一种基于PROFINET协议的PDA数据采集方法和系统与流程

一种基于profinet协议的pda数据采集方法和系统
技术领域
1.本发明属于工业控制系统数据采集技术领域，具体涉及一种基于profinet协议的pda数据采集方法和系统。


背景技术：

2.现有的数据采集系统采用的采样算法无法根据现场数据变化情况动态调整采样频率和采样精度，导致采集效率低下，无法满足现场实时数据采集的需求；通信协议不够稳定和可靠，导致数据传输过程中容易出现丢包、错包等问题，影响采集数据的准确性和实时性；通常缺乏良好的可扩展性和可维护性，导致系统无法适应不断变化的现场需求，同时也增加了系统维护的难度和成本。


技术实现要素：

3.针对现有技术的以上技术缺陷，本发明提出一种基于profinet协议的pda数据采集方法，pda服务器通过profinet协议与多台plc组成的工业控制网络通讯，所述基于profinet协议的pda数据采集方法包括对采集到的plc数据打包压缩的步骤，具体包括以下步骤：
4.若所述plc数据为整型数据，使用varint算法进行打包压缩；
5.若所述plc数据为带时间戳数据，使用delta2算法进行打包压缩；
6.若所述plc数据为时序浮点数数据，使用异或算法的无损压缩算法进行打包压缩。
7.本发明还提出了一种基于profinet协议的pda数据采集系统，包括一台pda服务器通过profinet交换机与多台plc组成的工业控制网络通讯采集多台plc数据，所述pda服务器配置有用于实现对所述plc数据的分析的pda系统，所述pda服务器设有profinet板卡。
8.本发明可以解决现有技术存在的采集效率低、通信协议不可靠以及可扩展性和可维护性差等问题，从而实现高效、稳定、可扩展和易维护的现场数据采集。
附图说明
9.图1：一种基于profinet协议的pda数据采集方法流程图；
10.图2：一种基于profinet协议的pda数据采集系统的拓扑结构。
具体实施方式
11.首先对以下术语进行解释和说明：
12.可编程逻辑控制器(plc)是种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。
13.pda系统，过程数据采集(process data acquisition pda)系统：为流程控制及设
备测试提供综合的数据解决方案。pda系统可以运行在windows平台，支持字符串、模拟量、整型数据、dint、浮点型数据、word数据、dword数据、数字量，以及混合类型的数据。
14.profinet由profibus国际组织(profibus international，pi)推出，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。
15.以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。
16.一些实施方式的基于profinet协议的pda数据采集方法，包括对采集到的plc数据打包压缩的步骤，具体如图1，包括以下步骤：
17.判断plc数据的类型：
18.若所述plc数据为整形数据，使用varint算法进行打包压缩；其作为一种自适应编码方式，可以将较小的整数使用较少的字节数进行存储，从而减少空间的浪费。该算法通过在每个字节的高位使用1标记该字节是否是该整数的最后一个字节，从而支持存储不定长的整数。varint算法适用于数据较小，没有负数的情况下。在实现时，每8个字节需要牺牲1个字节作为标记位。对于值较大的数据，varint需要额外的空间进行编码，从而导致更大的空间消耗。
19.引入数据打包压缩技术，将采集到的数据点进行打包压缩，以便于后续处理和存储，大幅减小数据存储空间，提高数据的处理效率。
20.若所述plc数据为带时间戳数据，使用delta2算法进行打包压缩；delta2算法，是一种用于时序数据压缩的算法，它通过存储前后两个数据点的时间间隔来减少数据冗余，从而提高数据压缩率。与传统的delta编码相比，delta2编码更加有效，因为它仅存储了相邻时间戳之间的时间差，而不是相对于第一个时间戳的时间差。这意味着可以用更小的数据类型来存储编码后的时间戳，进一步提高了数据压缩率。delta2算法适用于时间戳具有单调递增和较为固定数据间隔的情况。
21.若所述plc数据为时序浮点数数据，使用异或算法的无损压缩算法进行打包压缩。相对于有损压缩，该算法的优点是泛用性较好，并且能够处理小数位较大的情况。该算法的核心思想是发现时序数据中大部分浮点数的有效位是类似的，并且只有中间的一个连续区块存储着不同的数据，因此提取并只保存这部分数据，可以有效减少数据存储空间。使用该算法压缩2小时的时序数据，每个数据点仅仅需1.37byte，能够将分时数据压缩为原来的33％，压缩率可达60％以上，效果显著。
22.以上实施方式支持根据现场数据的变化情况动态调整采样频率和采样精度，提高了采集数据的准确性和实时性，还支持数据的实时传输和离线存储，能够满足不同应用场合的需求。
23.一些实施方式，为了提高数据处理的效率和精度，打包压缩的步骤中，对于数据采集卡采集时间间隔较短的情况，采用多线程结合双缓存的方案来实现数据的连续采集和存储，具体方案如下：
24.pda服务器设有profinet板卡，设置profinet数据刷新周期，针对数据采集卡采集数据时间间隔为2毫米的情况，采用多线程结合双缓存的方案具体包括：将采集到的数据先写入第一个缓存中，当第一个缓存写满时，写数据的操作将切换到第二个缓存中，同时对写
