CN103135536B - 一种dcs系统与计算机生产仿真模型信息处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种DCS系统与计算机生产仿真模型信息处理方法，该方法利用了工业以太网通讯技术、PROFIBUS现场总线通讯技术、MPI通讯方式以及OPC通讯技术等不同协议的通讯方式。工业以太网负责DCS系统的工程师站、操作员站以及数据服务器与DCS系统控制器之间的数据交换；PROFIBUS现场总线负责DCS系统控主控制器与各副控制器之间的数据交换，MPI通讯技术负责DCS系统各副控制器与相应的OPC服务器之间的数据交换，OPC通讯技术负责OPC服务器与相应的计算机仿真模型之间的数据交换。该方法将DCS系统与计算机生产仿真模型通过不同的通讯协议直接或间接的连接在一起，达到准确快速的采集计算机生产仿真模型中的过程数据以及将控制器指令传送至计算机生产仿真模型的目的。
Description
技术领域
本发明涉及工业以太网技术、现场总线技术、OPC等通讯技术。更具体说，涉及一种DCS系统与计算机生产仿真模型信息处理方法。
背景技术
DCS系统目前已被众多工业领域接受与发展，同时各高等院校也都纷纷开展DCS系统实验教学工作。工厂引进DCS系统并不能直接投入生产使用，其中涉及到一些DCS系统功能测试与验证等相关问题。高等院校受到环境、费用等限制无法提供大规模的生产过程单元作为DCS系统的被控对象使用。因此受到工厂生产过程对象的影响使得实验室的DCS系统显得没有用武之地。
近年来随着计算机技术的飞速发展，结合系统辨识理论的不断完善，将大规模的工厂生产过程对象的动态特性以计算机仿真模型的形式存在变成了可能。针对上述问题可以看出，计算机仿真模型作为DCS系统的被控对象，可以为工厂解决DCS系统功能测试的问题。同时，将计算机仿真模型引入高等院校的DCS系统也可避免采用大规模实际生产对象所带来的问题，为DCS系统实验教学提供了保障。此外也为利用DCS系统开展先进控制、故障诊断、控制系能评价等研究工作提供了验证环境。
DCS系统与计算机生产仿真模型相结合势必会成为DCS系统测试、DCS系统教学以及工业过程控制研究的发展方向。DCS系统用于工业生产过程控制中，将高精度的模拟量、数字量输入输出模块通过接线方式与现场仪表或执行机构连接在一起，可将过程数据采集到控制器以及控制器参数传送至执行结构。因此数据传输的快速性与可靠性成为DCS系统用于工厂生产过程控制的首要前提。然而计算机生产仿真模型中的虚拟仪表或执行结构并不存在接线的方式，如何既能保证DCS系统与计算机生产仿真模型之间正常数据交换，又能保证数据传输的快速性与可靠性成为DCS系统与计算机生产仿真模型相结合的一项研究重点。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种DCS系统与计算机生产仿真模型信息处理方法。本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
一种DCS系统与计算机生产仿真模型信息处理方法，该方法将DCS系统与计算机生产仿真模型的通讯架构分为不同层级，每个层级利用特定的通讯协议，直接或间接的连接在一起形成DCS系统与计算机生产仿真模型数据交换网络。
进一步，该方法将DCS系统与计算机生产仿真模型的通讯架构主要分为三层结构，分别为系统监控管理层、现场设备控制层以及过程数据采集层。
进一步，利用半实物仿真技术用于过程控制研究的DCS系统与计算机生产仿真模型的通讯架构包括：
第一、计算机生产仿真模型作为OPC客户端使用，所有的过程变量支持OPCDA规范，可将过程数据同时传输至相应的OPC服务器；
