多点数据采集系统设计与分析 桥头镇多点数据采集器
编辑整理：整理来源：抖音，浏览量：67，时间：2022-09-27 19:00:01
多点数据采集系统设计与分析，多功能数据采集系统，多路数据采集系统设计
前沿：多点数据采集系统设计与分析
B
【答案解析】本题考查操作风险管理工具。损失数据收集是银行对操作风险引起的损失事件进行收集、报告并管理的相关工作。参见教材P111。
前言
网络慢、ping延时大或丢包等现象是网络运维中常见故障之一，如何精确定位故障原因，存在一定的难度和可行性，类似这类故障无法通过网管系统或Agent方式采集数据分析定位。
本案例是某高校门户网站间歇性故障分析过程，涉及到数据包重传分析，现整理并分享，希望对运维人员有所帮助和启发。
摘要
通过前面的多点采集分析，确定故障原因并非WAF所致。
本节进一步结合服务器端采集的报文，对比分析。
分析精确定位到故障对象，并详细剖析和解答了为何出现故障，以及故障又是如何恢复，为解决问题提供了明确指导和参考。
调整数据采集点
为了进一步精确定位问题位置，本次分析采用了多点采集数据的方式。如下图所示，分别在服务器，服务器汇聚交换机和WAF与核心交换机等3个位置采集数据。
便于记录，这里分别命名3个采集点为采集点1、采集点2和采集点3。
故障分析
数据采集设置完成后，系统持续采集数据包。
下面对2019年11月4日17点20分左右的故障进行分析。
如下图。
故障发生时，针对同一个TCP会话流数据，我们对3个点采集报文做了比较分析。发现如下结果：
采集点1：主动发送TCP连接请求，没有看到响应，持续重传；采集点2：汇聚交换机上，看到了采集点1发送的请求信息，也看到了对应的响应数据信息，持续重传；采集点3：看到和采集点2相同信息，持续重传。详细对比图如下。
在222.111.66.180(虚假地址)出现故障期间，我们对同网段的其它主机通讯情况做了分析。下图是222.111.66.251(虚假地址)的网络传输情况，此时正常。
这说明故障只发生在网关（汇聚交换机）和服务器222.111.66.180中间。
深入分析
通过对相关数据包的深入分析，我们发现，出现故障的时候，网关222.111.66.1 ARP表中没有了222.111.66.180的条目，或者有但不正确。
这说明网关找不到服务器222.111.66.180，进而造成丢包。
如下图，故障期间，从采集点2看到，网关222.111.66.1上的ARP表信息发生变化，网关无法获取到服务器222.111.66.180的MAC地址。
网关多次广播查询服务器MAC地址，均无结果。
接着，我们从采集点1看，即在服务器上看。
如下图框选内容，服务器看到了寻找它的ARP请求，但没有响应。这里的ARP信息和采集点2看到的一模一样。
这里，由于服务器本身原因，造成故障。
那么，故障又是如何恢复的呢？
在服务器经历一段时间的数据包重传后，服务器180主动更新一次ARP信息。下图Frame 274表示服务器询问网关的MAC地址，Frame 275是网关立即响应，告诉了自身物理地址。
故障立即消失。
这里，也是由于服务器本身的动作，应用恢复正常。
分析结论
故障范围已被大大缩小；
故障对象是应用服务器；
故障产生原因是由于网关找不到服务器MAC地址；
服务器看到了网关的ARP请求，没有响应；
故障恢复的原因是，服务器主动发起了ARP更新请求，得到了网关响应；
出现故障时，同网段其它服务器通讯正常。
问题解决建议
由于故障对象被锁定为服务器本身。
接下来查找问题就相对简单了。
造成故障的对象包括：服务器和交换机2端网卡及设置，传输介质质量等，建议对这部分进行检查，可使用替换对象的方法来排除。
故障解决及验证
根据分析结论，造成故障的对象是服务器。
网管人员尝试重启网卡，但在进行网卡重启时，始终无法重启网卡。
随后重启操作系统，网卡恢复正常，故障再无发生。
系统连接信息验证
下图是故障解决后，该系统的网络运行情况视图。
故障恢复前，该应用服务器每隔一段时间，发送的连接数明显下降，失败数对应上升。
故障恢复后，再没有出现连接数下降现象。
ARP数据分析验证
同样，我们通过对采集点2和采集点3的ARP数据进行分析。服务器再没有出现自身ARP请求响应问题，因此故障再无发生。
