CN102163055B - 工业分散式控制系统的综合智能校验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种工业分散式控制系统的综合智能校验方法，涉及工业自动控制领域。通过标准信号源远程驱动模块，实现远程改变或调整放置在工程师站的远程信号源的输出信号，为DCS系统I/O子模件提供高精度的标准校验信号；实现OPC异步通讯数据采集模块，采用OPC自动化接口的订阅通讯机制对DCS系统各个机柜、各个卡件、各个通道进行实时数据采集；智能校验分析平台控制和整合全程校验过程，向标准信号源远程驱动模块发送校验指令，并从OPC异步数据采集系统获取DCS系统数据信息，将输入输出数据进行分析对比并自动出具系统校验结果，达到对DCS系统进行全程校验的目的；本方法简便、独特、精度高、效率高、通用性强。
Description
技术领域
本发明涉及工业自动控制领域，具体是一种工业分散式控制系统的综合智能校验方法。
背景技术
分散式控制系统英文缩写为DCS（Distributed Control System），它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，用来实现对工业现场过程的自动化控制，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。
DCS系统按功能可划分为四个部分，系统通信网络、现场过程控制单元、人机界面和系统组态工具。其中现场控制单元是DCS系统的基本组成部分，完全面向生产过程，完成对过程信息的数据采集、闭环控制和顺序逻辑控制等控制级功能，其组成部分主要包括过程控制单元、通信接口模件、数据采集总线及I/O子模件。
I/O子模件根据现场设备的多样性，有多种类型的I/O子模件，以满足现场个各种信息链接的需要。I/O子模件的类型有模拟量输入模件（AI）、模拟量输出模件（AO）、脉冲量输入模件（PI）、数字量输入模件（DI）和数字量输出模件（DO）。
随着工业数字化进程越来越深入，工业过程控制技术日益广泛，数字化工业生产对分散式控制系统的要求也越来越高。在实际应用中，分散式控制系统及其I/O模件的测量精度和控制稳定性，在很大程度上影响着工业生产的安全稳定与经济指标。因此，对DCS设备进行大规模的综合性能测试和校验就成为必不可少的工作。目前在工业现场对分散式控制系统进行校验的方法主要有以下几种。
一、手动方式，即校验人员使用标准信号源（比如FLUKE744过程校验仪）为分散式控制系统的I/O子模件的各个输入通道提供标准信号，比如标准4～20mA的电流信号，通过改变手动改变标准信号源的输入信号，并观察分散式控制系统人机界面中相应通道的读数，来进行人工数据校验和准确度分析。其缺点是每次只能校验I/O模件的其中一个通道，工作效率低，无法处理大批量的数据。另外，分散式控制系统的卡件机柜一般与控制室相距较远，完成正常的校验工作，通常需要多名校验人员互相联系、协同工作，十分繁琐，大大降低了工作效率。
二、国内一些工控公司研制开发的分散式控制系统校验装置，这些装置通常只具备单一的功能，比如SOE信号校验，开关量、模拟量响应时间校验，但这些产品无法对复杂的模拟量信号精度进行数据分析和校验，更不具备对DCS控制系统进行综合数据的分析仿真评测功能。
三、一些DCS控制系统生产厂家为其产品研制的简单校验装置，但是只能适用于特定的分散式系统，不具备通用性。
综上所述，随着分散式控制系统在工业过程控制中的重要性不断加深，以往单一、手工、繁琐的校验方式已经不能满足现代化大规模工业企业对DCS控制系统的要求。
发明内容
本发明的目的在于提出一种适用于各种DCS系统的综合智能校验方法，它构建一种DCS数据校验信息的交互平台，可利用远程通讯中继的方式，驱动标准数据源对DCS进行全程自动校验作业，并通过此平台将DCS的系统数据与标准数据源的数据分析对比，达到对DCS系统进行全程校验的目的;本方法简便、独特、精度高、效率高、通用性强。
