CN101395577B - 用于评估的方法、自动化系统和控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对用于控制自动化系统中的过程的应用进行评估的方法。所述应用存储在控制器中，而且在控制器内部有应用的至少两个版本。该方法包括以下步骤：将从所述过程中获得的输入信号输入应用的不同版本中；基于所述输入信号在控制器中针对不同版本执行任务；生成报告，所述报告包含来自应用的不同版本中的输出的比较；以及基于所生成的报告评估未用于控制过程的版本。由此实现了一种修改自动化系统的改进的方法。本发明也涉及这样的控制器和自动化系统。

Description

用于评估的方法、自动化系统和控制器

技术领域

本发明涉及自动化领域，并且特别地涉及如在权利要求1前序部分中所限定的、一种对用于控制自动化系统中的过程的应用进行评估的方法，如权利要求13前序部分中所限定的自动化系统，以及如权利要求19前序部分所限定的控制器。

背景技术

自动控制或自动化在工业生产中非常重要，例如为了消除单调而令人厌倦的任务以及减少在生产线上的危险元素。通常，自动化也提高了过程的效率以及质量，并且是满足当今对于无环境影响且经济地生产的要求的极好的手段。

在典型的工厂中，不同的过程段以某种方式被链接，或者通过过程流或者通过能量流。这种情况导致如下缺点：快速地关停一个过程段引起位于上游和下游的其他过程段的关停，并最终引起整个工厂的关停。因为生产的停止是相当昂贵的，所以对利用这种过程控制系统的工厂而言具有持续的可利用性是非常重要的。起动工厂通常是一个费时的过程，经常需要几个小时或甚至几天。在一个段中的停止因此会引起可能在数百万美元范围内的生产损失。此外，停止和重启也引起过程设备和催化剂上的额外的损耗。这又使得需要更频繁的维护工作、保养以及催化剂更换，因而增加了运行的长期成本。

常常必要的是，对控制这些过程的方法做改变，以便提高设备的利用率、减少缺陷和偏离规格的质量、优化能量消耗等等。因此，系统软件的定期更新对于改善现有例程以及对于改正所使用的例程的缺点是必要的。因此持续开发控制过程的控制程序，以满足变化的需求。考虑到与生产停止相关的高成本，控制程序的这种改变通常是在线地实施的，但是在线地进行改变需要承担令人烦恼的、过程被改变的风险，而且在升级过程应用时必须小心。

更具体而言，当要做出这种更新时，当前正在使用的版本被新的、升级的版本覆盖。如果新版本没有被适当地下载，如果新的版本包含缺陷，或者如果它是不起作用的，或者如果它包含与系统的、不可预见的非兼容性，则这可能导致严重的问题，例如导致在所控制的过程中的干扰或不稳定。如果需要回到旧版本，则以前的代码必须被重新下载。生产则可能中止，直到旧的版本被重新建立并运行。如所述的，在生产中的这种中断是极其昂贵的，或者视所讨论的行业而言甚至可能是危险的。预见控制应用的新版本是否会在真实的环境中起作用是困难的，并且如果其不起作用的话，很难知道所述应用的哪一部分没有令人满意地运行。

在已公开的专利文献US5,491,625中描述了一种解决这些问题的方法。在该专利公开中说明的方法使用了两个紧密地彼此耦合的控制器，例如一个主控制器和一个冗余控制器。控制器中的一个运行控制程序的当前版本，另一个执行新版本。两个控制器都从过程中读取值，但是来自第二控制器的输出被阻塞，使得只有来自第一控制器的输出可以影响过程。在使用者进行转换以让新版本有效控制过程之前，他或她可以比较两个控制器的结果并且因此确定控制程序的新版本是否以正确的方式运行。这种解决方案的情形的困难在于需要两个控制器，这增加了成本。更进一步的困难在于，需要在两个控制器之间的某种同步和裁决机制，以便使执行周期同步、在来自两个控制器的过程输出之间进行裁决、确定结果中的任何不同以及产生差别报告。这种同步必须非常严密，以确保对于每个执行周期两个控制器使用与过程输入以及外部变量的同样的样本相关的过程输入值。这进一步增加了所提出的解决方案的复杂度和成本。然而，更进一步的困难在于，如果这两个控制器是主控制器和冗余控制器，则冗余控制器被用于执行控制程序的新版本，由此并不用作主控制器在评估期间的备用。

