CN100492237C - 应用于流程工业过程控制系统的共享平台 - Google Patents

Abstract

一种应用于流程工业过程控制系统的共享平台，涉及过程控制系统共享平台技术领域。该共享平台包括：过程控制系统，其按系统功能划分为若干单一功能模块；数据交换器，实现外部系统中PLC与数据中心服务器之间的数据交互；模型服务器，为过程控制系统提供模型服务；报表服务器，为过程控制系统提供报表服务；数据中心服务器，数据流的中转站，为模型服务器、报表服务器以及过程控制系统提供数据共享服务；消息中心服务器，消息流的中转站，接收来共享平台其它模块以及过程控制系统的消息，可通过过程控制系统用户界面查看所有消息。优点在于，简化了流程工业过程控制系统的开发过程；为过程控制系统提供数据服务，消息服务，报表服务，模型服务。

Description

应用于流程工业过程控制系统的共享平台

技术领域

本发明涉及过程控制系统共享平台技术领域，特别是提供了一种应用于流程工业过程控制系统的共享平台。

技术背景

目前，流程工业过程控制系统的开发过程为：开发者根据现场控制系统(主要为PLC控制系统，目前主流品牌PLC主要有欧姆龙、西门子、三菱、施耐德、ABB、西门子系列。)解决数据采集问题，然后收集客户需求，定义过程控制系统的功能模块，以便满足不同用户对过程控制系统软件的需求。在这个过程中，开发者要解决的共性问题为：

1、解决作为过程控制系统数据源所有PLC的数据采集问题。

2、过程控制系统模块间的数据交互问题。

3、过程控制系统模块间的消息交互问题。

4、过程控制系统功能模块中的模型。

5、过程控制系统功能模块中的报表开发。

每个过程控制系统都要解决这些共性的问题，因此有必要把这些功能拿出来统一解决。本发明就是在此背景下设计开发的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于流程工业过程控制系统的共享平台，为流程工业过程控制系统提供数据服务、消息服务、模型服务和报表服务功能。

共享平台定位为现场PLC和过程控制系统之间的一个中间层，解决了现场控制系统和底层PLC之间的交互问题、统一了过程控制系统过程数据的表示形式和消息的表示形式，解决了过程控制系统单一功能模块之间数据交互与消息交互时多对多的耦合问题，并提供了过程控制系统共有功能模块模型和报表的基础框架，使过程控制系统开发者专著于控制算法和控制效果的研究上。

为了解决以上技术问题，本发明采用了下述技术方案：

本发明包含过程控制系统，其按系统功能划分为若干单一功能模块；数据交换器，实现外部系统中PLC与数据中心服务器之间的数据交互；模型服务器，为过程控制系统提供模型服务；报表服务器，为过程控制系统提供报表服务；数据中心服务器，数据流的中转站，提供数据服务；消息中心服务器，消息流的中转站，提供消息服务，包括系统消息、生产事件、生产事故等。图1描述了它们之间的关系，图中实线箭头代表数据流的流向，虚线箭头代表消息流的流向。数据交换器采集来自外部系统的数据后发送到数据中心服务器，数据中心服务器发布这些数据供报表服务器、模型服务器和过程控制系统使用。模型服务器将模型计算结果发送到数据中心服务器中。过程控制系统向报表服务器、模型服务器以及数据中心服务器发送用户输入数据或其它数据。一些在线运行的模型通过数据交换器将计算结果写到外部系统PLC中，实现控制。消息中心服务器接收来自数据交换器、模型服务器、报表服务器、数据中心服务器以及过程控制系统中的消息，用户通过过程控制系统用户界面查看消息中心服务器中的所有消息并做出相应的处理。

数据交换器，实现了共享平台与PLC之间的数据交换，数据交换器将从PLC采集的数据发送到数据中心服务器标签中心内。目前，大部分品牌的PLC都支持OPC规范，数据交换器是一个遵循OPC标准的和PLC进行数据交换的软件。

数据中心服务器(参见图2)。其包括标签中心，数据库。

标签中心，标签为过程数据的表示形式，标签中心服务器内存中存有所有要实现共享的实时过程数据。其通过服务器进程在内存中存储和检索过程数据，并提供实时数据服务。标签中心包含有一个标签初始化器，当标签中心出现空值标签时，发送默认标签值到标签中心，为空值标签赋予默认值。包含一个事件标签生成器，产生事件标签(如模拟量值的绝对/相对变化，开关量状态变化，计数变化)，当标签中心单一事件标签值发生变化时，事件标签生成器获取这些变化的单一事件标签生成更高级的事件标签，然后发送到标签中心。包含一个时钟标签生成器，产生时钟标签并发送到标签中心，时钟标签是一个定时器，周期性的触发。包含一个标签计算器，用来对数据进行二次计算。计算通过解析表达式进行，表达式可以包含算术运算符、数学函数、自定义函数。标签计算器从标签中心获取表达式需要的输入数据，计算完成后将计算结果发送到标签中心。包含一个标签缓存器，存储从标签中心得到的一段时间内的标签值，并提供数据服务。