本发明之一是这样实现的：一种工业分散式控制系统的综合智能校验方法，其特征在于：通过远程通讯技术，实现标准信号源远程驱动模块，实现远程改变或调整放置在工程师站的远程信号源的输出信号，为DCS系统I/O子模件提供高精度的标准校验信号，比如电流、电压、频率、电阻输出值等等；另一方面针对不同DCS系统提供的OPC服务器，实现相应的OPC异步通讯数据采集模块，采用OPC自动化接口的订阅通讯机制对DCS系统各个机柜、各个卡件、各个通道进行实时数据采集；智能校验分析平台基于简便小巧的校验数据库结构，控制和整合全程校验过程，向标准信号源远程驱动模块发送校验指令，并从OPC异步数据采集系统获取DCS系统数据信息，将输入输出数据进行分析对比并自动出具系统校验结果；具备智能化人机界面，采用人性化软件接口，可方便的对DCS系统校验操作进行多种功能性配置。
远程通讯技术是为了解决DCS系统校验工作中DCS机柜电子间与工程师站相距比较远的问题。
所述的远程通讯技术为紫蜂无线数据传输技术，紫蜂(zigbee)为一种短距离、低速率、低功耗的无线网络传输技术，采用DSSS技术调制发射，用于多个无线传感器组成网状网络，适用于多种工业无线控制方案。另有备用方案采用电力调制解调器，利用电线传送高频信号，把载有信息的高频信号加载于电流上，然后用电线传输，接收信息的调制解调器再把高频信号从电流中“分解”出来。
所述的OPC异步通讯数据采集模块采用OPC基金会公开的OPC 3.0内核，为多数据并行处理、双向可靠传递、高速缓存交换机制，采用异步OPC架构，多线程DCOM模型，区别于传统OPC的单点操作功能，在原有OPC通讯协议基础上提供用户功能性定义接口。按照DCS系统构成，以DCS机柜、卡件为单位，将各个现场数据通道的OPC数据点进行综合处理，系统中开辟两块相同容量的缓冲区，一块缓冲区进行实时数据通讯，另外一块及时读取下面一块要处理的卡件的OPC数据信息，待第一块缓冲区内的数据处理完毕后，传递给校验系统数据库，第二块缓冲区立即无缝与数据并行处理相连接，如此两块缓冲区循环，获得极高的卡件数据处理效率，从而实现在DCS系统的校验同时中处理大量实时数据。
所述的智能校验分析平台采用小巧快速、且无需安装和管理配置SQLITE数据库，综合DCS系统校验工作的特点，根据不同的DCS系统，动态创建校验作业数据表，包括所校验通道信息数据表、校验状态数据表和校验结果数据报表。人机界面采用微软.NET framework 4.0框架和WPF（Windows Presentation Foundation）多媒体交互用户图形界面，用户能够直观清晰的了解当前进行校验的卡件、通道、校验进度及校验结果等等。
本发明的积极效果是：有效解决了长期以来DCS系统校验中一直存在的全手动且操作繁杂、校验作业效率低的问题，通过构建一种DCS智能校验分析平台，利用远程通讯的方式，驱动标准数据源对DCS进行全程自动校验作业，并采集DCS系统I/O通道的数据与标准数据源的数据分析对比，从而达到对DCS系统进行全程校验的目的;其方法简便、独特、精度高、效率高，通用性强。可对复杂的模拟量信号精度进行全程自动分析和校验，及对DCS系统进行综合数据的分析仿真评测。
以下结合实施例及其附图作详述说明，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1是本发明方法一实施例的控制方法原理图。
图2是本发明装置一实施例的结构示意图。
图3是具体校验操作程序流程图。
图中各符号说明如下：
1-DCS分散式控制系统
2-系统控制机柜
3-I/O卡件
4-I/O通道
5-DCS系统工程师站
6-OPC服务器接口
7-OPC异步通讯数据采集模块
8-智能校验分析平台
9-采用远程通讯技术（紫蜂或电力调试解调器）
10-标准信号源
11-DCS综合智能校验方法
12-输出标准工业信号
a-终端机
b-标准信号源
c-输出的标准信号
d-紫蜂无线通讯模块
e-主机
f-智能校验分析平台
g-图形化人机界面
h-OPC数据采集模块
i-采集的DCS系统数据
j-校验数据库。
具体实施方式
本方法的具体实现包括下述步骤，参见图1。
DCS控制系统（1）包括控制机柜（2），控制机柜（2）包括不同类型的I/O卡件（3），I/O卡件（3）又由多个I/O通道（4）组成。DCS卡件将工业现场信号经过数字化后，通过网络总线将数据送到DCS工程师站（5）进行处理，同时DCS系统通常提供OPC服务器（6），使得DCS系统数据可以进行共享。
可分为终端机和主机两部分，终端机包括标准信号驱动模块及其相关设备，具有壳体、开关、内置标准信号源及其信号输出线（用于连接至DCS系统I/O通道），紫蜂无线传输终端（用于与主机无线通讯）；主机包括发明一所述方法中的OPC异步通讯数据采集模块和智能校验分析平台，和具有图形界面的校验作业控制台，已安装智能校验分析平台软件系统的小型工控机，其中包括终端指令发送界面、OPC通讯设置界面、校验数据库报表界面、历史数据分析界面等等。
