一种基于PLC控制器的多源数据集群管理系统及方法与流程

本发明涉及数据管理，具体为一种基于plc控制器的多源数据集群管理系统及方法。

背景技术：

1、可编程逻辑控制器（plc）是一种数字式电子装置，用于自动化生产过程中的控制，通过编写程序来实现对机器设备与生产线的控制和监控。plc在工作时，需要对输入信号进行采样，采样结果作为激励信号执行预置程序，最后驱动外设输出，因此通常以集群模式进行工作，各plc间存在输出控制上的联系，以实现更复杂的控制和监控任务。

2、由于plc采用集中采样输出的工作方式，输入状态的变化需要在下一个采样周期才能被接收，再加上输入滤波时间和输出电路的滞后时间，导致输出信号相比于输入信号存在滞后现象，滞后现象会持续一个周期，影响工业生产线的协调程度，同时也会降低生产线的运转速度。

3、此外，plc集群是一个高度集成化的系统，如果集群中的某个plc出现故障，可能会导致整个系统的部分或全部失效，虽然可以通过设计冗余机制来处理这种情况，但设置冗余需要额外的成本，且冗余设备也存在由于环境影响一并损坏的风险。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于plc控制器的多源数据集群管理系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于plc控制器的多源数据集群管理系统，包括：集群关联模块、定点时延模块、激励预测模块、输出修正模块和排障协调模块；

3、所述集群关联模块用于利用plc之间的通信传输链路，汇总各plc的采样结果与输出结果，根据所有plc控制器的历史输入信号与历史输出信号，对于每一个plc控制器的输出信号，建立与其他plc输出信号之间的关联函数；

4、所述定点时延模块用于在生产线工作前，对集群中的每一个plc输出时变激励，根据plc的输出结果与信号扫描周期，计算plc集群的最小信号时延，再根据plc的编号与最小信号时延，使plc的采样时延依次后移最小定点时延的整数倍；

5、所述激励预测模块用于对每一个plc，根据集群中其他plc在上一周期的输出信号采样结果与plc输出信号之间的关联函数，预测当前plc的输出信号，通过反演运算，计算plc输入信号的预测值；

6、所述输出修正模块用于根据plc上一输入扫描周期的采样值，计算预测值的历史准确度，根据历史准确度的平均值修正预测值，将修正后的预测值作为输入激励输入plc中，输出控制信号；

7、所述排障协调模块用于生成影响函数，根据影响函数的突变率，判断plc集群的故障状态，根据信号的预测过程中去除的拟合函数定位故障plc，并在故障plc得到维修前利用预测值与历史准确度代替其进行输出控制。

8、进一步的，所述集群关联模块包括：信号传输单元和关联拟合单元；

9、所述信号传输单元用于在各个plc之间建立通信连接，共享各plc的输入采样结果和输出结果；

10、所述关联拟合单元用于根据各plc的输出结果，对于每一个plc的输出信号，拟合出与其他plc输出信号之间的关联函数。

11、进一步的，所述定点时延模块包括：集群周期单元、最小时延单元和采样调整单元；

12、所述集群周期单元用于调制时变信号，在plc集群工作前向各plc中输入所述时变信号，根据plc输出信号值测试各plc的输出延迟；

13、所述最小时延单元用于根据plc的输出延迟和信号扫描周期，计算plc集群的最小信号时延；

14、所述采样调整单元用于根据plc的编号，依次将plc的采样时间后延最小定点时延的整数倍。

15、进一步的，所述激励预测模块包括：输入关联单元和周期消除单元；

16、所述输入关联单元用于利用集群中其他plc控制器在上一周期的输出信号以及plc输出信号间的关联函数，对plc的输出信号进行预测；

17、所述周期消除单元用于根据plc的输出信号与预置程序，计算plc输入信号的预测值。

18、进一步的，所述输出修正模块包括：采样偏离单元和预置处理单元；

19、所述采样偏离单元用于根据plc输入信号的周期，在plc采样总时延到达周期的整数倍时，计算预测值与实测值的差异，得到预测值的准确度；

20、所述预置处理单元用于根据历史多个周期内预测值的准确度，计算下一个预测值的修正系数，将预测值进行修正后作为激励进行输出。

21、进一步的，所述排障协调模块包括：函数监测单元、故障定位单元和替代工作单元；

22、所述函数监测单元用于在数据库中记录每次循环的历史准确度，生成历史准确度与循环周期的影响函数，监测影响函数的突变率，当所述突变率高于阈值时，判断集群存在故障plc；

23、所述故障定位单元用于依次从信号的预测过程中去除plc，直到突变率低于阈值，将引发所述影响函数突变率降低的plc标记为故障plc并发出警报；

24、所述替代工作单元用于在故障plc得到维修前，利用plc输出信号的预测值以及历史准确度替代plc的输出信号驱动外设进行工作。

25、一种基于plc控制器的多源数据集群管理方法，包括以下步骤：

26、步骤s1.调制时变信号，在plc集群工作前向各plc中输入所述时变信号，根据各plc的输出信号计算plc集群的最小采样时延，根据集群中plc的编号分配不同采样时延，所述采样时延为最小采样时延的整数倍；

27、步骤s2.在集群中的各plc控制器之间建立通信连接，共享各plc的输入采样信号和输出结果，根据各plc的输出结果，计算每两个plc之间的输出关联函数；

28、步骤s3.在plc完成采样后，根据上一周期其他plc的采样数据与输出关联函数计算plc在各采样时刻输出信号的预测值，构成预测序列，根据采样历史与所述预测序列，计算当前时刻输出信号的预测值；