满的第一块缓存数据进行压缩；当第二块数据写满时，写数据操作再切换到第一块缓存中，同时压缩第二块缓存数据。多缓存技术可以提高数据处理的效率和精度，同时也可以避免数据采集的中断和数据丢失的情况。
25.对于数据采集卡采集时间间隔较短的情况，采用多线程结合双缓存的方案可以实现数据的连续采集和存储，并采用不同的压缩算法来实现不同的压缩效果，从而更好地满足不同的应用需求。
26.多缓存技术可以提高数据处理的效率和精度，同时也可以避免数据采集的中断和数据丢失的情况。对于数据采集卡采集时间间隔较短的情况，采用多线程结合双缓存的方案可以实现数据的连续采集和存储，并采用不同的压缩算法来实现不同的压缩效果，从而更好地满足不同的应用需求。
27.一些实施方式的pda服务器配置有用于实现对所述plc数据的分析的pda高速数据采集分析系统(或软件)，pda系统支持在线和离线两种模式；在线模式用于实时监测被测对象的变化情况；离线模式用于离线查看历史数据。
28.优选地实施方式中，pda系统(或软件)能够同时显示多个数据曲线，还支持曲线的合并和拆分功能。pda系统(或软件)支持多个曲线表格，能够同时显示多个数据曲线，并且具有缩放功能，能够显示多达150万个数据点，从而为用户提供更加详细和全面的数据信息。能够实时监测被测对象的变化情况，并且可以离线查看历史数据，具有便捷性和实用性，方便用户进行数据分析和比较，提高数据分析的效率和准确性。
29.一些实施方式的varint算法通过在每个字节的高位使用1标记该字节是否是该整数的最后一个字节用于支持存储不定长的整数。
30.一些实施方式，所述delta2算法通过存储前后两个数据点的时间间隔来减少数据冗余，从而提高数据压缩率。
31.一些实施例的打包压缩步骤包括：
32.实施例1
33.针对采集到为整型数据的plc数据，使用varint算法，其作为一种自适应编码方式，可以将较小的整数使用较少的字节数进行存储，从而减少空间的浪费。该算法通过在每个字节的高位使用1标记该字节是否是该整数的最后一个字节，从而支持存储不定长的整数。varint算法适用于数据较小，没有负数的情况下。在实现时，每8个字节需要牺牲1个字节作为标记位。对于值较大的数据，varint需要额外的空间进行编码，从而导致更大的空间消耗。
34.实施例2
35.针对带时间戳的plc数据采用delta2算法，是一种用于时序数据压缩的算法，它通过存储前后两个数据点的时间间隔来减少数据冗余，从而提高数据压缩率。与传统的delta编码相比，delta2编码更加有效，因为它仅存储了相邻时间戳之间的时间差，而不是相对于第一个时间戳的时间差。这意味着可以用更小的数据类型来存储编码后的时间戳，进一步提高了数据压缩率。delta2算法适用于时间戳具有单调递增和较为固定数据间隔的情况。
36.实施例3
37.针对浮点数数据，该文介绍的是基于异或算法的无损压缩算法，主要应用于时序浮点数数据的压缩。相对于有损压缩，该算法的优点是泛用性较好，并且能够处理小数位较
大的情况。该算法的核心思想是发现时序数据中大部分浮点数的有效位是类似的，并且只有中间的一个连续区块存储着不同的数据，因此提取并只保存这部分数据，可以有效减少数据存储空间。使用该算法压缩2小时的时序数据，每个数据点仅仅需1.37byte，能够将分时数据压缩为原来的33％，压缩率可达60％以上，效果显著。
38.上述实施方式和实施例，通过数据打包压缩技术，可以大幅减小数据存储空间，提高数据的处理效率，减少数据处理时间和成本。
39.一种实施方式提出的基于profinet协议的pda数据采集系统，该系统拓扑结构如图2，包括一台pda服务器通过profinet交换机与多台plc组成的工业控制网络通讯采集多台plc数据，所述pda服务器配置有用于实现对所述plc数据的分析的pda系统，所述pda服务器设有profinet板卡。
40.profinet板卡是一种高效的数据采集设备，其采集数据的精度和稳定性都非常高，可以在每隔2毫秒采集一个数据点。相比于其他数据采集设备，profinet板卡采集的数据具有更高的实时性，能够及时反映被测对象的变化情况，为用户提供更加精准和可靠的数据支持。该系统采用了profinet作为通信协议，具有实时性强、可靠性高等优点，同时，该系统还具有良好的可扩展性和可维护性。
41.采用profinet板卡实现数据采集功能，具有实时性高、采集精度高、稳定性高等特点。
42.在本说明书中描述的处理和逻辑流程可以由一个或多个可编程计算机执行，该计算机通过运算输入数据并且生成输出而执行一个或多个的计算机程序，以运行函数。处理和逻辑流程还可以由专用逻辑电路，例如，fpga(可现场编程门阵列)或者asic(专用集成电路)执行，并且设备也可以被实施为专用逻辑电路。
43.为了发送与用户的交互，本说明书中描述的主题的实施方式可以被实施在计算机上，该计算机具有：显示装置，例如，crt(阴极射线管)或者lcd(液晶显示器)监控器，用于向用户显示信息；以及键盘和例如鼠标或者追踪球这样的定位装置，用户利用它们可以将输入发送到计算机。其他种类的装置也可以用于发送与用户的交互。
44.已经描述了主题的特定实施方式。其他实施方式在以下权利要求的范围内。例如，在权利要求中记载的活动可以以不同的顺序执行并且仍旧实现期望的结果。作为一个实例，为了实现期望的结果，附图中描述的处理不必须要求示出的特定顺序或者顺序次序。在特定实现中，多任务处理和并行处理可以是有优势的。