DCS智能校验方法（11），通过建立一个核心的智能校验平台（8），来组建和控制整个校验过程，其中智能校验平台（8）包括人机图形交互界面、校验数据库和校验作业控制台等功能。由于DCS控制系统的工程师站和机柜所在的电子设备间通常相距较远，给一般的系统校验工作带来很大麻烦，本方法采用远程通讯技术（9），来实现智能校验分析平台（8）对标准信号源（10）的驱动和控制。标准信号源（10）接受智能校验分析平台（8）的控制指令并向DCS系统中某一对应类型的I/O卡件的某一I/O通道发送标准信号（12）。DCS系统通过OPC服务器（6）将其获得标准信号提供给DCS智能校验方法所述的OPC异步通讯采集模块（7），智能校验分析平台（8）将所输出的标准工业信号（12）与OPC异步通讯采集模块（7）采集来的数据进行比较，计算出DCS系统中某个I/O通道信号的精准度或其他校验内容，从而完成整个智能校验过程。
具体说明如下：
参见图2：
1、终端装置（a）。内置标准过程信号源（b）及其信号输出线（c）,用于连接DCS系统控制I/O通道，紫蜂无线传输模块（d）用于与主机（）进行无线通讯并接受主机的指令（b）。
标准过程信号源（b）能够根据分散式控制系统不同的I/O模件，提供各种类型的现场标准工业信号。
常用的工业标准信号有：
开关量信号：预留。
高电平电压信号：量程从-10～10V 的电压，外部供电的4～20mA电流，系统供电的4～20mA电流。直流电流输出时，可提供25%和100%的自动步进及自动斜坡的输出功能热偶输出时，输出端子间与地间施加最大电压：30V，最大输出电流：约25mA。
低电平电压信号：量程从-100～100mVDC，热电偶（E、J、K、L、N、R、S、T、U）的毫伏信号。可提供高精度的自动冷端补偿，℃或℉的温度显示。可外配高精度的测温探头，准确度：±0.2℃，探头测温范围：-20～100℃。内部温度补偿传感器RJC，测温范围 0～50℃，补偿误差 ￡±0. 5℃。
三线制电阻信号：量程从0～500Ω（Cu10，Pt100，Ni120，Cu53）。
脉冲信号：量程从0～100kHz。
中华人民共和国电力行业标准《火力发电厂分散式控制系统技术条件》（DL/T1083-2008）规定：分散式控制系统的准确度等级要求，模拟量输入信号（高电平）±0.1%，模拟量输入信号（低电平）±0.2%，模拟量输出信号±0.25%，其中所有输出信号的基本精度达0.02%，输出显示为6位，本装置满足分散式控制系统规程中所要求的精度。
2、由于分散式控制系统的工程师站和机柜所在的电子设备间通常相距较远，给一般的系统校验工作带来很大麻烦，通常需要几个校验人员在不同地点协同完成校验工作。本装置为了实现智能全程校验的目标，采用了紫蜂(zigbee)通讯模块（d）进行无线数据传输，紫蜂模块通过串口与标准信号源进行通讯，紫蜂模块之间传输距离可达到2000米，穿透和抗干扰能力强，组网灵活，需要提供9V-12V电源进行供电，可实现多设备间中继方式的数据透明传输。如果现场工作条件不允许，还可以采用电力调制解调器，利用电线传送高频信号，把载有信息的高频信号加载于电流上，然后用电线传输，接收信息的调制解调器再把高频信号从电流中分解出来。
3、智能校验系统主机与终端机之间的通讯规约
标准信号源与智能校验分析平台之间的数据通讯采用全双工点对点UART TO USB连接方式，通信波特率为9600。
通信协议的命令字格式为:
| 标志位 | 命令行 | 参数 | 结束位 |
标志位:1字节ASCⅡ码:O。命令行:2字节ASCⅡ码。参数: 多个字节的ASCⅡ码。结束位: 1字节ASCⅡ码:CR(0X0D)。
通信规约的数据格式：
| 标志位 | 命令行 | 数据 | 结束位 |
标志位:2字节ASCⅡ码“#$”。命令行: 2字节ASCⅡ码。数据: 多字节的ASCⅡ码。结束位:1字节ASCⅡ码“CR”(即0X3F和0X0D)
通讯API函数：
在全程智能校验系统平台中，定义和封装了下面四个API函数，通过这几个API函数，从而完成对标准信号源的各项指令下达和操作控制。
（1）建立与标准信号源的远程连接。
