CN117311300B - 分散控制系统动态调整采样频率的方法、装置及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电数字数据处理技术领域，具体公开了一种分散控制系统动态调整采样频率的方法、装置及电子设备，通过获取紧急通信报文；根据紧急通信报文，触发采样窗口进行采样，通过傅里叶变换计算紧急通信频率；根据计算紧急通信频率，修改采样频率；根据采样频率判断是否有新的紧急通信报文；根据判断结果，若有新的紧急通信报文，则重新触发采样窗口进行采样，计算紧急通信频率；若没有新的紧急通信报文，则恢复正常采样频率。该方法通过使控制器上报紧急通信，后台软件在固定窗口中分析紧急通讯频率，通过傅里叶变换的算法计算出采样频率，在确保工业工况数据不丢失的前提下，最大限度的减少系统开销，提升采样效率。

Description

分散控制系统动态调整采样频率的方法、装置及电子设备

技术领域

本发明属于分散控制系统电数字数据采样处理技术领域，涉及一种分散控制系统后台动态调整采样频率的方法、装置及电子设备。

背景技术

在分散控制系统中，部分控制器采用主动变位上送的采样机制，也有控制器采用被动等待上位机采样查询的方式进行数据处理。当控制器采用被动等待的方式时，有可能导致突发的数据变位没有被采集到，进而导致数据丢失。被动控制器可以采用紧急通信的方式进行补救，防止数据丢失，但是如果出现大量的短期内的数据突变，会导致控制器发送大量的紧急通信，进而提高控制器的负荷率以及网络负荷率。

如果仅是提高采样频率，会造成系统负荷成比例的上升，但是大部分情况下是对计算资源和网络负荷的浪费。因此，上位机需要可以通过控制器反馈的信息，动态调整数据采样频率，减少紧急通信带来的控制器和网络的负荷。因此，亟需提供一种分散控制系统后台判断当前采样频率是否满足实际工业状况的方法。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种分散控制系统后台动态调整采样频率的方法，解决被动型控制器因采样频率不足导致的工业控制数据丢失的问题。该方法通过采样频率的动态调整达到采样效率最优的目标，为系统稳定高效运行提供保障；通过使控制器上报紧急通信，后台软件在固定窗口中分析紧急通讯频率；通过基于傅里叶变换的算法计算出采样频率，在确保工业工况数据不丢失的前提下，最大限度的减少系统开销，提升采样效率。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

根据本发明的一个方面，提供了一种分散控制系统动态调整采样频率的方法，包括：

获取紧急通信报文；

根据所述紧急通信报文，触发采样窗口进行采样，通过傅里叶变换计算紧急通信频率；

根据所述紧急通信频率，修改采样频率；

根据所述采样频率判断是否有新的紧急通信报文；

根据判断结果，若有新的紧急通信报文，则重新触发采样窗口进行采样，计算紧急通信频率；若没有新的紧急通信报文，则恢复正常采样频率。

优选的，获取置信紧急通信报文通过配置文件的方式设置参数。

优选的，所述参数包括时间窗口长度、紧急事件触发门限、采样频率提升系数、频率调整时长和默认采样频率。

优选的，触发采样窗口进行采样，包括按照默认采样频率进行采样，当第一次有紧急通信报文上报时，启动定时器，设定定时时长，在该定时时长范围内，如果累计紧急通信报文的次数大于紧急事件触发门限，则触发动态调频流程。

优选的，计算紧急通信频率，包括：

将时间窗口长度范围内的数据采集作为长度序列，按照插值算法以时间顺序进行插值，按照时间粒度对长度序列进行插值，插值按照序列上一个值进行插值；

插值完成后得到长度序列的总采样数，同时按照间隔生成时间序列，时间序列和长度序列的样本数量一致；

通过傅里叶变换计算得到长度序列的离散频率的幅值，取长度序列的离散频率的幅值的第二高幅值对应的频率作为紧急通信频率。

优选的，按照100ms的时间粒度进行插值；按照100ms间隔生成时间序列。

优选的，修改采样频率，包括：

在频率调整时长的时间长度内，未出现任何紧急通信报文，则调整采样频率回到默认采样频率，否则重新刷新等待频率调整时长的时间长度；

如果依旧频繁出现紧急通信报文，则重复触发采样窗口进行采样。

本发明另一方面，提供了一种分散控制系统动态调整采样频率的装置，包括：

获取模块，用于实时采集置信紧急通信报文；

触发模块，用于根据所述置信紧急通信报文，触发采样窗口进行采样；

计算模块，用于根据采样窗口实时采集的紧急通信报文，通过傅里叶变换计算紧急通信频率；

修改模块，用于根据所述计算模块得到的紧急通信频率，修改采样频率；

判断模块，用于利用所述采样频率判断是否有新的紧急通信报文，动态调整采样频率。

本发明再一方面，提供了一种电子设备，包括处理器以及存储器；

所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令；

所述处理器用于调用存储于所述存储器中的程序，以执行所述分散控制系统后台动态调整采样频率的方法。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

