能够实现对工业现场进行监测与控制的数据采集系统及其采集方法

摘要

本发明提供了一种能够实现对工业现场进行监测与控制的数据采集系统及数据采集方法，所述数据采集系统包括远端数据采集控制设备、数据传输模块、中心站数据接收设备、服务器端数据处理模块和数据显示模块。本发明提供的数据采集系统适合于远程数据的采集及传输；并且通过采用无线专网或有线网络进行数据传输，可以保障数据传输的稳定性和正确性；在终端显示控制室即可看到各远端数据采集控制设备的状态以及传送过来的实时数据，方便统一监控与管理；由于系统采用专网传递数据，与公网进行了隔离，因此具有很好的安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种数据采集系统及其数据采集方法，具体地说，涉及一种能够实现对工业现场的设备进行监测与控制的数据采集系统及其数据采集方法。 

背景技术

目前现有技术通常是室内应用。对工作环境的要求比较高，无法或者勉强应用在恶劣环境中可靠性不能够被保证。其扫描周期一般比较长，输出端难以实现复杂、快速的时序控制。功能较单一，普遍用作开关控制。若要实现数据类型转换、实时采样等功能，则需要配合外接模块来使用。 

发明内容

为了解决上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供了能够实现对工业现场进行监测与控制的数据采集系统，以克服现有技术的缺陷。所述数据采集系统包括：远端数据采集控制设备，所述远端数据采集控制设备用于采集工业现场各种设备的数据并控制该数据；数据传输模块，所述数据传输模块用于将所述远端数据采集控制设备采集到的数据通过无线网络或有线网络传输到与路由器相连的中心站数据接收设备；中心站数据接收设备，所述中心站数据接收设备用 于接收从所述数据传输模块传输过来的数据，并通过内部局域网将数据传输到服务器端数据处理模块；服务器端数据处理模块，所述服务器端数据处理模块用于通过数据映射从所述中心站数据接收设备中获得所需要的数据后，将普通数据类型转换到数据库文件类型后存储到数据库服务器中，为数据显示模块提供数据源；和数据显示模块，所述数据显示模块用于将存储在所述服务器数据库中的数据按照客户的需求实时地读取并显示出来，同时将数据储存起来。 

优选地，所述远端数据采集控制设备包括电源(比如24V电源)、避雷器、输入单元和数据采集模块。 

优选地，所述输入单元包括开关输入单元、模拟量输入单元、脉冲量输入单元以及数字量输入单元；其中，所述开关输入单元用于定时采集与处理现场各种开关量信号，所述模拟量输入单元用于定时采集与处理现场4-20mA模拟信号，所述脉冲量输入单元用于定时采集与处理现场信号的脉冲信号频率，所述数字量输入单元用于定时采集与处理各种数字信号。 

优选地，所述数据传输模块通过无线网络传输数据时，数据以无线传输的方式进行传输，被基站接收到后再经过光电转换器转换最后传输至与路由器相连的所述中心站数据接收设备上。 

优选地，所述中心站数据接收设备具有一个数据输入端口和一个数据输出端口。 

优选地，所述数据输入端口的IP地址与路由器端口的网段一致，所述数据输出端口的IP地址于局域网交换机端口的网段一致。 

优选地，所述中心站数据接收设备能够同时接收多个所述远程数据采集控制设备采集传输上来的多种格式数据。 

优选地，所述工业现场各种设备均设置有内网固定IP地址，所述数据库服务器配置在局域网中。 

优选地，所述现场信号为电压信号或电流信号，所述现场信号由继电器触点开关控制。 

本发明的另一目的在于提供了能够实现对工业现场进行监测与控制的数据采集方法，所述数据采集方法包括如下步骤：(1)采集和控制数据，利用远端数据采集控制设备采集工业现场各种设备的数据，并控制所述数据；(2)传输数据，采用数据传输模块通过无线网络或有线网络将所述数据传输到与路由器相连的中心站数据接收设备；(3)接收和再次传输数据，利用所述中心站数据接收设备接收所述数据，并通过内部局域网将所述数据传输到服务器端数据处理模块；(4)处理和存储数据，采用所述服务器端数据处理模块通过数据映射从所述中心站数据接收设备中获得所需要的数据后，将普通数据类型转换到数据库文件类型后存储到数据库服务器中，为数据显示模块提供数据源；和(5)读取和显示数据，通过所述数据显示模块将存储在所述数据库服务器中的数据按照客户的需求实时地读取并显示出来，同时将数据储存起来。 