数据库，采用关系数据库，用来存储配置信息和历史数据。为实现以上功能并保证数据库数据不过度膨胀。为数据库设计了一个数据写入器，它从标签中心获取标签并写入到数据库中。一个数据读取器：通过其读取数据库中的历史数据，提供历史数据服务。一个数据删除器，删除数据库中的过期数据使数据库保持正常响应速度并不过度膨胀。

数据中心服务器数据服务方式为：标签中心提供实时数据服务，标签缓存器提供短时间的内存历史数据服务，数据读取器提供长时间的历史数据服务。

消息中心服务器(参见图3)。其包括消息中心，数据库，日志文件。

消息中心：其服务器内存中存有来自数据中心服务器、数据交换器、报表服务器、模型服务器以及过程控制系统单一功能模块的最新消息。其通过服务器进程在内存中存储和检索消息，若有新的消息则根据消息的配置把历史消息写入数据库或日志文件中。用户通过过程控制系统中的用户界面查看所有消息，并做出相应的处理。消息主要是警告，信息，生产事件，生产事故，描述了系统状态。

数据库：关系数据库，可以为数据中心服务器中的数据库。用来存储历史消息。

日志文件：可以为写字板或其它文件，用来存储历史消息。

消息中心服务器消息服务方式为：用户通过过程控制系统用户界面查看消息中心的消息，从而了解系统的运行状况和过程控制控制效果。

模型服务器(参考图4)。模型为线性回归、非线性回归、神经元网络、支持向量机等。

模型服务器包含：

一个模型统一接口，提供了获取模型信息方法、更改模型信息方法、模型运行方法、模型在线训练方法。其中模型信息是指模型名称、模型类型、模型参数、模型说明、模型输入变量、输入变量数据类型、模型输出变量、输出变量数据类型。所有模型都继承该接口。

一些模型文件，通过给模型设定输入和输出，运行模型生成，其保存了模型参数。

一个模型配对文件，其保存了模型名称，模型运行时间，模型输入什么，输出到哪里。

一个模型接入器，其嫁接了数据与模型，循环扫描模型配对文件，到时间先从数据源把数据打包成运行模型所需要的参数格式，然后运行模型，把返回值拆包写入到标签中心。

报表服务器(参考图5)。报表为使用VSTO(VS.Net2005中Office类库)开发的Excel程序。

报表服务器包含：

报表模版，为Excel模版文件，由报表开发人员开发。

报表配置文件，为xml文件，保存了报名的名称，报表运行周期等相关信息，可通过过程控制系统报表配置器对其进行修改设置。

一个报表生成器，该模块循环扫描报表配置文件，打开其模板Excel文件，在打开模版文件时运行内部程序从数据中心服务器获取数据填充并格式化，将模板(已填充数据并格式化)另存为不含代码的纯Excel报表文件。过程控制系统报表浏览器可以远程访问已生成的报表文件。

报表文件：不含代码的excel文件，为已生成的历史报表文件。

共享平台优点在于：

1、由于过程控制系统的开发是建立在现场PLC基础之上的，当这个基础发生变化时，对过程控制系统的运行将产生很大的影响，导致维护困难。有了该中间层，即使PLC发生变化，过程控制系统不用改变。

2、过程控制系统功能模块之间的数据交换和消息传递转变为功能模块与数据中心服务器、消息中心服务器之间的交互，解除了过程控制系统各模块之间的耦合。

3、提供了模型服务以及报表服务，简化了过程控制系统模型和报表的开发。

说明附图

图1是共享平台体系结构图，包含了共享平台的主要模块及模块之间的交互关系。

图2是本发明数据中心服务器主要功能模块及模块间数据交互关系示意图。

图3是本发明消息中心服务器主要功能模块及消息流向示意图。

图4是本发明模型服务器提供模型服务的工作原理图。

图5是报表服务器提供报表服务的工作原理图。

图6是一个用于实施本发明的共享平台的示例性网络结构图。

具体实施方案

参见图6，为实施该发明的网络结构图。包含若干采集数据的PLC，共享平台服务器，过程控制系统。共享平台服务器中包含数据交换器、数据中心服务器、消息中心服务器、模型服务器、报表服务器。过程控制系统包含一台服务器和一台打印机。共享平台服务器通过工业以太网实现和PLC之间的数据交换。

