的工业过程数据累计计算及报表生成方法，包括以下步骤：
步骤一：在边缘计算设施中将对累计量的计算划分为采样周期、积分周期、计算周期、报表生成周期。
步骤二：在边缘计算设施中在每个采样周期通过控制器的IO域采集现场待累计的仪表数据信号Sk，每个信号存放在一个先进后出的数据队列中Qk，队列长度为2n＝积分周期/采样周期。
步骤三：在边缘计算设施中在每个积分周期对队列Qk中的信号Sk_i，i<＝2n采用辛普森积分法计算本积分周期内的累计量值Vk_j。定义在本积分周期内待累计信号关于时间的形式为s(t)，则对应累计量根据辛普森积分算法，精确的积分近似值为
步骤四：在边缘计算设施中在每个计算周期内对积分计算的累计量Vkj，j＝1,2,.../计算周期，采用以下浮点数误差消除算法进行累加运算，通过这样的算法设计基本消除了浮点数的计算误差；
Δ＝Δnew+λ
A＝Alast+λ
λ＝A-Alast+Δ
上式中，A为本计算周期需计算的累加运算值，Alast为本计算周期需计算的累加运算值在上一次积分周期运算后的计算值，Δnew为本计算周期中一次积分周期运算对应的累积量值，即对应步骤四中的Vkj，Δ为本计算周期中一次积分周期运算后应累加的增量值，即对Vkj的修正计算值，λ为本计算周期中自上次积分周期运算后对应的累加运算误差修正值。
步骤五：在边缘计算设施中根据控制器的小时时钟脉冲生成当天每小时的累计量数据，形成当日基础报表数据，通过双缓存设计，当一天基础报表数据计算完成将基础数据存入前日基础报表数据区，防止报表端可能存在的读取失误带来的数据损失。
为了保证累计量数据表在更新时不会因为报表端和控制器端由于通讯中断或者其它问题导致的数据不一致，报表端设计有快照功能，快照包含累计量日数据表的基础数据以及报表端读取事务的时间戳，快照主要用于跟踪累计量日数据表的合法更新，但不包括数据表的删除和创建。
本发明的有益效果是：本发明设计了一种应用于边缘计算的工业过程数据累计计算及报表生成方式，解决了在当下工业控制器性能提升显著以及大量边缘计算装置应用的场景下计算工业过程累计量的方式，本发明提供了严格的、可估计最大误差大小的高精度累计量计算方法，并且提供了高效的、灵活的报表生成方式。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
图1为当前的控制器的IEEE 754浮点数格式图。
图2为累计量计算时间周期图。
图3为本发明设计架构图。
具体实施方式
本发明的目主要是为了解决在当下工业控制器性能提升以及大量边缘计算装置应用的场景下，工业过程控制领域累计量计算以及相应报表生成技术中存在的上述问题而提出的一种高精度的、高效的、灵活的累计值计算及其报表生成的方法。
实现上述目的，本发明借助于现代工业控制器或者边缘计算装置的高速扫描周期，采集工业现场需要做累计计算的数据，如流量、位移等仪表信号，然后再对采集的待累计量信号进行积分运算和高精度累加运算计算出每个信号的报表基础数据，提供了以下的技术方案：
本发明的实现依赖于提出的以下基础概念：采样周期、积分周期、计算周期、报表生成周期(之间的关系如图2所示)。其中，采样周期用于控制器定时采集现场仪表数据，如流量、液位等，默认值定义为100ms；积分周期用于控制器在每个积分时间段计算可实时更新的累计量值，默认值定义为1s，需要注意的是积分周期必须是采样周期的2n倍；计算周期用于控制器以此为最小单位计算出生成累计量报表的基础数据，默认值定义为1h；报表生成周期则用于在报表端提供给用户的可查询的基础数据时段，默认定义了日、月、周、年。
边缘计算设施为PLC、包含嵌入式操作系统的处理器、嵌入式工业计算机等。
本发明包含控制器端和报表生成端两个部分的设计实现(如图3)，具体如下：
1.控制器端实现。工业过程控制通常包含有实现生产过程控制的控制器如PLC、单片机、DCS系统等以及当下大量应用的边缘计算装置。控制端的实现借助于控制器或者边缘计算装置的高速扫描周期采集工业现场需要做累计计算的数据，如流量、料位等仪表信号，然后再对采集的待累计量信号进行积分运算和高精度累加运算计算出每个信号的报表基础数据，具体包括如下步骤：
(1)将对累计量的计算划分为采样周期、积分周期、计算周期、报表生成周期。