因此，本发明提供的数据采集系统适合远程数据的采集及传输；并且通过采用无线专网或有线网络进行数据传输，可以保障数据传输的稳定性和正确性；当需要配置新的采集点进行数据采集时，只需要 在该地增加远端数据采集控制设备，对其进行配置后即可接入原有网络，实现新采集点数据的采集和上传。对原有系统没有任何影响；而且在终端显示控制室即可看到各远端数据采集控制设备的状态以及传送过来的实时数据，方便统一监控与管理；由于系统采用专网传递数据，与公网进行了隔离，因此具有很好的安全性。 

因此，本发明提供的数据采集系统具有实用性、高可靠性、可扩展性、易管理性以及安全性。 

附图说明

图1为本发明的数据采集系统的结构方框图； 

图2为本发明的数据采集系统的流程方框图； 

图3为本发明的数据采集方法的步骤流程图。 

附图标记说明如下： 

远端数据采集控制设备11、数据传输模块12、中心站数据接收设备13、服务器端数据处理模块14、数据显示模块15。 

具体实施方式

为使审查员能够进一步了解本发明的结构、特征及其他目的，现结合所附较佳实施例附以附图详细说明如下，附图所说明的实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非限定本发明。 

请同时参见图1和图2，图1为本发明的数据采集系统的结构方框图，图2为本发明的数据采集系统的流程方框图。如图1所示，本发明实施例的数据采集系统包括远端数据采集控制设备11、数据传输模块12、中心站数据接收设备13、服务器端数据处理模块14和数 据展示模块(显示模块)15。 

远端数据采集控制设备11负责对工业现场的各种仪表(一般为流量计、液位计、温度计、湿度计、压力计、以及能够将测量数值转化为电信号的各种仪表)相连的输入信号线接收信号，将信号转化为数值(即，数据)，然后对该数据进行采集并对采集到的信号数据进行控制。所述远端数据采集控制设备包括电源(比如24V电源)、避雷器、输入单元和数据采集模块。此外能够将测量数值转化为电信号的仪表均可应用在此系统中。 

本发明的现场信号可以是继电器触点开关量信号，也可以是电压信号，还可以是电流信号，但不以此为限制。远端数据采集控制设备11利用输入单元对现场信号数据进行采集，其中，开关输入单元可对现场各种开关量信号进行采集；模拟量输入单元可以对现场4～20mA的模拟信号进行采集；脉冲量输入单元可以对现场信号的脉冲信号频率进行采集；数字量输入单元可以对各种数字信号进行采集。远端数据采集控制设备11和数据采集模块用于实现定时作业、定时数据采集功能，数据采集模块本身也具备一定的数据处理功能。 

另外，本实施例中的远端数据采集控制设备11采用光隔离器件，可以抵抗现场的各种外界干扰，因此，本系统相比较于其他数据采集设备来说适应环境的能力更强，能够在温差大、强电场、强磁场、多尘埃、潮湿等多种恶劣环境下正常工作。 

其中，在本发明的实施例中，远端数据采集控制设备11的主要技术参数如下：支持8个AI，12个DI，4个DO接口；工作温度为-40℃～70℃，存储温度为-40℃～85℃；工作湿度为5％～95％RH； 支持编程功能；2个串行端口，1个以太网端口，以太网口通信速率为10/100M自适应；支持数据记录；输入电压为10～30VDC；输入电流为100mA24VDC，但不以此为限制，其也可以设置成其他参数，以适应工业现场的实际需要。 