技术特征：
1.一种基于profinet协议的pda数据采集方法，其特征在于，包括对采集到的plc数据打包压缩的步骤，具体包括以下步骤：判断plc数据的类型：若所述plc数据为整型数据，使用varint算法进行打包压缩；若所述plc数据为带时间戳数据，使用delta2算法进行打包压缩；若所述plc数据为时序浮点数数据，使用异或算法的无损压缩算法进行打包压缩。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述打包压缩的步骤中，对于数据采集卡采集时间间隔较短的情况，采用多线程结合双缓存的方案来实现数据的连续采集和存储。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述多线程结合双缓存的方案具体包括：将采集到的数据先写入第一个缓存中，当第一个缓存写满时，写数据的操作将切换到第二个缓存中，同时对写满的第一块缓存数据进行压缩；当第二块数据写满时，写数据操作再切换到第一块缓存中，同时压缩第二块缓存数据。4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述打包压缩的步骤中，每隔2毫秒采集一个plc数据。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述pda服务器配置有用于实现对所述plc数据的分析的pda系统。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述varint算法通过在每个字节的高位使用1标记该字节是否是该整数的最后一个字节用于支持存储不定长的整数。7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述delta2算法通过存储前后两个数据点的时间间隔来减少数据冗余，从而提高数据压缩率。8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述pda系统支持在线和离线两种模式；所述在线模式用于实时监测被测对象的变化情况；所述离线模式用于离线查看历史数据。9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述pda系统能够同时显示多个数据曲线，还支持曲线的合并和拆分功能。10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行如权利要求1-9中任一项方法的所有步骤。

技术总结
本发明属于工业控制系统数据采集技术领域，具体涉及一种基于PROFINET协议的PDA数据采集方法，包括对采集到的PLC数据打包压缩的步骤，具体包括以下步骤：判断PLC数据的类型：若PLC数据为整型数据，使用Varint算法进行打包压缩；若PLC数据为带时间戳数据，使用Delta2算法进行打包压缩；若PLC数据为时序浮点数数据，使用异或算法的无损压缩算法进行打包压缩。本发明可以解决现有技术存在的采集效率低、通信协议不可靠以及可扩展性和可维护性差等问题，从而实现高效、稳定、可扩展和易维护的现场数据采集。现场数据采集。现场数据采集。


技术研发人员：伍延平 李杰东 王学沛
受保护的技术使用者：北京冶自欧博科技发展有限公司
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/10/7