基于传感器的PDA高速数据采集分析系统

(1.中冶赛迪工程技术股份有限公司；2.经纬铭月科技(武汉)有限公司)

基于传感器的PDA高速数据采集分析系统

刘安平1彭 君2

(1.中冶赛迪工程技术股份有限公司；2.经纬铭月科技(武汉)有限公司)

为实现对现场各种物理量的传感器数据进行采集，开发了PDA高速数据采集与分析系统，设计了几种接入PDA系统的数据采集方式。

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对工业现场设备进行故障诊断和状态监测是提高生产厂设备运行维护效率的有效方法，设备制造厂重要装备出厂前要做设备性能测试和动态过程分析，常需要对相关参数做毫秒甚至微秒级的数据采集，一般用笔录仪进行高速记录，消耗大量纸张且通道数量有限，数据分析也不方便，不能统计。流程控制中，针对产品质量判别和新产品开发也需要大量实时数据，常用的数据库只能提供秒级数据分辨率，不够精细。大数据质量分析是经典分析方法的重要补充，要求的数据更广、更多。因此，广大工程师迫切期盼有一种完全自主知识产权、分析功能能自如伸缩的便捷工具，由于工业控制器大部分由国外厂商提供，通信协议几乎全由外商把持，数据不开放，高速采集这些控制器中的数据存在诸多瓶颈。

传感器是现场最原始的数据测量工具，是进行数据分析的物理基础。笔者设计了PDA高速数据采集与分析系统，可采集总线、网络、硬件接口模块及主流PLC等的数据。

1 传感器数据采集方案

1.1接口模块数据采集

PDA系统设计有多通道全隔离型模拟量和数字量模块，模拟量16位高速A/D转换，数字量采用光电隔离，模块将转换后的信号通过10/100M以太网高速发往PDA服务器，支持的信号类型有：0～5V/0～±5V/1～5V/0～10V/0～±10V，0～10mA/0～±10mA/4～20mA/0～±20mA，0～1A/0～5A/0～±1A/0～±5A，mV等弱信号，+5/+12/+24V(DC)数字量，热电阻Pt100/Cu50，热电偶J/K/T/E/R/S/B，角位移/电子尺/电位器/频率信号，SSI串行同步接口信号，通道可按信号类型分组，模块可级联扩展至数百点。

模块IP地址、端口号等通过pdaTools设置，图1为多个接口模块通过以太网进行高速数据采集的网络图。

图1 接口模块数据采集网络

1.2传感器串行接口采集

带有串口RS232/RS485的传感器可以直接通过该接口采集，PDAU COM-2AI-0AB0可高速采集两路模拟量数据，采用串口通信，可嵌入到用户系统中。

在PDA服务器配置文件中设置串口号、波特率、采样周期、数据源类型和通道数。

1.3传感器工业以太网采集

带有工业以太网接口的传感器可把采集的信号直接发送到PDA服务器或由PDA服务器读取。

1.4PDA网关采集

PDA网关实际为一台高性能PLC，可以扩展各种总线主从模块、各类IO模块，它与PDA服务器通过实时以太网或EtherCAT高速传输数据，如可连接CANopen主站和从站、DeviceNet主站和从站、计数器、AI/DI模块及SSI等。图2为一台PDA网关连接数据采集服务器的网络结构示意图。

图2 PDA网关数据采集网络结构示意图

1.5PLC综合采集

工控系统中传感器一般都要接入PLC参与控制，PDA可以利用PLC的通信网络采集各种数据。

S7-400以太网高速定周期2ms方案。当采集点数不很多，但要求采集周期很快时采用本方案，采集周期可达2ms，数据源类型为0，CPU自带或独立以太网板的网口均可。PLC上增加一块Profinet网卡专门用于数据采集，可以大幅缩短采样周期。建议选用6GK7 443-1EX20-0XE0等西门子升级以后的网卡，性能比6GK7 443-1EX11-0XE0高得多。

Profinet。标准版PDA系统按CP-1616 onboard V2.3配置Profinet从站，采集的字节数为128的倍数，每个从站最多可采集1 408Byte，可增加多个从站采集更多的数据，数据源类型为8。Profinet最终还是依据mac地址传送数据，因此同一个PN口的不同从站在PDA服务器中需要不同的网卡与之对应，PDA服务器支持多网卡。S7 CPU所带PN口输出1 408Byte占用CPU时间在1ms以内，通过单独的Profinet网卡输出1 408Byte，原因是要经过背板总线约需7ms时间。Profinet设备名必须是18个字符。PQB必须配置为连续地址。OB1中将DB100中需要采集的数据拷到输出地址(与PLC硬件组态中的地址要一致)。