数据传输模块12将远端数据采集控制设备11采集到的数据传输给和路由器相连的中心站数据接收设备13。数据传输模块12支持GSM和GPRS两种传输方式，其可以以无线网方式传递数据，也可以以有线形式进行传递。当利用无线网络传输数据时，数据会经过解码转换成无线传输的格式，被基站接收到后再经过光电转换器转换最后传输至和路由器相连的中心站数据接收设备13上。 

当中心站数据接收设备13接收由数据传输模块12传输过来的数据后，数据通过内部局域网传输到服务器端数据处理模块14。参见图2，在本实施例中，中心站数据接收设备13同时接收两个远程数据采集控制设备11采集传输上来的数据，但并不以此为限，中心站数据接收设备13可以同时接收多个远程数据采集控制设备11采集传输上来的多种格式数据。 

如上所述的中心站数据接收设备13的主要技术参数如下：最大I/O寄存器为2048个模拟量，8000个离散量；工作温度为-40℃～70℃，存储温度为-40℃～85℃；工作湿度为5％～95％RH；支持编程功能；1个串行端口，2个以太网端口，为两个拥有独立的MAC和IP地址的网络；电源功耗为1.6W；输入电源为10-30VDC。当然，本发明中的中心站数据接收设备13的技术参数并不以此为限，可以根 据工业现场需要进行设备数据采集量的多少加以调整，以适应工业现场的实际需要。 

服务器端数据处理模块14通过数据映射从中心站数据接收设备13中获得所需要的数据，进行格式转换后存储到数据库服务器中，为数据显示模块15提供数据源。这里，将普通数据类型转换到数据库文件类型的格式转换不是必须要有的，只有在采集上来的数据类型与数据库表中的字段类型不一致的情况下才需要。 

数据显示模块15将存储在所述服务器数据库中的特定数据按照客户的需求显示出来。数据显示模块15既能够实时显示各数据采集点采集来的数据，还可以将采集来的数据根据日期及分类储存起来。可以按照日、周、月、年等条件进行数据和曲线显示，还可以根据选择不同月份生成月环比报表和柱状图。生成的报表可以导出为Excel文档，也可以打印输出。 

图2是本发明的数据采集系统的流程方框图。如图2所示，本发明的数据采集系统中的远端数据采集控制设备负责现场数据及信号的采集。在本实施例中，使用数据采集模块对远端数据采集控制设备进行配置，并且实现数据的采集。在可视化软件环境下进行选定数据采集模块所用设备的型号，这里型号是指远端数据采集控制设备的设备型号，一般会在设备上标识；在可视化软件环境下对数据采集模块进行标志站名、站号、序列号以便后期调试，站名可以自由命名，站号是对所有远端数据采集设备的统一编号，而序列号是远端数据采集硬件设备上带有的编号。设定数据采集模块的IP地址，连接数据源 (即，数据库)，配置好传输局域网络，这样数据采集模块就配置完成了。 

数据采集模块所采集到的数据通过计算公式(I)处理，将由现场仪表传递过来的电流信号还原成原始数据。以现场仪表量程为x～y为例，其所对应的输出直流电流范围为a～b毫安，实际从仪表输出得到的电流大小为c毫安，则要还原实际数据z的公式即为： 

计算公式(I)处理，将由现场仪表传递过来的电流信号还原成原始数据。现场仪表液位计实际量程为0～5米，其所对应的输出直流电流范围为4～20毫安，实际从仪表输出得到的电流大小为8毫安，则实际液位为 米。以x对应现场仪表实际应用的测量下限值，y来对应现场仪表实际应用的测量上限制(值)，x～y下限值与上限值之间区域对应输出直流电流范围a～b毫安，实际从仪表输出得到的电流大小为c毫安，则要还原实际数据z的公式即为： 