1.本发明通过紧急通信采样和傅里叶变换技术，实现了对于特殊工况场景下，短时间内开关量快速跳变，大量依赖紧急通信采样导致紧急通信通道拥塞的优化，减少紧急通信导致的时序和计算开销。

2.本发明通过判断最优的采样频率，减少高优先级消息对控制器的系统开销的影响，降低CPU和网络负荷率。

3.本发明通过计算结果修改采样频率，实现了采样频率的动态控制。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明方法流程框图；

图2（a）、图2（b）为傅里叶FFT变换后的计算结果；

图3为本发明实施例示出的一种分散控制系统后台动态调整采样频率装置示意图；

图4为本发明实施例示出的电子设备结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明实施例提供的一种分散控制系统动态调整采样频率的方法，包括以下步骤：

S1，获取紧急通信报文。

用户通过配置文件的方式，设置如下的参数：时间窗口长度W，紧急事件触发门限x，采样频率提升系数y，频率调整时长Time t和默认采样频率f1。

控制器遇到采样周期内突发的数值跳变和频繁跳变等场景，通过紧急通信方式将信息发给scada程序。

S2，根据紧急通信报文，触发采样窗口进行采样，计算紧急通信频率。

后台在时间窗口长度W范围内连续收到紧急通信时间数量大于紧急事件触发门限x的情况下，触发动态调整采样频率的流程。系统按照默认采样频率f1进行采样，当第一次有紧急通信事件上报时，启动定时器，设定定时时长，在该定时时长范围内如果累计紧急通信事件的次数大于紧急事件触发门限x，则触发动态调频流程。

触发动态调频流程后，将时间窗口长度W范围内的数据（常规采集数据和紧急信息采集数据合并后）采集作为长度序列a，按照插值算法以时间顺序进行插值，按照100ms的时间粒度对长度序列a进行插值，得到时间窗口长度W序列内的数据时间间隔均为100ms，插值按照序列上一个值进行插值。

插值完成后得到长度序列a的总采样数N，同时按照100ms的间隔生成时间序列t，时间序列t和长度序列a的样本数量一致。

按照快速傅里叶变换FFT计算长度序列a的离散频率的幅值：

，

式中，X(k)表示频域中的第k个离散频率的幅值，X(n)表示长度序列a时域信号的第n个采样点，N表示总采样数，i表示虚数单位。

得到长度序列a按照标准快速傅里叶变换FFT计算的离散频率的幅值，即数学表示为幅度和相位的复数序列，设离散频率的幅值第一高的频率为信号的常规频率，幅值第二高的频率即紧急通信的信号频率，取离散频率幅值的第二高幅值对应的频率作为紧急通信频率f2，预计计算结果示例如图2（b）所示，得到频域的曲线。从图2（a）、图2（b）对比可知，紧急消息的开销大幅度减少。

S3，根据计算的紧急通信频率，修改采样频率。

将紧急通信频率f2×4作为新的采样频率。

S4，根据采样频率判断是否有新的紧急通信报文。

根据判断结果，若有新的紧急通信报文，则重新触发采样窗口进行采样，计算紧急通信频率；若没有新的紧急通信报文，则恢复正常采样频率。

在频率调整时长Time t的时间长度内，未出现任何紧急通信事件，则调整采样频率回到默认采样频率f1，否则重新等待频率调整时长Time t的时间长度。

如果依旧频繁出现紧急通信事件，则重复流程S2-S3。

以下通过具体以下结果来进一步说明本发明。

按照示例图2（a）和图2（b）的对比结果来看，在该次15s的采样窗中，实际开关量波形存在12次信号跳变，按照默认采样周期1s的话，预计只能采集到4-6次信号跳变，剩余6-8次信号需要依靠紧急消息传输结果。经过动态采样频率调整以后，采样频率提升到3Hz，可以采集到其中10次跳变，仅2次需要依靠紧急消息传输跳变结果，紧急消息的开销减少3倍。

通过快速傅里叶FFT变换，计算长度序列的离散频率的幅值X(k)，以100ms作为采样间隔，则频率为10Hz，傅里叶变换计算后的每个点的频率为：（n-1）*Fs/N；样本量总采样数N为150个，换算到傅里叶变化后的每个点的频率间隔是1/15Hz。如果X(k)的幅值为0，就说明该频率在信号中的贡献很小，X(k)的值越大，频率对信号的影响越大。可以将幅值较高的正弦信号提取出来，遇到跳变的概率更高一些。可以减少紧急消息的开销，待现场特殊工况结束后，可以自动将采样频率恢复正常，有助于降低整体的采样开销。