用于对标准信号源进行初始化和远程连接，并获得该标准信号源的一个句柄。初始化返回值：1为设置命令发送成功；0为设置命令发送不成功。这个函数是用来建立智能校验平台和标准信号源进行通讯联机的，它返回值说明了建立连接是否成功。
（2）向标准信号源发出控制指令。
与标准数据源连接成功，在获得该信号源句柄的基础上，对标准信号源发送命令控制字。返回值：1为设置命令发送成功；0为设置命令发送不成功。这个函数是在与数据源成功通讯联机的基础上，发送设置命令。如果返回设置命令不成功，可能是由于你的设置命令的格式不符合仪表通信协议的要求。
（3）从标准信号源返回数据
这个函数是用来在上位机与信号源成功通讯联机的基础上，发送询问命令，它返回值是根据询问命令的内容不同，返回不同的数值。
（4）断开与标准信号源的连接
参数
| 参数名 | 参数类型 | 参数描述 |
| pointer | CalibratorSess | 与数据源通信所建立通路的指针 |
这个函数是用来断开智能平台与信号源之间的联机，它的返回值说明是否成功断开联机。返回值：1为与信号源成功断开连接；0为与信号源断开不成功。
4、从DCS控制系统采集数据
如今，分散式控制系统通常都提供了OPC服务器，比如Ovation系统、ABB的Symphoney系统等等。通过OPC服务器，可以将DCS中数以万计的动态数据进行实时的采集。校验人员OPC数据服务器进行对接，通过特有的标签，可以查询并获得特定板卡特定通道的实时数据信息。这样校验人员就能通过OPC协议获得由标准信号源发出的，并由DCS获得的数据信息。
本方法实现的异步OPC数据采集模块（e），采用多数据并行处理、双向数据传递、高速缓存交换机制，采用异步OPC架构，多线程DCOM模型，区别于传统OPC的单点操作功能，在原有OPC通讯协议基础上提供了用户功能性定义接口。
高速缓存交换机制是根据实际DCS系统，以卡件为单位将OPC数据点综合处理，系统中开辟两块相同容量的缓冲区，一块缓冲区进行实时数据通讯，另外一块及时读取下面一块要处理的卡件的OPC数据信息，待第一块缓冲区内的数据处理完毕后，传递给数据库，第二块缓冲区立即无缝与数据并行处理相连接，如此两块缓冲区循环，获得极高的卡件数据处理效率。
在异步OPC通讯架构基础上，进一步扩展数据订阅服务和PUSH服务，共分为触发PUSH和定期订阅两种方式。多数据并行处理机制为多数据点并发校验提供了基础，根据高速缓存交换区中的数据，区分要检测的信号类型，对整个卡件上的通道同时进行并发校验工作，将数据分别处理到数据库和DCS服务器。
本方法采用.NET framework 4.0框架下,并使用最新的OPC 3.0内核进行了OPC客户端的开发。
5、校验数据库
针对目前国内广泛使用的DCS系统，本方法通过OPC协议读取DCS系统信息，对各种类型的DCS系统进行智能识别。根据不同种类DCS系统，依据其板卡、通道的数据结构，动态的创建相应的校验数据库，并通过人机界面反应不同类型DCS的结构特点。数据库管理软件采用小巧简便的嵌入式数据库SQLite，不需要网络配置和数据库管理，数据库的客户端和服务器在同一进程空间运行，适用于便携式的嵌入式设备。
根据不同种类的DCS系统，系统会在数据库中创建相应的数据表，下面所述内容为校验所需的通道点在数据表中的定义：
[ID]：在数据库中用于识别的唯一ID。AUTOINC(4)
[Name] DCS系统中工程量的点名。CHAR(100)
[HL] 工程量的量程上限。INT(10, 3)
[LL] 工程量的量程下限。INT(10, 3)
[UI] 工程量的单位。CHAR(10)
[BN] 描述此工程量所在DCS机柜号。INT(10)
[MN] 描述此工程量所在机柜的卡件号。INT(10)
[CN] 描述此工程量所在卡件的通道号。INT(10)
[Sort] 描述此工程量的特征，比如电流、电压等。INT(10)
[Completed] 描述此工程量是否已经校验过。类型：BOOL
[FieldValue] 信号源发出的标准信号。FLOAT(10, 4)
[0%] 在信号源输出为0%时，DCS系统的校验值。FLOAT(10, 4)
[25%] 在信号源输出为25%时，DCS系统的校验值。FLOAT(10, 4)
[50%] 在信号源输出为50%时，DCS系统的校验值。FLOAT(10, 4)
[75%] 在信号源输出为50%时，DCS系统的校验值。FLOAT(10, 4)
[100%] 在信号源输出为100%时，DCS系统的校验值。FLOAT(10, 4)