第二、利用WinCC作为OPC服务器使用，配置OPC相关文件，编写每个OPC服务器中与之对应的计算机仿真模型中的过程变量名称、地址以及数据类型；
第三、利用OPCDA规范为各计算机生产仿真模型配置相应的OPC服务器名称与IP地址，将所需的过程变量添加到OPC项集合中，通过连接便可实现各计算机仿真模型与相应OPC服务器之间的连接，并可将计算机仿真模型中所有过程数据同时写入相应的OPC服务器中使用；
第四、WinCC通讯驱动集中可支持MPI通讯方式，各OPC服务器需对照相应的DCS系统副控制器中的MPI地址，通过正确的MPI通讯地址，OPC服务器便可与相应的DCS系统副控制器正常交换数据；
第五、DCS系统各副控制器作为PROFIBUS现场总线从站节点，根据各自所控制的计算机仿真模型的过程变量编写数据通讯区，DCS系统主控制器与相应的副控制器保持相同的数据通讯区地址；
第六、DCS系统主控制器通过工业以太网交换机与DCS系统工程师站、各操作员站以及数据服务器组建成局域网，分别配有不同的IP地址；
第七、上述第一到第六的过程便可实现将计算机仿真模型通过不同网络协议逐次传递至DCS系统的每个功能单元；DCS系统工程师站根据计算机仿真模型提供的工艺要求开发控制算法，并下载至DCS主、副控制器中，用于DCS系统与计算机生产仿真模型的过程控制研究；
第八、DCS系统操作员站可通过DCS系统通讯网络平台实时采集计算机仿真模型的过程数据，利用工程师站开发的控制算法，操作员站可发送控制指令控制计算机生产仿真模型提供的被控变量；同样，操作员站发出的控制指令通过第一到第七所述的DCS系统网络平台逐次将控制指令下发至DCS系统主控制、DCS系统副控制器、相应的OPC服务器，最终传送至相应的OPC客户端，也就是相应的计算机仿真模型；
第九、利用这样的通讯网络平台，计算机仿真模型的某一控制回路的被控变量传送至DCS系统控制器并被操作员站接收，操作员将控制指令发送至DCS系统控制器，最终传送给计算机仿真模型中该回路的执行机构，从而达到该回路的稳定控制。
进一步，DCS系统各副控制器作为PROFIBUS现场总线从站节点，根据各自所控制的计算机仿真模型的过程变量编写数据通讯区，DCS系统主控制器与相应的副控制器保持相同的数据通讯区地址。此外，DCS系统主控制器与各副控制器的现场总线地址不得有重复；
进一步，DCS系统主控制器通过工业以太网交换机与DCS系统工程师站、各操作员站以及数据服务器组建成局域网，分别配有不同的IP地址进一步包括以下方法：
DCS系统主控制器利用现场总线通讯区接收各DCS系统副控制器发送的计算机仿真模型的过程数据，可通过工业以太网将计算机仿真模型的过程数据传送至DCS系统工程师站、操作员站以及数据服务器；
本发明的优点和积极效果是：
1.本发明所提出的一种DCS系统与计算机生产仿真模型信息处理方法将DCS系统与计算机生产仿真模型高效的结合在一起，为DCS系统的过程控制使用与研究提供了重要保障。将DCS系统与计算机生产仿真模型的通讯架构分为不同层级，每个层级具有特定的通讯协议，不同通讯协议合理结合与使用，共同实现DCS系统与计算机生产仿真模型之间的高速、准确的数据交换。
2.利用工业以太网技术可将DCS系统工程师站、操作员站以及数据服务器与DCS系统自动化站连接在一起，在工业以太网所构建的局域网中，不同功能站之间数据交换极为方便。DCS系统工程师站可对DCS系统控制器高速传送控制命令以及实时采集控制器中的过程变量。DCS系统数据服务器可实时接收并存储来自DCS系统自动化站采集的过程变量，不会出现任何数据误报与数据丢失现象，提高了DCS系统的安全可靠性。多操作员站可通过DCS系统数据服务器筛选所需的过程数据。利用工业以太网技术，多台远程的操作员站可同时与DCS系统数据服务器交换数据，不会出现任何数据传输阻塞现象，为DCS系统对计算机生产仿真模型的稳定控制提供保障。
