一种工业控制系统数据采集方法和系统
技术领域
本发明涉及数据采集和处理技术领域，特别涉及一种工业控制系统数据采集方法和系统。
背景技术
目前工业控制系统广泛应用于各行各业，随着企业智能化生产和管理需求的日益高涨，势必需要利用高质量的数据来来了解和解决可见的问题，支撑日新月异的各种工业互联网应用，然而高质量数据的获取并非唾手可得，必须保证全面、准确、格式统一等数据要求。
工业控制系统在控制过程中产生的数据按照来源可分为：现场传感器产生的环境状态数据，控制过程中的各种交互指令，监控系统的数据服务器和/或历史数据服务器三大部分，这三大数据来源对于同一数据对象来说可能存在数据冗余、数据格式不统一、以及数据内容不一致等问题，为了解决这些问题本发明提出了一种工业控制系统数据采集的方法和系统。
发明内容
本发明提供了一种工业控制系统的数据采集方法，包括部署在现场网络中的若干数据采集终端和部署在控制网络中的数据采集服务器来共同完成对工业控制系统数据采集的工作。
数据采集终端采集所在工业现场的数据，并通过独立于现场网络的有线或无线通信信道将采集到的数据发送至数据采集服务器；
数据采集服务器接收数据采集终端采集的工业现场的数据，并从控制网络中的数据服务器和/或历史数据服务器在线获得控制系统数据库(这里是指数据服务器136中的数据库)中的数据；
数据采集服务器整合处理来自现场数据采集终端的数据和来自数据服务器/历史数据服务器的数据；
数据采集服务器生成符合数据中心的数据库数据模型的数据；
数据采集服务器通过独立于控制网络的有线或无线通信信道与数据中心通信，更新数据。
数据采集终端完成两类数据源的数据采集，即直接从现场的传感器直接获取数据和从现场网络中获取的控制交互指令，其中直接获取的数据是从数据采集终端的模拟输入或数字输入/输出获得，并附加时间标签和设备标签或位置标签作为直接原始数据保存；而从现场网络中获取控制交互指令是通过连接现场网络的工业交换机获得现场控制器(下位机)和位于控制网络的(HMI)或工程师工作站(上位机)的所有交互指令，并按照要求保存经过解析后的数据，包括设备ID、时间标签和要求的数据内容。
数据采集服务器整合处理来自现场数据采集终端的数据和来自数据服务器/历史数据服务器的数据库数据，包括消除相同时间标签的相同采集对象的冗余数据；删除超出数据范围的数据以及不完整的原始数据。
数据采集服务器整合处理来自现场数据采集终端的数据和来自数据服务器/历史数据服务器的数据，当不同数据源反映的同一对象数据差异超出预设门限时，数据采集服务器按照传感器、在线数据、数据库的优先顺序作为特定对象的数据记录，并对数据异常产生告警。
数据采集服务器对融合后的数据进行符合数据中心数据模型的格式化，将数据转化为特定实体的数据实体的维度表，基于已有的原始数据按照已经确定相关数据实体的主键、外键、表名、列名、和列数据格式进行数据转换。
本发明在数据采集终端的一个方案中，数据采集终端对在预设的时间范围内，对相同采集对象的不同数据来源的数据进行冗余处理，内容一致的，核减其中之一，利用独立的无线通信信道将采集到的数据发送至数据采集服务器；内容不一致，以从传感器的直接采集的数据为准，产生报警，并将所有相关数据和报警信息发送至数据采集服务器，警示数据篡改风险。
在另一个方案中，数据采集终端不做冗余处理，将来自不同数据源的数据分别发送至数据采集服务器，有数据采集服务器做冗余处理，数据采集服务器冗余处理的原则是数据可信度从高至低为传感器数据、现场网络在线数据、数据服服务器/历史数据服务器，出现数据内容偏差超出预设门限，数据采集服务器产生告警信息，警示数据篡改风险。
部署在控制网络的数据采集服务器主要负责从控制网络中的数据服务器/历史数据服务器采集数据，并且综合所辖数据采集终端采集的数据和自身采集的数据库数据，生成所在控制网络的采集数据，并根据预设要求对数据进行冗余处理，删除超出数据范围的数据以及不完整的原始数据，并生成符合数据中心数据模型的数据。
另外，本发明提供了一种工业控制系统的数据采集系统，包括一台或一台以上的数据采集终端和一台数据采集服务器，数据采集终端部署在工业现场与所在的现场网络工业交换机相连，同时连接所在工业现场的传感器；数据采集服务器部署在控制网络，通过控制网络的交换机访问数据服务器或历史数据服务器，并通过有线或无线信道与数据中心通信更新数据。
所述数据采集终端包括通用的计算模块、存储模块、若干模拟输入接口、若干数字输入输出接口，网络通信接口、数据转换模块等，执行数据采集、冗余处理(可选)、数据清洗(可选)和传输等操作；
所述数据采集服务器包括通用的计算模块、存储模块、网络通信接口、本地数据库接口、数据整合模块、数据格式化模块、异常告警模块等，完成数据采集、冗余处理、数据清洗、生成基于数据中心的数据模型的数据并发送至数据中心。
另外，本发明还提供了一种设有数据采集系统的工业控制系统，包括由一个或多个工业交换机连接一个控制网络和若干现场网络，控制网络包括了人机界面、控制服务器、数据服务器；现场网络由控制器和现场设备组成，其特征在于：还包括数据采集终端和数据采集服务器，
数据采集终端部署在工业现场与所在的现场网络工业交换机相连，数据采集终端部署在工业现场与所在的现场网络工业交换机相连，同时连接所在工业现场的传感器，数据采集终端具有无线通信功能，能够与部署在控制网络的数据采集服务器进行通信；
数据采集服务器部署在控制网络，通过控制网络的交换机访问数据服务器或历史数据服务器，通过无线通信功能从部署在现场网络的数据采集终端获得采集数据，并通过有线或无线信道与数据中心通信更新数据。