参见图2，本发明中的数据中心服务器包含标签中心，标签缓存器，标签初始化器，时钟标签生成器、事件标签生成器、标签计算器、数据读取器、数据删除器、数据写入器、数据库、数据读取器。

参见图3，本发明中的消息中心服务器为虚线框中的部分，包含消息中心、数据库(与数据中心服务器中的数据库可为同一数据库)、日志文件。

实施过程为：

1、配置标签和消息

共享平台中标签和消息的配置在数据中心服务器数据库中实现，用来存储配置信息的数据表称为配置表。

(1)配置数据中心服务器要实现共享的所有标签

数据中心服务器标签中心模块中包含要实现共享的全部标签，这些标签必须首先在数据库配置表中配置，标签中心提供的标签只能是配置表中已配置的标签，用户可以根据需求在配置表中增加新的标签。

在系统启动或运行时，有些标签为空值标签，因此要在配置表中配置好这些标签的默认值，由标签初始化器初始化这些空值标签。

(2)标签的分类配置

标签中心的标签按来源分为数据交换器、单一功能模块、标签计算器、时钟标签生成器、事件标签生成器。因此要在数据库配置表中分别配置数据交换器要从PLC采集的标签，过程控制系统单一功能模块要向标签中心发送的标签，标签计算器要产生的计算标签、时钟标签生成器要生成的时钟标签、事件标签生成器要生成的事件标签。

标签缓存器中要缓存的标签来源于标签中心，根据实际需求在数据库配置表中配置要实现缓存的标签。

根据实际需求在数据库配置表中配置数据删除器要删除的标签，主要是删除时间和删除标签种类的配置。

配置数据写入器要要写入到数据库中的标签。

(3)消息配置

消息的配置主要是消息的分类/分级配置，分类是按向消息中心发送消息的模块进行分类，分级为信息、警告、错误。

2、提供数据服务和消息服务

分别配置好数据中心服务器和消息中心服务器的标签和消息后，启动消息中心服务器、数据交换器，数据中心服务器。数据中心服务器开始接收和发布标签，消息中心服务器开始接收和发布消息。过程控制系统单一功能模块、报表服务器、模型服务器向数据中心服务器请求标签。通过过程控制系统用户界面查看消息中心服务器中的所有消息。

3、模型服务器提供模型服务。

图4描述了模型的使用过程。模型服务器包含模型统一接口、模型配对文件、模型接入器。

具体步骤为：

(1)建模人员根据模型统一接口，建立模型，并运行模型生成模型文件，模型文件为xml文件，保存了模型参数。

(2)建立模型配对文件，模型配对文件为xml文件，保存了模型名称、运行时间，输入什么，输出到哪里。

(3)模型接入器循环扫描模型配对XML文件，到时间先从数据源把数据打包成运行模型所需要的参数格式，然后运行模型，把返回值拆包写入到数据中心服务器标签中心。

(4)模型运行一段时间后会积累一些新样本，此时可能需要模型在线自学习(如神经网络再训练)，模型统一接口中提供了该方法。模型接入器利用数据源与模型输入、输出的配对在指定训练条件满足(时间周期/新样本个数/模型误差)时调用模型在线学习方法，如果获得了收敛，则用新模型替换旧模型。

4、报表服务器提供报表服务。

图5描述了报表的使用过程，报表服务器包括报表模版、报表配置文件、报表生成器、报表文件。

具体步骤为：

(1)开发人员用VSTO(VS.Net2005中Office类库)创见Excel工程，生成一个报表模板，模板中实现了数据抽取，格式化。

(2)用户通过过程控制系统报表模块中的报表配置器远程配置报表，包括报表何时生成、存储路径。

(3)报表生成器循环扫描已配置报表，打开其模板Excel文件，在打开模版文件时运行内部程序将数据填充并格式化，最后将模板(已填充数据并格式化)另存为不含代码的纯Excel报表文件。

(4)生成的报表文件放在报表服务器上，用户通过过程控制系统报表浏览器定位到报表后将其从报表服务器Excel变成Stream传递到客户端再逆转成Excel进行查看。

(5)打印报表。

Claims (8)

1、一种应用于流程工业过程控制系统的共享平台，其特征在于，包括过程控制系统，其按系统功能划分为若干单一功能模块；数据交换器，实现外部系统中PLC与数据中心服务器之间的数据交互；模型服务器，为过程控制系统提供模型服务；报表服务器，为过程控制系统提供报表服务；数据中心服务器称作数据流的中转站提供数据服务；消息中心服务器称作消息流的中转站提供消息服务，包括系统消息、生产事件、生产事故；它们之间的关系为：数据交换器采集来自外部系统的数据后发送到数据中心服务器，数据中心服务器发布这些数据供报表服务器、模型服务器和过程控制系统使用；模型服务器将模型计算结果发送到数据中心服务器中；过程控制系统向报表服务器、模型服务器以及数据中心服务器发送用户输入数据或其它数据；一些在线运行的模型通过数据交换器将计算结果写到外部系统PLC中，实现控制；消息中心服务器接收来自数据交换器、模型服务器、报表服务器、数据中心服务器以及过程控制系统中的消息，用户通过过程控制系统用户界面查看消息中心服务器中的所有消息并做出相应的处理。