3.利用PROFIBUS现场总线可很方便的将DCS系统不同控制器连接在一起。DCS系统各副控制器用于完成相应计算机仿真模型的过程控制任务，利用现场总线技术，各副控制器作为从站节点使用，通过各自与DCS系统主控制器之间的通讯区域将采集到得过程值传送给DCS系统主控制器。DCS系统控制器之间的现场总线通讯方式可实现将不同副控制器所采集到的相应的计算机生产仿真模型的过程数据集中发送至DCS系统主控制器，进而供DCS系统工程师站、操作员站以及数据服务器使用。形成DCS系统对计算机生产仿真模型分散控制、集中管理的高效方式。
4.采用WinCC作为存储计算机生产仿真模型过程数据的OPC服务器，利用MPI通讯技术可实现OPC服务器与DCS系统副控制器之间即插即拔的数据通讯方式，DCS系统每一个副控制器都是针对相应的计算机生产仿真模型而存在的，将DCS系统各副控制器与相应的OPC服务器连接可将计算机生产仿真模型过程数据分散采集、分散控制。提高了DCS系统的灵活性与稳定性。
5.最底层的对计算机生产仿真模型的数据交换采用OPC通讯技术中的OPCDA规范。OPC技术正是为解决过程控制系统数据采集的问题而提出的。将各计算机生产仿真模型作为OPC客户端使用，各过程变量都支持OPCDA规范，利用OPC技术所提供的通讯规范，采用客户端/服务器模型可实时的将计算机生产仿真模型中所有过程变量传输至相应OPC服务器中供DCS系统使用。利用OPC技术可将DCS系统与计算机生产仿真模型无缝结合，提高了过程变量传输速度与传输精度，为DCS系统对计算机生产仿真模型的控制提供了保障。
附图说明
图1是本发明提供的利用半实物仿真技术用于过程控制研究的DCS系统实验平台结构图；
图2是本发明提供的DCS系统与计算机生产仿真模型数据交换网络；
图3是DCS系统与计算机仿真模型数据交换的示意图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
本发明实现所需要的利用半实物仿真技术用于过程控制研究的DCS系统实验平台结构如图1所示。该DCS系统实验平台充分满足“分散控制，集中管理”的重要思想，整体设计上采用分层式扁平化功能结构。主要分为三层结构，分别为系统监控管理层、现场设备控制层以及过程数据采集层。系统监控管理层由工程师站、操作员站、数据服务器利用工业以太网交换机组成，用于完成DCS系统开发以及生产仿真模型过程数据监控以等工作。现场设备控制层利用西门子S7-400PLC作为DCS控制，两台S7-300PLC分别作为甲醇精制与甲醇合成过程控制单元的从站控制器，各控制器之间利用PROFIBUS现场总线构成总线型拓扑结构。该层功能用于实现对计算机生产仿真模型的过程控制任务以及向系统监控管理层发送计算机生产仿真模型的过程数据等工作。过程数据采集层由OPC服务器、生产仿真模型组成。计算机生产仿真模型将过程数据通过OPCDA规范传送至WinCC提供的OPC服务器中，OPC服务器利用MPI通讯方式将计算机生产仿真模型中的过程数据传送至控制器。同样控制器控制命令也是通过MPI通讯方式以及OPCDA规范，经过OPC服务器传送至计算机生产仿真模型中。该层具体功能将计算机生产仿真模型虚拟仪表的过程数据采集到控制器中以及将控制器的控制指令传送至计算机生产仿真模型的虚拟执行结构。
本发明提供的DCS系统与计算机生产仿真模型信息处理方法实现方案为：
将DCS系统与计算机生产仿真模型的通讯架构分为不同层级，每个层级利用特定的通讯协议，直接或间接的连接在一起形成DCS系统与计算机生产仿真模型数据交换网络，如图2所示。DCS系统与计算机生产仿真模型数据交换的示意图如图3所示。