[StartTime] 校验开始时间。DATETIME(10)
[T1] 中间时间1。DATETIME(10)
[T2] 中间时间2。DATETIME(10)
[T3] 中间时间3. DATETIME(10)
[EndTime] 校验结束时间。
6、全程校验过程
首先启动智能校验装置的主机（e）和终端机(a)。主机（e）内置一台已经配置好智能校验平台（f）的便携式工控机，将其接入DCS系统OPC服务器的网络。智能校验平台（f）将尝试启动异步OPC数据采集模块（h），接入DCS系统OPC服务器，如果连接成功，可以通过订阅的方式，获得当前OPC服务器上所需要的DCS系统数据，即当系统数据进行了更新，则通知并接受该数据的更新信息。对于校验过程，我们只需要某一个或者某几个通道的数据，通过智能校验平台（f）查询所需信号数据的卡件号、通道号，可以获得DCS系统的通道信号数据（i）。
对于一个信号通道的校验，智能校验平台（f）通过紫蜂模块（d）向终端机（a）发送该通道工程单位量程的0%的标准信号，0%量程测量的数据信息由OPC数据采集模块(h)完成后，继续发送工程单位量程25%的标准信号，依次是50%量程，75%量程，100%量程，当这些数据信息都采集完成后，则在数据库中将该通道点的[Completed]项赋值为TRUE。然后将标准信号数据与测量信号数据进行精度计算，从而完成整个校验过程（见图3）。
当每测试校验完一个通道，整个校验过程中的数据都以上述格式存储在校验数据库（j）中。当校验完成，校验工作人员可以人机界面（g）调取DCS系统的数据信息实时曲线和历史曲线，数据校验结果的自动输出等功能。对于无法提供OPC数据服务的分散式控制系统，可以用MODBUS、或DCS厂家提供的虚拟I/O作为后备手段。
Claims (2)
1.一种工业分散式控制系统的综合智能校验方法，其特征在于：通过远程通讯技术，实现标准信号源远程驱动模块，实现远程改变或调整放置在工程师站的远程信号源的输出信号，为DCS系统I/O子模件提供高精度的电流、电压、频率、电阻输出值标准校验信号；另一方面针对不同DCS系统提供的OPC服务器，实现相应的OPC异步通讯数据采集模块，采用OPC自动化接口的订阅通讯机制对DCS系统各个机柜、各个卡件、各个通道进行实时数据采集；智能校验分析平台控制和整合全程校验过程，向标准信号源远程驱动模块发送校验指令，并从OPC异步数据采集系统获取DCS系统数据信息，将输入输出数据进行分析对比并自动出具系统校验结果；具备智能化人机界面，采用人性化软件接口，可方便地对DCS系统校验操作进行多种功能性配置；
所述的OPC异步通讯数据采集模块采用OPC基金会公开的OPC 3.0内核，为多数据并行处理、双向可靠传递、高速缓存交换机制，采用异步OPC架构，多线程DCOM模型，区别于传统OPC的单点操作功能，在原有OPC通讯协议基础上提供用户功能性定义接口;按照DCS系统构成，以DCS机柜、卡件为单位，将各个现场数据通道的OPC数据点进行综合处理，系统中开辟两块相同容量的缓冲区，一块缓冲区进行实时数据通讯，另外一块及时读取下面一块要处理的卡件的OPC数据信息，待第一块缓冲区内的数据处理完毕后，传递给校验系统数据库，第二块缓冲区立即无缝与数据并行处理相连接，如此两块缓冲区循环，获得极高的卡件数据处理效率，从而实现在DCS系统的校验同时中处理大量实时数据；
所述的智能校验分析平台采用小巧快速、且无需安装和管理配置的SQLITE数据库，综合DCS系统校验工作的特点，根据不同的DCS系统，动态创建校验作业数据表，包括所校验通道信息数据表、校验状态数据表和校验结果数据报表；人机界面采用微软.NET framework 4.0框架和WPF多媒体交互用户图形界面，用户能够直观清晰的了解当前进行校验的卡件、通道、校验进度及校验结果。
2.根据权利要求1所述的工业分散式控制系统的综合智能校验方法，其特征在于：所述的远程通讯技术为采用紫蜂无线数据传输技术，紫蜂为一种短距离、低速率、低功耗的无线网络传输技术，采用DSSS技术调制发射，用于多个无线传感器组成网状网络，适用于多种工业无线控制方案；另有备用方案采用电力调制解调器，利用电线传送高频信号，把载有信息的高频信号加载于电流上，然后用电线传输，接收信息的调制解调器再把高频信号从电流中“分解”出来。
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