补充拓展：多点数据采集系统设计与分析
我国目前中小容量机组(200 MW及以下)在火电厂中占相当大的比例，这些机组的监控模式为模拟控制系统加以常规仪表为主的数据采集系统。这种监控模式存在着检修维护工作量大、没有可靠的历史记录等缺点。而且常规模拟仪表也进入老化淘汰期，设备可靠性明显降低，某些仪表的备品备件也得不到保障，因此中小型机组监控系统的技术改造工作已势在必行。结合我国国情，借鉴国内类似系统的研制经验，开发出一套经济实用的FDC-Ⅱ型分布式发电厂运行实时数据监测系统，既可用于中小机组技术改造，又可应用于变电站、供电局等电力生产、管理部门。该系统目前已在桥头镇省某150 MW火力发电厂投入实际运行。1 系统功能与特点
1.1 功能简介
目前我国国产机组热控装置的质量和主辅机的可控性不尽人意，设计、安装、调试、运行水平等都存在一些问题，针对这一现状设计了FDC-Ⅱ型分布式发电厂运行实时数据监测系统。它是只有监视功能而没有控制功能的计算机监视系统，即数据采集系统——DAS〔1〕。
该系统可以采集的发电厂运行数据包括电气参数和非电气参数两类。其中电气参数主要有电流、电压、功率、频率等模拟量，断路器状态、隔离开关位置、继电保护动作信号等开关量以及表示电度的脉冲量等。而非电气参数种类较多，既可以是采集火力发电厂运行中的各种温度、压力、流量等热工信号，也可有水电厂中的水位、流速、流量等水工信号，还可以采集诸如绝缘介质状态、气象环境等其它信号。
该系统还包括用Visual C+ +开发的后台处理软件，主要有数据处理、数据库管理、实时监视、异常处理、统计计算及报表、性能分析及运行指导等功能。
1.2 主要特点
该系统具有如下特点：
a. 数据采集通用性较强。不仅可采集电气量，亦可采集非电气量。电气参数采集用交流离散采样，非电气参数采集采用继电器巡测，信号处理由高精度隔离运算放大器AD202JY调理，线性度好，精度高。
b. 整个系统采用分布式结构， 软、硬件均采用了模块化设计。数据采集部分采用自行开发的带光隔离的RS-485网， 通信效率高， 安全性好， 结构简单。后台系统可根据实际被监控系统规模大小及要求， 构成485网、Novell网及Windows NT网等分布式网络。由于软、硬件均为分布式、模块化结构，因而便于系统升级、维护， 且根据需要组成不同的系统。
c. 数据处理在Windows NT平台上采用Visual C+ +语言编程，处理能力强、速度快、界面友好，可实现网络数据共享。
d. 整个系统自行开发，符合我国国情。对发电厂原有系统的改动很小，系统造价较低，比较适合中小型发电厂技术改造需要。
2 系统结构概述
系统采用全分布式结构，模块化的软、硬件设计，RS-485光隔离通信网络。系统的结构如图1所示。采集模块完成热工量、开关量、脉冲量及电流、电压和有功、无功功率的采集处理。主通信控制器负责管理网上数据通信，通信转换器则完成RS-485与RS-232的电平转换，将采集的实时数据送到微机室、主控室、厂长室等各处的PC机中，以丰富友好的人机界面显示全面的运行信息。
图1 系统结构简图
2.1 硬件设计
硬件电路是数据采集和处理的基础。首先为该系统设计开发了一套实用的电路板。它们以Intel 80C196和Intel 80C198 CPU为基础，配合数据采集、通信控制、人机联系等电路，形成了一套比较完整实用的硬件电路系统。各电路板的尺寸与目前国内流行的STD总线板完全一致，采用我们自己定义的背部56总线连接板将若干块电路板连接在一起，构成数据采集工作站，完成数据的采集和通信工作。该系统的电路板主要有以下几种类型。
2.1.1 80C196主CPU板
a. Intel 80C196 16位微控制器及相连的程序存储器27256、数据存储器62256；
b. 1块512字节电可改写的串行E2PROM 93C66，用于存储系统定值、运行参数以及诸如电度量等累计量；
c. 2个并行口及其辅助逻辑电路，用于与外部其它电路板相连接；
d. 1个光电隔离的RS-485或RS-232接口，用于构成分布式通信网络或串行通信。
2.1.2 80C198交流采样数据采集板