(2)在每个采样周期通过控制器的IO域采集现场待累计的仪表数据信号Sk，每个信号存放在一个先进后出的数据队列中Qk，队列长度为2n＝积分周期/采样周期。
(3)在每个积分周期对队列Qk中的信号Sk_i(i<＝2n)采用辛普森积分法计算本积分周期内的累计量值Vk_j。定义在本积分周期内待累计信号关于时间的形式为s(t)，则对应累计量为
根据辛普森积分算法，精确的积分近似值为
通过引入辛普森积分算法极大的降低了在积分周期内通过平均值简单计算或者矩形积分算法以及梯形积分算法计算带来的积分误差。辛普森积分法的误差为O(1/n4)，随区间数目2n趋于零的速度更快。
(4)在每个计算周期内对积分计算的累计量Vkj(j＝1,2,...3600/计算周期)采用公式3进行累加运算，计算出小时累计量。通过这样的算法设计基本消除了浮点数的累加计算误差。
Δ＝Δnew+λ
A＝Alast+λ
λ＝A-Alast+Δ
公式3
(5)根据控制器的时钟脉冲生成当天每小时的累计量数据，形成基础报表数据，采用双缓存设计，当一天基础报表数据计算完成将基础数据存入前日基础报表数据区，防止报表端可能存在的读取失误带来的数据损失。
2.报表端实现。由以上的部分陈述，控制器提供了实时的(当前计算周期累计值实时刷新)报表基础数据，报表端通过订阅方式读取控制器的日数据表并将其存入或更新数据库可以形成基于日、周、月以及年的累计量数据报表。
控制器端设计的双缓存机制保证了在报表端系统故障或者服务宕机时有足够的系统恢复时间(最大恢复时间48小时)。另外，为了保证累计量数据表在更新时不会因为报表端和控制器端由于通讯中断或者其它问题导致的数据不一致，报表端设计有快照功能，快照包含累计量日数据表的基础数据以及报表端读取事务的时间戳，快照主要用于跟踪累计量基础报表数据的合法更新，但不包括数据表的删除和创建。
采样周期用于控制器定时采集现场仪表数据，积分周期用于控制器在每个积分时间段计算可实时更新的累计量值，积分周期必须是采样周期的2n倍，计算周期用于控制器以此为最小单位计算出生成累计量报表的基础数据。计算周期包含积分周期，积分周期包含采样周期，三个时间周期不能有相位差。
报表生成周期则用于在报表端提供给用户的可查询的基础数据时段，默认定义了日、月、周、年。
控制端实现包括数据采集模块、积分模块、基础计算模块(包含订阅、通知机制)；报表端实现包括通讯网关模块、数据库管理模块、报表呈现模块。
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
1.控制器端实现
控制器采用西门子S7-1500系列PLC，具体实现包含有为S7-1500配套的配电柜、供电回路以及信号采集模板。通过梯形图或者SCL语言编写数据采集模块(PeriodicSample)、积分模块(IntegralCalc)、基础计算模块(AccuBasis)以及数据发布模块(CommPub)。其中各个模块参数设置如下
数据采集模块(PeriodicSample)：在PLC定时中断OB(100ms)中读取仪表数据信号FT101，每次读取的信号存放在一个先进后出的数据队列中(Sk_1，Sk_2，…，Sk_10)。在本实施例中可设定采样周期为100毫秒，积分周期为1秒，计算周期为1小时，从而根据2n＝积分周期/采样周期计算队列长度为10，n＝5；
积分计算模块(IntegralCalc)：在控制器端的在每个积分周期，本实施例中积分周期为1秒，可根据具体信号设计合理的积分周期。对队列中的信号采用辛普森积分法计算本积分周期内的累计量值Vk_j。
基础数据计算模块(AccuBasis)：本实施例中计算周期为1小时，通常均可设定计算周期为1小时。在控制器端的每个计算周期，内对积分计算的累计量Vkj(j＝1,2,...3600)采用浮点数误差消除算法进行累加运算，根据控制器的小时时钟脉冲生成当天每小时的累计量数据，形成当日基础报表数据，通过双缓存设计，当一天基础报表数据计算完成将基础数据存入前日基础报表数据区，防止报表端可能存在的读取失误带来的数据损失。在本实施例中双缓存的存储结构采用S7-1500所支持的数据结构实现，若采用基于arm架构的处理器以及采用嵌入式linux或安卓系统也可考虑采用哈希表作为双缓存结构。