因此，希望提供一种改变或升级在系统内部的控制程序版本或应用程序版本的改进的方法，并且使得这种改变或升级在生产中不产生干扰。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种方法，用于确保要安装的应用的新版本能运行，并且重要的是，在真实的环境中和在实际的条件下能运行，导致平滑并且安全的从一个版本至另一个版本的转换，由此减少了现有技术中的缺点。

另一目的是实现软件修正而不中断或者甚至不干扰控制器应用的正在进行的执行。

又另一目的是提供一种途径以帮助操作者最小化在对控制程序做出改变时涉及的风险。这通过使得操作者明白控制应用的现存版本和新版本之间的差别，以及也使操作者明白可能由新版本引起的、在过程输出中潜在的步骤改变来实现。

另一目的是提供一种用于评估控制程序的新版本的方法，该方法可以仅仅利用一个控制器来实施。然而，又另一目的是提供这种方法，使得当使用一对主控制器和冗余控制器时，冗余控制器在评估期间也能够作为主控制器的备份来运行。

这些目的尤其是通过在权利要求1中要求保护的方法、通过权利要求13中要求保护的系统以及通过权利要求19中要求保护的控制器来实现。

根据本发明，提供了一种对用于控制自动化系统中的过程的应用进行评估的方法。应用的两个或者更多的版本被存储在控制器、例如过程控制器或可编程逻辑控制器中。该方法包括以下步骤：将从过程中获得的输入信号输入给应用的所有不同版本，这些应用的版本存储在同一个控制器中并且其中一个版本正控制所述过程；针对应用的不同版本基于所述输入信号在控制器中执行相同的任务；生成报告，该报告包含来自应用的不同版本的输出的比较；以及基于所生成的报告评估未用于控制过程的版本。根据本发明，基于相同的输入信号针对在该控制器中的所有版本执行任务，但是只有从当前控制过程的版本获得的输出信号作为对于控制过程所需要的输出被输出，从所有其他版本所获得的输出信号被安排用于评估，例如由操作者进行评估。借助本发明，应用的新升级的版本可以与当前所使用的版本同时地执行，并且利用真实的输入信号在真正的生产环境下被评估，并且因此消除了生产关停的风险。此外，利用本发明确保了做出有目的的比较，也使得使用者能够在使用当前所开发的版本来控制过程之前对其进行评估。

根据本发明的一个实施例，如果评估步骤显示新版本正确地起作用，则该方法包括附加的步骤。即如下步骤：阻止来自当前正控制过程的版本的输出被用于控制过程，以及使未控制该过程的版本有效地控制该过程。替代地，如果评估步骤显示新版本没有正确地起作用，则该方法包括另外的步骤，即从当前正控制过程的版本输出在所述执行期间获得的输出信号以控制所述过程。使用者也有可能改变为新版本(在评估之后)，并且如果该版本仍然没有如期望的一样运行，则使用者可回到旧版本。因此，使用者能够评估应用的新版本并且基于该评估采取适当的行动。

根据本发明的又另一实施例，这些任务的执行针对不同版本顺次进行，或者在替换的实施例中以准并行的方式进行。这个特征提供了用于执行任务的灵活的方式，两种方式都确保了针对不同版本来执行同样的任务并且因而确保做出的比较是相关的。

根据本发明的再另一实施例，生成报告的步骤包括比较来自所有至少两个版本的输出和建立这些输出之间的差别。使用者因此能够容易地比较不同的版本。

根据本发明的另一实施例，该方法还包括将所发现的差别呈现给使用者的步骤。这方便了评估，而且这种呈现可以以任何希望的方式来完成，例如以图形、数字或图表的形式完成。

根据本发明的再另一实施例，进行不同版本的评估，以便建立应用的新版本在真实的过程环境下的功能。本发明的其他应用也是可以想到的，例如跟踪错误等等。因此，本发明提供了可适用于不同目的的评估的通用方法。

本发明也涉及自动化系统和控制器，由此实现了与上面所述的内容相应的优点。

附图说明

图1示意性说明了一个自动化系统。

图2说明了使用在图1所示的系统中的典型的控制器。

图3是根据本发明的方法的实施例中所包括的一些步骤的流程图。

具体实施方式

参照图1示出了典型的过程控制系统的布局。过程控制系统1典型地包括：操作者和工程工作站2a、2b、...、2n，多个用于执行各种系统功能的服务器3a、3b，和执行实际自动化过程控制功能的控制器4a、4b、...、4n。不同的部分通过通信网5相互连接。控制器4a、4b、...、4n控制相应的过程段或功能；在图中控制器4a被示出来控制过程段6，该过程段6包括槽和多个阀、执行器和传感器。每个过程段或功能(例如过程段6)可以与上游和/或下游的过程段或功能(未示出)相关，如通过箭头P₁和P₂指示的那样。