2、按照权利要求1所述的共享平台，其特征在于，数据交换器，实现了共享平台与PLC之间的数据交换，数据交换器将从PLC采集的数据发送到数据中心服务器标签中心内；PLC都支持OPC规范，数据交换器是一个遵循OPC标准的和PLC进行数据交换的软件。

3、按照权利要求1所述的共享平台，其特征在于，数据中心服务器包括标签中心，数据库；

标签中心，标签为过程数据的表示形式，标签中心服务器内存中存有所有要实现共享的实时过程数据；标签中心通过服务器进程在内存中存储和检索过程数据，并提供实时数据服务；标签中心包含有一个标签初始化器，当标签中心出现空值标签时，发送默认标签值到标签中心，为空值标签赋予默认值；包含一个事件标签生成器，产生事件标签，事件标签为模拟量值的绝对/相对变化，开关量状态变化，计数变化，当标签中心单一事件标签值发生变化时，事件标签生成器获取这些变化的单一事件标签生成更高级的事件标签，然后发送到标签中心；包含一个时钟标签生成器，产生时钟标签并发送到标签中心，时钟标签是一个定时器，周期性的触发；包含一个标签计算器，用来对数据进行二次计算；计算通过解析表达式进行，表达式包含算术运算符、数学函数、自定义函数；标签计算器从标签中心获取表达式需要的输入数据，计算完成后将计算结果发送到标签中心；包含一个标签缓存器，存储从标签中心得到的一段时间内的标签值，并提供数据服务。

4、按照权利要求3所述的共享平台，其特征在于，数据中心服务器数据服务方式为：标签中心提供实时数据服务，标签缓存器提供短时间的内存历史数据服务，数据中心服务器的数据库中的数据读取器提供长时间的历史数据服务。

5、按照权利要求1所述的共享平台，其特征在于，数据库采用关系数据库，用来存储配置信息和历史数据；为存储配置信息和历史数据并保证数据库数据不过度膨胀，为数据库设计了一个数据写入器，它从标签中心获取标签并写入到数据库中；一个数据读取器：通过其读取数据库中的历史数据，提供历史数据服务；一个数据删除器，删除数据库中的过期数据使数据库保持正常响应速度并不过度膨胀；关系数据库为数据中心服务器中的数据库，用来存储历史消息。

6、按照权利要求1所述的共享平台，其特征在于，消息中心服务器包括消息中心，数据库，日志文件；

消息中心：其服务器内存中存有来自数据中心服务器、数据交换器、报表服务器、模型服务器以及过程控制系统单一功能模块的最新消息；其通过服务器进程在内存中存储和检索消息，若有新的消息则根据消息的配置把历史消息写入数据库或日志文件中；消息包括警告，信息，生产事件，生产事故，描述了系统状态；

消息中心服务器消息服务方式为：用户通过过程控制系统用户界面查看消息中心的消息，从而了解系统的运行状况和过程控制控制效果。

7、按照权利要求1所述的共享平台，其特征在于，模型服务器的模型为线性回归、非线性回归、神经元网络或支持向量机；

模型服务器包含一个模型统一接口，提供了获取模型信息方法、更改模型信息方法、模型运行方法、模型在线训练方法；其中模型信息是指模型名称、模型类型、模型参数、模型说明、模型输入变量、输入变量数据类型、模型输出变量、输出变量数据类型；所有模型都继承该接口；

模型服务器包含一些模型文件，通过给模型设定输入和输出，运行模型生成，其保存了模型参数；

模型服务器包含一个模型配对文件，其保存了模型名称，模型运行时间，模型输入什么，输出到哪里；

模型服务器包含一个模型接入器，其嫁接了数据与模型，循环扫描模型配对文件，到时间先从数据源把数据打包成运行模型所需要的参数格式，然后运行模型，把返回值拆包写入到标签中心；所述的到时间指配对文件保存的模型运行时间。

8、按照权利要求1所述的共享平台，其特征在于，报表服务器的报表为使用VSTO开发的Excel程序；

报表服务器包含：

报表模版，为Excel模版文件；

报表配置文件，为xm1文件，保存了报表的名称，报表运行周期，过程控制系统报表配置器可以对其进行修改设置。

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