通过交换机，一台PDA服务器可采集多台PLC数据，服务器中无需专用的Profinet板卡CP-1616，PDA将Profinet协议集成到普通以太网卡中了。

S7变量存取。PDA可以通过以太网按S7-400/S7-300/TDC/FM458变量地址直接读取PLC中的数据，PLC中不需要编写任何程序，数据源类型为21。可采集的数据区为IB、QB、MB、DB、PIB，随着变量地址的不连续增加，采样周期将变慢，约10～100ms。变量地址信息输入到组态文件Config.csv变量地址栏(Address)，建议将工程项目中已经定义好的符号表通过Excel拷入到Config.csv并做适当调整，DB块可生成源文件导出后读入到配置文件中。

S7-400 iso变量存取。S7-400可以不设IP地址，而是按mac地址采集数据，PDA Server中不需要安装SimaticNet。可采集的数据区为IB、QB、MB、DB。如果采集状态异常，可将网卡停用再启用，然后进行数据采集。

标准以太网。一般的PLC均带有以太网接口，PLC可以将要采集的数据发送到PDA服务器。这种方式效率较高，支持UDP、TCP方式，UDP可到毫秒级或以下。

Profibus-DP。PDA的DP网桥PDA DPM-2B244-0AB0有两个独立的DP接口，可连接到两个DP网段，从每个网段采集2 44Byte并通过以太网发送到PDA服务器，pda244.gsd是它的配置文件，当采集点数较多时可用多块DP网桥串联起来，采样周期可达0.5ms。对于S7-400/S7-300采集程序应在OB1中，有效采样周期与OB1的扫描周期相同。

图3是典型的通过DP进行数据采集的网络图，每块网桥的IP地址和DP站号通过pdaTools.exe设置。

图3 DP网桥数据采集网络结构示意图

内存映象网Reflective Memory。该方式是以GE为代表的高速PLC通信方案。对于以VxWorks为内核的实时操作系统，如LogiCAD、CoDeSys及ISaGRAF等与此类同。支持的厂商有奥钢联、西马克、GE及西屋等。支持同时采集数十台PLC的数据，总采样点数不少于10 000点，采样周期不大于2ms。

CoDeSys。对于以CoDeSys、LogiCAD、TCS及ISaGRAF等为编程平台的PLC系统，开放性很强，可以支持多种方式与PDA系统通信。

EGD(Ethernet Global Data)。以GE Fanuc、阿尔斯通HPCi为代表的多种PLC支持EGD通信。采样周期可达2ms。PDA服务器可接收多台PLC的多个生产者的数据，一台PLC中也可以有多个生产者，按Exchange ID识别，一台PDA服务器还可以设置多个IP地址。

Modbus。设置好串口号、通信速率和变量寄存器地址，PDA服务器即可按寄存器地址或首址成块采集内存数据。

Modbus TCP。设置好IP地址、变量寄存器地址，PDA服务器即可按寄存器地址或首址成块采集内存数据。

EtherNet/IP。以RSLogix为例，一个连接最多采集496Byte，即可采集124个实数或248个整数或其他数据类型，采样周期可到2ms。采集点数较多时可建立多个连接，PDA Server支持多个IP地址与之对应。如果选用Web+以太网模板，还可用标准以太网方式采集数据，但编程复杂，不推荐使用。

EtherNet/IP-backplate。该方式支持的PLC有Rockwell的ControlLogix等系列，按变量名读取PLC中的数据，PLC中不需要编程，综合采集周期不小于10ms。

GE Fanuc SRTP。SRTP是GE Service Request Transfer Protocol，支持GE Fanuc 90、VersaMax、PACSystems系列PLC。按变量地址读取PLC中的数据，PLC中不需要编程，综合采集周期不小于10ms。

GE Fanuc SNPX。数据源类型为30，利用串口与PLC通信，支持的PLC有90-30、VersaMax。

Beckhoff Ethernet。建议选用WinCE内核的CPU，有效采样周期可达0.25ms，比WinXp或Win7内核具有更高的效率。PLC可一次(2ms)发送1 423Byte，上升沿触发。