在控制器中执行控制程序的一般原理在图2中示出。典型的是，控制器可利用某种形式的领域特定的高级编程语言例如IEC61131-3来编程。下面特定的参考是对控制器例如具有61131-3应用的可编程逻辑控制器(PLC)或过程控制器做出的，但是可以理解，本发明的原理可以更加通用地实施和使用，并且可以使用任何合适的控制器。此外，下面的术语“应用”、“应用程序”和“控制程序”可互换地被使用。

控制器4接收过程输入8以及外部变量9。输入装置将控制器4连接至在不同过程段中所使用的传感器(例如图1中的7a)，例如温度指示器、振动传感器、位置传感器、限制开关、流量表、光学传感器、开关阀或继电器。控制器4此外还包括内部变量11和外部变量9。内部变量被用于保持代表在扫描周期之间控制程序的状态的值，例如PID函数的微分和积分分量，或计时器的流逝时间，或顺序的步骤号。外部变量9被使用来与其他控制程序交换信息，所述其他控制程序可以在同一个控制器4中运行，或者在与控制系统网络5相连接的其他控制器中运行。这种信息交换的例子是联锁信号、设定点和反馈及前馈信号。控制器4还包括输出段10，用于传送过程输出给执行器(例如图1的7b、...、7n)。

控制器4被编程来对输入信号作出反应，并且具有所讨论的特定行业知识的熟练工程师通常开发由控制器所使用的程序。控制器中的程序通常被写入特定的应用或应用程序，该特定的应用或应用程序被下载到控制器并存储在其中。如所提到的，控制器按照惯例地使用IEC(国际电工委员会)61131-3编程语言标准，其定义了五种控制器编程语言标准：梯形逻辑、顺序功能图(SFC)、功能块图、结构化文本和指令列表。

控制程序或应用循环地读取过程输入8和外部变量9的值，基于这些值并且也基于内部变量11的值执行计算，并且生成作为结果的值给过程输出10并且也给外部变量9。每一个这样的执行被称为一个扫描周期。控制器4包括执行控制程序指令的中央处理单元(CPU)、用来存储指令和数据的存储器、用于使能与该过程通信的输入/输出单元以及用于使能与其他控制器和单元通信的通信接口。CPU也负责与其他装置的通信和控制程序的执行。

根据本发明，提供了一种用于改进在控制器中改变控制程序的方法，而不必冒使用错误的控制程序并从而引起在过程中的紊乱的风险。本发明方法可以被看作包含三个阶段：加载、评估、运行。

当控制程序例如61131-3控制程序或应用的新版本V_new已经被创建时，它在模拟中使用模拟的输入来测试。首先，在加载阶段中，至少一个操作者工作站被重配置以与控制程序的该新版本V_new相关的过程图形。当然有至少一个另外的操作者工作站被配置来针对当前版本工作，该当前版本即控制过程的版本并且以下被可互换地称为旧版本或当前版本。新版本V_new被下载到与包含当前控制该过程的旧版本V_old的控制器相同的控制器中。

第二阶段：评估，包括在评估模式中起动控制程序的新版本V_new。控制器现在执行两个版本，即当前版本V_old和新版本V_new。两个版本接收相同的过程输入8，也接收相同的外部变量9，并且执行相同的任务。两个版本读取过程输入和外部变量的相同的样本值。这可以通过使输入取样独立于控制程序的执行并且在控制程序的执行之前就进行来完成。尽管有来自两个版本的结果，来自新版本V_new的输出被隔离而不影响过程输出10和外部变量9，即它们不用于控制过程并且因此不以任何方式影响正在进行的过程操作。来自当前版本V_old的输出仍然被用来控制过程。

可能的是，同时运行应用的甚至更进一步的版本，但是运行两个版本，即当前版本和要代替它的新的、升级的版本是通常发生的状况。为了说明的简单性，只描述了两个不同版本。

该方法的评估阶段还包括：生成报告，该报告列出在内部变量、外部变量的值之间、当前版本和新版本的输出和顺序状态之间的差别(如果有的话)。该报告优选是动态的，因此使得操作者能够看到这些差别是否以及如何随时间改变。例如，由两个版本计算的某一变量值可以发散、收敛或者保持同样差别。该报告例如可以作为自动生成、按有规律的时间间隔生成或者在由操作者请求的时候生成的差别报告来实现。然后，该报告优选被发送给工程工作站用于评估。操作者或者使用者可以使用这些报告，以便确定：如果新版本V_new应当被投入使用、即如果它要控制过程的话，是否所存在的任何差别都会引起在过程输出中的扰动或步骤改变。扰动例如可能由控制策略中的改变引起，其中新版本未从过程中读取其控制行动所希望的响应并带有偏差，并且扰动可能驱动输出到饱和。当使用者确信不存在会引起扰动的差别时，就是说，没有瞬变，混乱等等时，该方法的评估阶段完成。