结合图2与图3具体说明一种DCS系统与计算机生产仿真模型信息处理方法的工作流程。
1.计算机生产仿真模型作为OPC客户端使用，所有的过程变量支持OPCDA规范，可将过程数据同时传输至相应的OPC服务器。
2.利用WinCC作为OPC服务器使用，配置OPC相关文件，编写每个OPC服务器中与之对应的计算机仿真模型中的过程变量名称、地址以及数据类型。
3.利用OPCDA规范为各计算机生产仿真模型配置相应的OPC服务器名称与IP地址，将所需的过程变量添加到OPC项集合中，通过连接便可实现各计算机仿真模型与相应OPC服务器之间的连接，并可将计算机仿真模型中所有过程数据同时写入相应的OPC服务器中使用；
4.WinCC通讯驱动集中可支持MPI通讯方式，各OPC服务器需对照相应的DCS系统副控制器中的MPI地址，通过正确的MPI通讯地址，OPC服务器便可与相应的DCS系统副控制器正常交换数据。
5.DCS系统各副控制器作为PROFIBUS现场总线从站节点，根据各自所控制的计算机仿真模型的过程变量编写数据通讯区，DCS系统主控制器与相应的副控制器保持相同的数据通讯区地址；此外，DCS系统主控制器与各副控制器的现场总线地址不得有重复；
6.DCS系统主控制器通过工业以太网交换机与DCS系统工程师站、各操作员站以及数据服务器组建成局域网，分别配有不同的IP地址。DCS系统主控制器利用现场总线通讯区接收各DCS系统副控制器发送的计算机仿真模型的过程数据，可通过工业以太网将计算机仿真模型的过程数据传送至DCS系统工程师站、操作员站以及数据服务器。
7.上述一到六的过程便可实现将计算机仿真模型通过不同网络协议逐次传递至DCS系统的每个功能单元；DCS系统工程师站根据计算机仿真模型提供的工艺要求开发控制算法，并下载至DCS主、副控制器中，用于DCS系统与计算机生产仿真模型的过程控制研究；
8.DCS系统操作员站可通过DCS系统通讯网络平台实时采集计算机仿真模型的过程数据，利用工程师站开发的控制算法，操作员站可发送控制指令控制计算机生产仿真模型提供的被控变量；同样，操作员站发出的控制指令通过第一到第七所述的DCS系统网络平台逐次将控制指令下发至DCS系统主控制、DCS系统副控制器、相应的OPC服务器，最终传送至相应的OPC客户端，也就是相应的计算机仿真模型；
9.利用这样的通讯网络平台，计算机仿真模型的某一控制回路的被控变量传送至DCS系统控制器并被操作员站接收，操作员将控制指令发送至DCS系统控制器，最终传送给计算机仿真模型中该回路的执行机构，从而达到该回路的稳定控制。
本发明所提供的DCS系统与计算机仿真模型信息处理方法具有较强的理论性、实践性与操作性。将DCS系统与计算机生产仿真模型通过不同的通讯协议直接或间接的连接在一起，达到准确快速的采集计算机生产仿真模型以及将控制器指令传送至计算机生产仿真模型的目的。
为了解决DCS系统与计算机生产仿真模型直接数据高速、可靠地传输。本发明提供的DCS系统与计算机生产仿真模型信息处理方法所包含的技术方案有：工业以太网通讯技术、PROFIBUS现场总线通讯技术、MPI通讯技术以及OPC通讯技术。所述工业以太网负责DCS系统的工程师站、操作员站以及数据服务器与DCS系统控制器之间的数据交换。所述PROFIBUS现场总线负责DCS系统控主控制器与各副控制器之间的数据交换。所述MPI通讯技术负责DCS系统各副控制器与相应的OPC服务器之间的数据交换。所述OPC通讯技术负责OPC服务器与相应的计算机仿真模型之间的数据交换。