然后，由于数据采集模块为远端数据采集控制设备的一部分，是以以太网的形式和数据传输模块所包含的网络设备相连的，因此再通过数据传输模块12，以无线或有线的方式将数据传输至与路由器相连的中心站数据接收设备13，再传输到服务器端数据处理模块14。服务器端数据处理模块14具备一个数据输入端口和一个数据输出端口；数据输入端口的IP地址和路由器端口的网段一致，数据输出端 口的IP地址和局域网交换机端口的网段一致。作为存储数据的服务器端数据处理模块14也配置在该局域网中，数据传递到服务器端数据处理模块14后经过格式转换操作后保存在数据库服务器中。数据显示模块15从数据库中读取数据再按照客户所需要的形式展现在给用户。 

图3为本发明的数据采集方法的步骤流程图，如图3所示，步骤1为采集和控制数据，利用远端数据采集控制设备11采集工业现场各种设备的数据，并对采集后的数据进行控制；步骤2为传输数据，将步骤1采集到的数据进行传输，采用数据传输模块12通过无线网络或有线网络将所述数据传输到与路由器相连的中心站数据接收设备13；步骤3为接收和再次传输数据，利用所述中心站数据接收设备13接收所述数据，并通过内部局域网将所述数据传输到服务器端数据处理模块14；步骤4为处理和存储数据，采用所述服务器端数据处理模块14将步骤3中传输过来的数据通过数据映射从所述中心站数据接收设备中获得所需要的数据后，将普通数据类型转换到数据库文件类型后存储到数据库服务器中，为数据显示模块提供数据源；以及，步骤5读取和显示数据，通过所述数据显示模块15将存储在所述数据库服务器中的数据按照客户的需求实时地读取并显示出来，同时将数据储存起来。本发明通过上述5个步骤，来完成整个数据采集。 

下面，通过河北某地实施的数据采集与监视系统的进行测试实验。 

远端数据采集模块从需要采集的设备中接收电流或者电压信号，通过无线设备将信号发送至基站。基站接收到信号后通过光纤发送到光电转换器，再经过格式转换成为电信号通过双绞线传递到和中心站设备相连的路由器。最后再在与中心站设备在同一局域网络的服务器中进行存储及显示。 

从应用情况来看，在网络正常的情况下，系统达到了数据零丢失，并且服务器中存储的数据与现场所采集仪表中的数据数值完全一致。 

从现场应用的状况来看传递数据的方式为主动发起报告的通讯方式，这种方式可以实现传递数据的实时性和有效性，便于根据实际情况调整发起报告的间隔时间，在现场多数的采集点上传数据的传输时间间隔为5分钟，个别重要的采集点上传数据的传输时间间隔为1分钟，从存储到数据库中的数据数值来看，完全是按照所设定的时间间隔来进行数据传输的。 

当地设立了多个信息采集点，各个站点地理状况工作环境也不尽相同，通过实际应用证明了该设备对温度具有非常好的适应性，其设计理论工作环境温度为零下四十摄氏度到零上七十摄氏度，实际应用中在酷暑和冬天仍然工作良好，在夏日阴雨天气也可以正常工作。 

本发明的数据采集系统具有以下优点：(1)数据传输的准确性：采集传输上来的数据与现场实测数据完全一致；(2)工作温度：实际工作温度在-45℃～70℃之间；(3)无线通讯的可靠性：无线通讯情况下，由于使用的为VPN，所以可以达到100％的网络可靠性；(4) 抗干扰能力；在温差大、强电场、强磁场、多尘埃、潮湿等工业现场都有应用，均运行正常；(5)并且通过良好的避雷措施，在雷雨天均能正常运行；(6)轮询周期的长短：可以任意设置远程数据采集控制设备的数据上传时间，并且均能在毫秒级完全按照设置的间隔时间上传数据；(7)长时间工作的能力：远程数据采集控制设备和中心站数据接收设备可以支持365天无间断稳定运行；(8)大数据量查询：通过优化，在500万条的记录中检索2万条记录，系统可以在500毫秒内进行响应。 

需要声明的是，上述发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理内，当可作各种修改、等同替换、或改进。本发明的保护范围以所附权利要求书为准。