如果评估显示新版本不能令人满意地或者如所期望地执行，则使用者可以将新版本从控制器中移除并且让旧版本继续控制过程。

另一方面，如果评估显示新版本令人满意并且如所期望地执行，则使用者进入该方法的最后部分，即“运行(go)”部分，其方式是转换到新版本V_new以便让新版本有效地控制过程。当如此进行的时候，所有来自先前控制版本的输出被与过程隔离，即它们不再被用于控制过程，并且不再影响正在进行的过程操作。替代地，用于控制该过程的输出从新版本中被取得，因而其现在是当前版本。

现在对有效控制过程的新版本和执行相同计算但不影响过程的旧版本的比较继续。如果这样的持续评估显示新版本仍然令人满意并且如所希望地执行，则使用者将旧版本从控制器中去除并且“运行”阶段结束。如果另一方面，证实新版本有问题，则使用者可以转换回旧版本并且将新版本从控制器中去除。

应用或控制程序的最重要的值是影响应用的周围环境、尤其是过程的周围环境的值，即与I/O输出通道关联的变量的值、对对象报警的条件、与访问变量关联的变量的值(即，从其他应用可见和可访问的通信变量)，以及SFC步骤的状态。然而，应当理解，在应用中的任何值都可以被比较。来自应用的不同版本的值的比较也可以被使用在错误跟踪中。

当在同一个控制器中执行两个版本时，重要的是，来自相同扫描周期的值被用在比较中。由此确保比较是准确的并且这些值是实际上可比的，即它们来自相同的扫描周期。

比较优选在控制器中进行，其中，在控制器和操作者的工作站(例如PC等等)之间的通信负荷明显小于这些值应该在PC中被比较的情况下的通信负荷。

当在控制器中发现了差别时，它们应该被呈现给系统的使用者。已经被发现不同的值被打包或者编码成通信报文或分组，使得能够实现按需或自动地传输给PC。如果发生特别的令人吃惊的差别，则可能高亮显示它，例如将其作为闪动的值来呈现或者触发可听到的报警。

在本发明的一个替代的实施例中，不同版本不被顺序地执行即不是一个接着另一个地执行，而是以准并行的方式来执行。这可以通过如下方式来实现：让操作系统或某个另外的调度机制来分配CPU时间给每个版本，使得在任何一个版本开始新扫描周期之前，两个版本都完成各自的扫描周期。

在图3中，以流程图100示出了根据本发明的方法中包含的一些步骤的总结。控制程序的新版本被下载到正执行当前版本的同一控制器中。当下载完成时，第二版本以评估模式启动，在该评估模式中这两个版本依次地、例如先是当前版本接着是新版本地各执行一个扫描周期。在流程图100的第一步骤、步骤101中，过程输入和外部变量被采样。两个版本读取过程输入和外部变量的相同样本。这优选通过让输入采样与控制程序的执行分离地并且在控制程序的执行之前进行来完成。接着，在步骤102中，针对当前版本而执行扫描周期，在其后过程输出和外部变量被写到存储单元中(步骤103)。随后，在步骤104中，针对新版本而执行扫描周期。接着，在步骤105中，生成差别报告，其包含两个版本之间在输出上的差别。

应当理解，并非必然要包括所有步骤，而且也可以包含其他的步骤。此外，一些步骤的顺序可以被改动。例如可行的是，在当前版本之前执行新版本，或者在写入过程输出和外部变量之前两个版本都被执行。在说明书中，应用的两个版本被用于说明本发明，然而在代替实施例中可以执行三个或者更多版本。例如，如果有两个不同版本V_new1和V_new2，它们中的一个打算来代替应用的当前版本，则所有三个版本即两个新版本V_new1和V_new2以及当前所使用的版本V_old可以依次以相应于上面所描述的方式运行。