29、步骤s4.在plc下一次采样后，根据采样值与实测值的差异设置下一个周期的修正系数，从而对下个周期的预测值进行调整，将修正后的预测值作为激励输出；

30、步骤s5.在数据库中记录每次采样时plc的修正系数，拟合修正系数与采样次数的时序函数关系，监测时序函数的突变率，从而识别故障plc进行警报，并利用故障plc的预测值替代输出信号驱动外设。

31、进一步的，步骤s1包括：

32、步骤s11.调制单位时变信号y=k·t，其中y代表信号值，k为预设参数，t代表时间，在各plc的输入端输入所述时变信号；

33、步骤s12.对各plc执行时延计算方法，计算各plc的输出时延，所述时延计算方法如下：

34、将plc在t0时刻的输出结果记作z，所述t0为预设时刻，且t0＞0，则存在ts=z/k-t0，将ts作为plc的输出时延；

35、步骤s13.将步骤s12中输出时延的最大值记作plc集群的最小采样时延，对集群中的plc进行编号，并为各plc分配采样时延，分配结果记为{tw1,tw2,…,twn}，其中n为集群中plc的数量，twn代表编号为n的plc的采样时延，所述twn=n·tp，其中tp为plc集群的最小采样时延。

36、进一步的，步骤s2包括：

37、步骤s21. 在集群中的各plc中建立通信链路，将各plc的输入采样信号和输出结果汇总到数据库中，以时间为自变量，plc的输出结果为因变量，拟合各plc的输出函数；

38、步骤s22.对于集群中的每一个plc执行关联建立方法，建立当前plc与其他plc间的输出关联函数，所述关联建立方法如下：

39、从其他plc中选定一个plc作为目标plc，将当前plc的输出函数记为f(t），目标plc的输出函数记为g（t），则存在关系：

40、

41、函数f（t）与g（t）代入，得到函数h（t），h（t）为当前plc与目标plc的输出关联函数；

42、步骤s23.按照步骤s22的方法，计算出集群中每两个plc之间的输出关联函数。

43、进一步的，步骤s3包括：

44、步骤s31.在编号为i的plc对输入信号完成一次采样后，从数据库中获取上一个周期中其他plc的输出结果，构成目标序列[gi+1,gi+2,…,gn-1gn,g1,…,gi-1]，其中，gn代表编号为n的plc在上一个周期内的输出结果；

45、步骤s32.根据当前plc与其他plc的输出关联函数，对所述目标序列中的元素进行处理，得到各采样时刻输出信号的预测值，构成预测序列[hi+1（gi+1）,hi+2（gi+2）,…,hn（gn）,hn(g1),…,hn(gi-1)]，其中hn代表编号为i的plc与编号为n的plc间的输出关联函数；

46、步骤s33.根据编号为i的plc在上一个周期的历史输出值以及所述预测序列，对plc在twi时长后的输出信号值进行预测：

47、

48、其中，q代编号i的plc在twi时长后输出信号的预测值，q0代表编号i的plc在上一次输入采样对应的输出值，wj代表预测序列中第j个元素，c代表修正系数，初始值为0；

49、步骤s34.等待twi时长后，使编号为i的plc发出输出信号，所述输出信号的值为q。

50、进一步的，步骤s4包括：

51、步骤s41.在编号为i的plc再次完成采样后，将本次采样值作为输入激励，计算对应的输出值qr，并利用步骤s3的方法预测采样时刻plc的输出信号值qt；

52、步骤s42.根据实际采样输出值与预测出的输出信号值，计算下一次预测的修正系数：

53、

54、其中，c0代表下一次预测的修正系数；

55、步骤s43.把修正系数c更新为c0，若接收到结束命令则令plc停止运行，若未接收到结束命令则转到步骤s3。

56、进一步的，步骤s5包括：

57、步骤s51.将步骤s4中下一次预测的修正系数c0记录在数据库中，并根据plc每次采样后得到的c0值与采样次数，拟合c0值与采样次数间的函数关系l（x），其中x代表plc的采样次数，l（x）代表plc进行第x次采样时计算得到的c0值；

58、步骤s52.对函数l（x）求导，得到l（x）的导函数ln（x），监测导函数ln（x）的取值，当存在x0，使ln（x0）≥cl时，判断plc集群存在异常，转到步骤s53，所述cl为预设阈值；

59、步骤s53.依次去除所述预测序列中的元素，再次按步骤s3-步骤s4的方法计算c0值，并利用更新后的c0值重新拟合函数l（x），重复步骤s52，若ln（x0）的值未减小，则再次去除预测序列中的元素，直到ln（x0）的值减小为止，最后取出的元素记为异常元素；

60、步骤s54.根据异常元素对应的plc编号，将对应编号的plc记为异常plc并进行报警，在异常plc得到维修前，令异常plc的修正系数c=1，利用步骤s3中的方法预测异常plc的输出，把预测值作为故障plc输出信号的替代，驱动故障plc的外设进行输出。

61、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

62、本发明能够根据plc控制器的历史输入信号与输出信号，建立各plc之间的输出关联，使全部plc控制器的采样时延按位次依次后移固定时长，以人为延迟代替机器延迟，使延迟更加可控，让plc控制器能够从多源数据中学习和优化控制策略，提高系统的性能和效率。

63、本发明能够计算上一周期各plc控制器的输出采样，按照输出关联与时延倍数，对当前时点的采样数据进行预测，并根据上一采样时点的采样值，拟合预测值的准确度变化，从而对人为时延进行累进消除，减少输出时延，提高工业系统的可靠性、灵活性和扩展性。

64、本发明能够plc性能发生突变时，依次去除各plc控制器的拟合函数，识别故障plc控制器，并用预测采样与历史准确度驱动外设输出，替代故障plc设备进行工作，可以减少生产中断的风险，确保生产过程的稳定运行，也便于进行plc集群系统的维护和升级，提高系统可靠性，