数据发布模块(CommPub)：考虑到系统兼容性，数据发布采用两种方式，一种基于传统的组态软件通讯，采用2次握手联络方式，控制器段准备好数据，通知服务器端，服务器端读取数据，告知控制器端；一种采用基于TCP/IP开放式通讯的SOCKET通讯方式，自定义数据帧以及订阅/发布机制。
2.报表端实现
报表端采用工业计算机，千兆以太网卡，考虑到实施的简单性可采用Wincc或者iFix作为开发软件，当然对于报表呈现较为严苛的场合也可考虑采用组建WEB服务器的方式。
报表端的实施考虑到不同硬件设施和基础软件设施(如操作系统差异、是否选用组态软件以及不同组态软件的差异)采用了3组可独立实现的模块，如下：
通讯网关模块：实现报表端对控制端基础报表数据区的采集工作，根据目标控制端的不同可以选择不同的基于TCP/IP的通讯协议，如西门子的S7协议、PROFINET协议或者MODBUS TCP协议。
数据库管理模块：在报表端通过通讯网关采集数据后将数据存入数据库。原则上一个项目采用一个数据库实例，具体的数据库可采用常见的关系型数据库比如，MSSQLSERVER、MYSQL、MARIADB、SQLITE、POSTGRESQL或者亦可通过组态软件提供的API存入其内部数据库。数据表采用一个累计量对应一个数据表的方式设计，在本实施方式中定义存储结构为27个基础数据组成的数据元组[id号,更新时间戳，0时段累计量，...23时累计量，数据日期。
报表呈现模块：报表端提供数据查询界面，通过提供的查询方式实现基于报表生成周期(默认定义了日、月、周、年)的累计量查询。
以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明所保护范围的结构特征并不限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围内。
Claims (2)
1.应用于边缘计算的工业过程数据累计计算及报表生成方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：在边缘计算设施中将对累计量的计算划分为采样周期、积分周期、计算周期、报表生成周期；
步骤二：在边缘计算设施中在每个采样周期通过控制器的IO域采集现场待累计的仪表数据信号Sk，每个信号存放在一个先进后出的数据队列中Qk，队列长度为2n＝积分周期/采样周期；
步骤三：在边缘计算设施中在每个积分周期对队列Qk中的信号Ski，i<＝2n采用辛普森积分法计算本积分周期内的累计量值Vkj，定义在本积分周期内待累计信号关于时间的形式为s(t)，则对应累计量根据辛普森积分算法，精确的积分近似值为
步骤四：在边缘计算设施中在每个计算周期内对积分计算的累计量Vkj，j＝1,2,.../计算周期，采用以下浮点数误差消除算法进行累加运算，通过这样的算法设计消除了浮点数的计算误差；
Δ＝Δnew+λ
A＝Alast+λ
λ＝A-Alast+Δ
上式中，A为本计算周期需计算的累加运算值，Alast为本计算周期需计算的累加运算值在上一次积分周期运算后的计算值，Δnew为本计算周期中一次积分周期运算对应的累积量值，即对应步骤四中的Vkj，Δ为本计算周期中一次积分周期运算后应累加的增量值，即对Vkj的修正计算值，λ为本计算周期中自上次积分周期运算后对应的累加运算误差修正值；
步骤五：在边缘计算设施中根据控制器的小时时钟脉冲生成当天每小时的累计量数据，形成当日基础报表数据，通过双缓存设计，当一天基础报表数据计算完成将基础数据存入前日基础报表数据区，防止报表端存在的读取失误带来的数据损失。
2.根据权利要求1所述的应用于边缘计算的工业过程数据累计计算及报表生成方法，其特征在于：为了保证累计量数据表在更新时不会因为报表端和控制器端由于通讯中断或者其它问题导致的数据不一致，报表端设计有快照功能，快照包含累计量日数据表的基础数据以及报表端读取事务的时间戳，快照主要用于跟踪累计量日数据表的合法更新，但不包括数据表的删除和创建。
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| GR01 | Patent grant | ||
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