总之，本发明方法提供了一种用来改变控制过程的控制程序版本的改进的途径。根据本发明，仅仅需要一个控制器，因此消除了对冗余控制器的需求并降低了成本。其它的通过本发明方法获得和通过利用单个控制器所引起的优点是：消除了对于在当前所使用的控制器和冗余控制器之间的同步和仲裁的需求。更进一步地，因为控制程序的不同版本在同一控制器中并且在同样的环境下依次被执行，因此在新版本被采用之前可以比较不同版本的行为。通过本发明，确保了新版本在其被投入市场之前在真实的环境中可真正地起作用，并且可以避免昂贵的生产中断。如果比较显示某种相反的结果，例如不同版本显示要执行相反的转换操作，则新版本可以在最终投入使用之前容易地被修正。因此可以实现一种修正自动化系统的改进的途径。

Claims (19)

1.一种对用于控制自动化系统中的过程的应用进行评估的方法，所述应用存储在控制器中，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将从所述过程中获得的输入信号输入应用的所有至少两个不同版本，其中这些版本存储在同一个控制器中并且其中一个版本控制所述过程；

基于所述输入信号在控制器中针对应用的所述至少两个不同版本执行相同任务；

生成报告，所述报告包含从应用的所述至少两个不同版本的执行中所获得的输出的比较；以及

基于所生成的报告评估未用于控制过程的版本。

2.如权利要求1所述的方法，其中如果评估步骤显示所述未用于控制过程的版本正在正确地起作用，则该方法包括进一步的步骤：

阻止将来自当前控制过程的版本的输出用于控制所述过程，以及

使未控制该过程的版本控制该过程。

3.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：阻止来自除了当前正控制过程的版本外的所有版本的输出影响过程。

4.如权利要求1所述的方法，其中如果所述评估步骤显示所述未用于控制过程的版本没有正确地起作用，则该方法包括以下进一步的步骤：

从当前控制过程的版本输出在所述执行期间获得的输出信号用于控制所述过程。

5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中针对不同版本依次进行执行任务的步骤。

6.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中针对不同版本以准并行的方式进行执行任务的步骤。

7.如权利要求1所述的方法，其中生成报告的步骤包括比较来自所有至少两个版本的输出和建立这些输出之间的差别。

8.如权利要求7所述的方法，其中所建立的这些输出之间的差别是动态的。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述执行的步骤包括下列步骤：

由所述不同版本接收来自控制器的I/O装置的同样的输入信号并且执行同样的任务，

由所述不同版本执行过程相关的计算，并且

利用来自仅仅一个所述版本的结果来控制过程。

10.如权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括将所述输出之间的差别呈现给使用者的步骤。

11.如权利要求1所述的方法，其中所述生成报告的步骤被实施用来在真实的过程环境下建立应用的新版本的功能。

12.如权利要求1所述的方法，其中输入应用的所有至少两个不同版本的步骤包括输入外部变量。

13.一种自动化系统，包括控制器，所述控制器具有存储在其中的、用于控制自动化系统中的过程的应用，其特征在于，该系统包括：

用于将从所述过程中获得的输入信号输入至应用的所有至少两个不同版本中的装置，其中这些版本存储在所述控制器中并且其中一个版本控制所述过程；

用于基于所述输入信号在控制器中针对应用的所述至少两个不同版本并行地执行相同任务的装置；

用于生成报告的装置，所述报告包含从应用的所述至少两个不同版本的执行中所获得的输出的比较；以及

用于基于所生成的报告来评估未用于控制该过程的版本的装置。

14.如权利要求13中所述的自动化系统，包括：

用于阻止来自当前正控制过程的版本的输出被用来控制所述过程的装置，以及

用于使未控制过程的版本控制该过程的装置。

15.如权利要求13中所述的系统，还包括：用于阻止来自除了当前控制过程的版本外的所有版本的输出影响过程的装置。

16.如权利要求13，14或15中所述的自动化系统，其中应用的版本被安排在真实的过程条件下依次执行。

17.如权利要求13所述的自动化系统，还包括用于将所述输出之间的差别呈现给使用者的装置。

18.一种用于控制自动化系统内的过程的控制器(2)，所述控制器包括应用和输入/输出装置，其特征在于，所述控制器(2)包括：

所述应用的至少两个不同版本，所述版本被安排用于接收来自所述输入/输出装置的相同的数据并且其中一个版本控制所述过程；

用于基于所述输入信号针对应用的所述至少两个不同版本执行相同任务的装置；

用于生成报告的装置，所述报告包含来自应用的所述至少两个不同版本的执行中的输出的比较；以及

基于所生成的报告来评估未用于控制过程的版本的装置。

19.如权利要求18中所述的控制器，其中所述输入/输出装置包括将所述控制器连接至位于所述自动化系统内部并且与其中的过程相关的传感器和执行器的连接装置。

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