本发明提供一种工业控制系统数据采集方法和系统，包括对工业现场传感器数据的直接采集，工业控制系统的现场网络在线传输数据包的采集，以及直接从数据库提取数据；分别对采集到的不同数据来源的数据进行数据转换、清洗、冗余核减，整合生成统一的工业控制系统数据源；生成符合数据中心库数据模型结构的数据。
本发明的有益效果：本发明为整个工业控制系统提供了完备的数据，同时降低了由于潜在的数据篡改风险，并依据建立的数据模型对采集到的工业数据进行标准化处理以便利用这些数据为各种工业互联网数据应用服务。
附图说明
图1是一种用于工业控制系统的数据采集系统网络部署示意图；
图2是数据采集终端的组成方框图；
图3是数据采集服务器的组成方框图；
附图标记：
110现场网络
112-工业交换机
114-控制器
116-现场设备
130控制网络
132-交换机
134-人机界面
136-控制服务器
138-数据服务器
150互联网
220-数据采集终端
221-处理器
222-存储器
223-网络接口
224-模拟/数字输入
225-数据采集模块
226-数据预处理模块
227-告警模块
240-数据采集服务器
241-处理器
242-存储器
243-网络接口
224-数据采集模块
225-数据处理模块
226-告警模块
310-数据中心
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，参考标号是指本发明中的组件、技术，以便本发明的优点和特征在适合的环境下实现能更易于被理解。下面的描述是对本发明权利要求的具体化，并且与权利要求相关的其它没有明确说明的具体实现也属于权利要求的范围。
下面结合附图和具体的实施方式对本发明做进一步的描述。
图1是数据采集系统一个实施例的网络示意图，数据采集系统工作的对象是工业控制系统，在这个实施例中，工业控制系统包括一个控制网络 130和若干现场网络110，由一个(或多个)工业交换机112连接，控制网络130包括了人机界面134(例如工程师工作站和/或操作员工作站等)、控制服务器136、数据服务器138及其它设备组成；现场网络由控制器114 和现场设备116(执行设备和传感器)组成。
数据采集系统由一个数据采集服务器240和一个或一个以上的数据采集终端220共同组成，数据采集终端220部署在一个或多个现场网络采集现场的传感器数据以及控制器114在线的交互指令数据；数据采集服务器 240部署在控制网络130，负责从数据服务器/历史数据服务器138获得数据，并通过无线方式接收来自数据采集终端220的现场数据，并对采集到的数据进行过滤、清晰、整合成为符合数据中心310要求的数据模型的数据，以便为数据应用提供更好的数据服务。
图2是本发明中数据采集终端220一个实施例的功能模块示意图，数据采集终端220由处理器221、存储器222、网络接口模块223、模拟/数字输入224、数据采集模块225、数据预处理模块226和可选的告警模块 227等功能模块组成，其中处理器221负责所有内部模块的数据计算和管理；存储器222存储所有需要保留的数据和信息；网络通信接口模块223与工业控制系统交换机的通信，接收控制网络130的传输的交互指令数据，并且负责与数据采集服务器240的无线通信，数据采集模块从网络通信接口模块223接收现场网络的传输的交互指令，经过对所用的工业控制协议的解析获得交互指令中包含的命令和数据，同时从模拟/数字输入接口224 接收来自现场传感器的数据；数据预处理模块226为来自数据采集模块的数据添加时间标识和未知/设备标识。
可选地，在数据预处理模块226的另一实施例中，数据预处理模块226 还可以对来自数据采集模块225接收到的数据进行冗余核减，即对同一时间接收到的同一数据对象的相同数据合并处理；此外，当对同一时间接收到的同一数据对象的数据差异超出预设的门限时，说明存在着数据被篡改的风险，数据预处理模块226将把相关的数据记录发送至告警模块227，告警模块227做异常处理。
图3是本发明中数据采集服务器240一个实施例的功能模块示意图, 数据采集终端240由处理器241、存储器242、网络接口模块243、数据采集模块244、数据处理模块245和告警模块246等功能模块组成，其中处理器241负责所有内部模块的数据计算和管理；存储器242存储所有需要保留的数据和信息；网络通信接口模块243与控制网络130的交换机132相连，接收控制网络的在线传输的数据包，并且负责与数据采集终端220 的无线通信，数据采集模块244从网络通信接口模块223从控制网络中数据服务区/历史数据服务器138采集数据，经过对所使用的工业控制协议的解析采集人机界面134和控制服务器136与控制器114的交互指令中包含的命令和数据，同时从网络通信接口243接收来自数据采集终端的数据；数据处理模块245为来自数据采集模块的数据添加时间标识和未知/设备标识，进行冗余核减，即对同一时间接收到的同一数据对象的相同数据合并处理；数据处理模块245还将整合后的数据进行格式转换成符合数据中心310的数据模型要求的数据。此外，当对同一时间接收到的同一数据对象的数据差异超出预设的门限时，说明存在着数据被篡改的风险，数据处理模块245将把相关的数据记录发送至告警模块246，告警模块246做异常处理。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
应该注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