本发明所提供的DCS系统与计算机仿真模型信息处理方法包括工业以太网通讯开发、DCS系统主副控制器地址编写、副控制器与OPC服务器通讯连接、OPC服务器组态与变量地址分配以及计算机生产仿真模型的OPC客户端开发。
Claims (1)
1.一种DCS系统与计算机生产仿真模型信息处理方法，其特征在于，该方法将DCS系统与计算机生产仿真模型的通讯架构分为不同层级，每个层级利用特定的通讯协议，直接或间接的连接在一起形成DCS系统与计算机生产仿真模型数据交换网络；该方法将DCS系统与计算机生产仿真模型的通讯架构主要分为三层结构，分别为系统监控管理层、现场设备控制层以及过程数据采集层；利用半实物仿真技术用于过程控制研究的DCS系统与计算机生产仿真模型的通讯架构包括：
第一、计算机生产仿真模型作为OPC客户端使用，所有的过程变量支持OPCDA规范，可将过程数据同时传输至相应的OPC服务器；
第二、利用WinCC作为OPC服务器使用，配置OPC相关文件，编写每个OPC服务器中与之对应的计算机仿真模型中的过程变量名称、地址以及数据类型；
第三、利用OPCDA规范为各计算机生产仿真模型配置相应的OPC服务器名称与IP地址，将所需的过程变量添加到OPC项集合中，通过连接便可实现各计算机仿真模型与相应OPC服务器之间的连接，并可将计算机仿真模型中所有过程数据同时写入相应的OPC服务器中使用；
第四、WinCC通讯驱动集中可支持MPI通讯方式，各OPC服务器需对照相应的DCS系统副控制器中的MPI地址，通过正确的MPI通讯地址，OPC服务器便可与相应的DCS系统副控制器正常交换数据；
第五、DCS系统各副控制器作为PROFIBUS现场总线从站节点，根据各自所控制的计算机仿真模型的过程变量编写数据通讯区，DCS系统主控制器与相应的副控制器保持相同的数据通讯区地址；
第六、DCS系统主控制器通过工业以太网交换机与DCS系统工程师站、各操作员站以及数据服务器组建成局域网，分别配有不同的IP地址；
第七、上述第一到第六的过程便可实现将计算机仿真模型通过不同网络协议逐次传递至DCS系统的每个功能单元；DCS系统工程师站根据计算机仿真模型提供的工艺要求开发控制算法，并下载至DCS主、副控制器中，用于DCS系统与计算机生产仿真模型的过程控制研究；
第八、DCS系统操作员站可通过DCS系统通讯网络平台实时采集计算机仿真模型的过程数据，利用工程师站开发的控制算法，操作员站可发送控制指令控制计算机生产仿真模型提供的被控变量；同样，操作员站发出的控制指令通过第一到第六所述的DCS系统网络平台逐次将控制指令下发至DCS系统主控制、DCS系统副控制器、相应的OPC服务器，最终传送至相应的OPC客户端，也就是相应的计算机仿真模型；
第九、利用这样的通讯网络平台，计算机仿真模型的某一控制回路的被控变量传送至DCS系统控制器并被操作员站接收，操作员将控制指令发送至DCS系统控制器，最终传送给计算机仿真模型中该回路的执行机构，从而达到该回路的稳定控制；
DCS系统各副控制器作为PROFIBUS现场总线从站节点，根据各自所控制的计算机仿真模型的过程变量编写数据通讯区，DCS系统主控制器与相应的副控制器保持相同的数据通讯区地址，此外，DCS系统主控制器与各副控制器的现场总线地址不得有重复；
DCS系统主控制器通过工业以太网交换机与DCS系统工程师站、各操作员站以及数据服务器组建成局域网，分别配有不同的IP地址进一步包括以下方法：DCS系统主控制器利用现场总线数据通讯区接收各DCS系统副控制器发送的计算机仿真模型的过程数据，可通过工业以太网将计算机仿真模型的过程数据传送至DCS系统工程师站、操作员站以及数据服务器。
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