a. Intel 80C198准16位微控制器及相连的程序存储器27256、数据存储器62256。
b. 512字节的串行E2PROM 93C66。
c. 交流采样电路，由3块多路切换开关13508和1块模数转换器AD574组成。通过交流采样的方式，采集16路电气参数，省却了电量变送器等辅助设备。由于采用了12位A/D转换器AD574，系统的数据采集精度得到了较大程度的提高。
d. 测频电路，用于测量工频周期。
其功能主要是与主CPU板相配合，完成交流离散采样电气参数的数据采集。该板上有自己的CPU(Intel 80C198)，进行交流离散采样采集数据时将大大减轻主CPU的工作负担，并能够完成一些较为复杂的数据处理工作。
2.1.3 遥信、脉冲量采集板
可采集16路遥信信号或16路脉冲信号，各路信号均采用光电隔离技术，以保证系统的安全和可靠性。每一块CPU板可以支持4块遥信量、脉冲量采集板，这样一个采集结点，最多可以采集64路遥信量或者脉冲量。该电路板主要用于对开关位置状态信号、继电保护动作信号的遥信量和各种脉冲量的数据采集。
对遥信量的采集可用两种方式实现。查询方式可以简化采集软件的设计；中断方式则能够保证遥信变位时的快速响应，以提高对紧急事件的处理能力和事件顺序记录的分辨率。
2.1.4 热工量信号采集板
通过继电器巡测的方法，采集16路热工信号，可用于热电偶输出的毫伏级信号、毫安级的小电流信号和热电阻输出的电阻信号的数据采集。
使用继电器巡测的目的是隔离，在继电器没有闭合时，整个采集系统与热工测量元件之间是隔离的，即使是在继电器闭合期间，各路采集信号之间也是相互隔离的。这既保证了系统的安全可靠，又不至由于采集系统的投入而影响原有的测量仪表的测量精度。考虑到热工信号共同的特点是变化相对较慢，所以采用继电器巡测。经过反复实验证明，每一路信号的采集时间最小控制在10 ms，就能保证信号采集正确，完全能够满足热工量采集的时间要求。
在该电路板上，设有一块高精度线性隔离运算放大器AD202，用于信号调理放大。这种运算放大器最大非线性度仅为±0.025%，这就为高精度数据采集测量提供了可能；具有较高的共模抑制比，在放大倍数为100时，其共模抑制比可达130 dB，抗共模干扰能力较强；具有隔离作用，其内部有专门的振荡电路(振荡波频率为25 kHz)，将输入端测量信号用振幅调制的方法，经变压器隔离耦合到输出端，从而实现隔离放大的目的，其输入和输出之间的隔离电压可以达到峰—峰值±2 000 V，完全可以满足一般电力系统数据采集隔离放大的需要。对于热工信号的数据采集和处理，它是较为理想的隔离运算放大器。
2.2 软件设计
若数据采集的工作对硬件设计有较高的要求，则数据处理主要依赖于软件。我们为电力系统数据采集与处理系统开发的系统软件分为两大部分：实时监控软件和后台数据处理软件。这里主要介绍实时监控软件的设计。
软件采用Intel 80C196的汇编语言编写。由于系统需要采集的电气量和热工量的数目很多，如何保证系统的实时性则显得至关重要。对电气参数的采集采用了交流离散采样技术，该技术现在已经发展得比较成熟，实时性比较容易保证；而对热工量采集，由于采用了继电器作为隔离和多路选择器件，其动作速度相对于电子电路来说则比较慢，因此更需要重视数据测量的实时性。为此设计了实时多任务操作系统，同时在通信方面作了精心设计，有效地提高了系统的实时性。
对于CPU所要完成的各种不同任务，根据其重要性和执行特点，赋予了不同的优先级，原则上是优先级越高的任务被执行的频率越高。例如，对遥信量扫查采集任务每隔10 ms执行一次，而对LED显示刷新任务则每隔500 ms执行一次。这样既可以保证紧急任务的随时执行，又不至于使CPU过多地忙于处理一些非紧急任务而影响系统的实时性。具体的做法是通过设置一个任务标志字，规定其16位分别对应着16个用户任务，如果需要执行某个任务，则置对应的任务标志位为1，反之则清0。通过80C196的软件定时中断程序，定时地为各种任务设置执行标志，操作系统就可以确定在任意时刻需要执行的任务。然后，设计一个任务扫查程序，它循环地检查任务标志字中的每一位，以确定是否需要执行对应的任务，从而保证对于各个任务的及时处理.