Wago万可。采用UDP通信，PLC可一次(2ms)发送1 473Byte。

MOOG PLC。MOOG PLC采用CoDeSys作为编程工具，采用UDP通信，综合采集周期可到2ms。

ABB PLC。支持UDP、Profinet及EtherCAT等方式进行数据采集。

Beckhoff Realtime Ethernet。可实现0.25ms有效采样周期的数据采集，定义一个结构体保存将要采集的数据，将该结构体定义到组态中。

Beckhoff Ads。按变量名采集Beckhoff PLC中的数据，PLC中不需要编程，有效采集周期不小于10ms。

EtherCAT。可实现0.1ms有效采样周期的数据采集，需要FC1100或FC1121支持。

实时数据文件。各连接的文件名为其识别号，数据刷新率为秒级，可用于广域网。

OPC。支持OPCAutomation、OPC Com方式，一台PLC采集点数太多时，可把点分成多个连接，每个连接的OPC组名建议不一致。

S7-1500。S7-1500支持UDP、Profinet和直接读PLC内存地址方式。PLC组态要选Full access，DB块取消优化。

S7-1200。S7-1200支持直接读PLC内存地址方式。PLC组态选Full access，DB块取消优化。

2 PDA系统性能指标

PDA系统运行在Windows平台，支持字符串、模拟量和数字量，各类型可以混合排列。

采样周期0.25～200.00ms，综合采样周期与设备性能相关，提供计算时钟；实时时钟(广域同步)。

数据压缩方式有实时压缩(注重实时性和效率)、高效压缩(高的压缩比，注重压缩率)、不压缩(注重开放性)3种。

根据控制系统配置特点可灵活选用多种方式进行数据采集：工业以太网、Profibus-DP及RFM网等网络采集；硬件接口模块采集；PLC主动发送数据，PDA服务器接收；PDA服务器直接读取PLC中的数据；数据打包传送。

3 PDA系统数据分析功能

PDA系统有丰富的分析、报表功能，所有数据提供开放的接口，支持Dos、Windows32/64、Linux32/64、Android、Mac OS及iOS等平台。

常用的分析功能主要有：微秒级的时间分辨率；采用客户机/服务器结构；支持多主多从多窗口；捕捉瞬时信号突变；Excel配置地址薄；采集点数灵活配置；信号树导出；分析数据导出；历史数据导出；统计数据导出；逻辑虚拟信号；x-y轴转换；无线模块组态；加速度分析；双x轴标记；双y轴标记；动态y轴标记；视图高度调整；视频同步分析；示波器波形分析；三维曲面视图；轴承油膜计算；轧机刚度测量；轧机刚度跟踪报表；大型液压缸性能测试报表；质量异义判别；QDR质量数据记录；质量数据报表；专用分析功能定制；英文版/中文版/任意语种；历史数据接口；在线数据接口；视频同步分析接口；兼容第三方数据格式；Oracle等数据库实时接口；质量管理系统及大数据接口；HMI接口；插件；时序分析；绝对时钟；计算时钟；实时趋势；历史趋势；动态回放；视图导航；视图平移；滚轮平移；滚轮缩放；变焦缩放；数据统计；信号查找；多栏屏显；数据字典；数字滤波；分析策略；数字表；曲线标注；故障分析；事件标注；专家系统；系统报警；同比分析；自动定标；对齐功能；二维视图；三维视图；曲线拟合；曲面拟合；板形分析；频谱分析；相位分析；能谱分析。

PDA系统分析软件PDAClient运行界面如图4所示。

图4 PDA分析软件运行界面

4 结束语

PDA系统支持各类电文，为数据平台提供PLC通信协议服务，具有完善的通信协议软件开发模板，能快速合作开发未知未来协议，限于篇幅文中的数据采集方案和分析功能仅作了简略说明。

PDA高速数据采集与分析系统可以详尽解析工业大数据来源，广泛应用于冶金、石化、水泥、能源、煤炭、电力、医药、烟草、加热炉、机械制造、交通运输、大型船舶、造纸印刷、军工及军事等行业的控制领域，在新钢、济钢及八一钢铁等数十家大型企业应用，得到用户一致好评。

PDAHigh-speedDataAcquisitionandAnalysisSystemBasedonSensors

LIU An-ping1, PENG Jun2

(1.CISDIEngineeringCo.,Ltd.; 2.KingWeiImpressMoonTechnology(Wuhan)Co.,Ltd.)

For purpose of collecting the sensor data of all physical quantities on site, a PDA(process data acquisition) high-speed data acquisition and analysis system was developed, and various data-collecting methods which accessing to the PDA system were designed.

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刘安平(1968-)，教授级高级工程师，从事工业自动化及高速数据采集分析的设计开发工作，1033657011@qq.com。

TH865

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1000-3932(2017)11-1061-05

2017-07-18，

2017-09-14)

2017华南工业自动化暨智能与物联制造展览会

展会时间2017年12月6～8日展会地点深圳会展中心3号馆

2017华南工业自动化暨智能与物联制造展览会是覆盖智慧生产、物联网及工业自动化产业链的一个专业展会，针对潜力巨大的自动化及工业物联网制造市场而诞生。这是一个令业界兴奋的全新展会。针对潜力巨大的自动化及工业物联网制造市场，汇聚业内人士，共同了解、采购和学习最新有关物联网、大数据分折技术及自动化设备，让买家更有效地了解各技术及解决方案的工业应用，继而提升业务生产效率并降低成本。

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