如图3所示，本发明提供了一种分散控制系统后台动态调整采样频率的装置100，用于实现分散控制系统后台动态调整采样频率的方法，包括：

获取模块110，用于实时采集置信紧急通信报文；

触发模块120，用于根据置信紧急通信报文，触发采样窗口进行采样；

计算模块130，用于根据采样窗口实时采集的紧急通信事件，计算紧急通信频率；

修改模块140，用于根据计算模块得到的紧急通信频率，修改采样频率；

判断模块150，用于利用采样频率判断是否有新的紧急通信报文，动态调整采样频率。

如图4所示，本发明提供了一种电子设备200，用于实现分散控制系统后台动态调整采样频率的方法，包括：采集卡210、存储器220、通讯总线230和处理器240。

该计算机设备包括处理器240以及存储器220，所述存储器220用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器240用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可以是中央处理单元 (Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor、DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于实现一种分散控制系统动态调整采样频率方法的操作。

本发明在一个实施例中，一种分散控制系统动态调整采样频率的方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读存储介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。

计算机存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或数据存储设备，包括但不限于磁性存储器(例如软盘、硬盘、磁带、磁光盘(MO)等)、光学存储器(例如CD、DVD、BD、HVD等)、以及半导体存储器(例如ROM、EPROM、EEPROM、非易失性存储器(NANDFLASH)、固态硬盘(SSD))等。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种分散控制系统动态调整采样频率的方法，其特征在于，包括：

获取紧急通信报文；

根据所述紧急通信报文，触发采样窗口进行采样，通过傅里叶变换计算紧急通信频率；

触发采样窗口进行采样，包括按照默认采样频率进行采样，当第一次有紧急通信报文上报时，启动定时器，设定定时时长，在该定时时长范围内，如果累计紧急通信报文的次数大于紧急事件触发门限，则触发动态调频流程；

通过傅里叶变换计算紧急通信频率，包括：

将时间窗口长度范围内的数据采集作为长度序列，按照插值算法以时间顺序进行插值，按照时间粒度对长度序列进行插值，插值按照序列上一个值进行插值；

插值完成后得到长度序列的总采样数，同时按照间隔生成时间序列，时间序列和长度序列的样本数量一致；

通过傅里叶变换计算得到长度序列的离散频率的幅值，取长度序列的离散频率的幅值的第二高幅值对应的频率作为紧急通信频率；

根据所述紧急通信频率，修改采样频率；

修改采样频率，包括：

在频率调整时长的时间长度内，未出现任何紧急通信报文，则调整采样频率回到默认采样频率，否则重新刷新等待频率调整时长的时间长度；

如果依旧频繁出现紧急通信报文，则重复触发采样窗口进行采样；

根据所述采样频率判断是否有新的紧急通信报文；

根据判断结果，若有新的紧急通信报文，则重新触发采样窗口进行采样，计算紧急通信频率；若没有新的紧急通信报文，则恢复正常采样频率。

2.根据权利要求1所述的分散控制系统动态调整采样频率的方法，其特征在于，获取置信紧急通信报文通过配置文件的方式设置参数。

3.根据权利要求2所述的分散控制系统动态调整采样频率的方法，其特征在于，所述参数包括时间窗口长度、紧急事件触发门限、采样频率提升系数、频率调整时长和默认采样频率。

4.根据权利要求1所述的分散控制系统动态调整采样频率的方法，其特征在于，按照100ms的时间粒度进行插值；按照100ms间隔生成时间序列。

5.根据权利要求1所述的分散控制系统动态调整采样频率的方法，其特征在于，按照快速傅里叶变换计算长度序列的离散频率的幅值：

，

式中，X(k)表示频域中的第k个离散频率的幅值，X(n) 表示长度序列时域信号的第n个采样点，N表示信号的总采样数，i表示虚数单位。

6.一种如权利要求1-5中任一项所述方法的分散控制系统动态调整采样频率的装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于实时采集置信紧急通信报文；

触发模块，用于根据所述置信紧急通信报文，触发采样窗口进行采样；

计算模块，用于根据采样窗口实时采集的紧急通信报文，通过傅里叶变换计算紧急通信频率；

修改模块，用于根据所述计算模块得到的紧急通信频率，修改采样频率；

判断模块，用于利用所述采样频率判断是否有新的紧急通信报文，动态调整采样频率。

7.一种电子设备，其特征在于，包括处理器以及存储器；

所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令；

所述处理器用于调用存储于所述存储器中的程序，以执行如权利要求1-5中任一项所述的方法。