CN103765336A - 分布式控制系统中控制应用的在线和动态调度配置的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及分布式控制系统（DCS）中的控制应用的在线和动态调度配置的方法。本发明考虑具有包含多个控制器的DCS，其中控制器包括源控制器中的一个或多个以及目的地控制器中的一个或多个。本发明的方法包括以下步骤：a）以最佳的方式选择控制应用的一个或多个块。一个或多个源控制器中的控制应用的这样的块可以跨一个或多个目的地控制器迁移；b）识别一个或多个目的地控制器中用于执行块的一个或多个潜在插槽。采用这些潜在插槽用于相应地容纳控制应用的所述选择的一个或多个块；c）由该一个或多个目的地控制器向中央管理实体或向对应的一个或多个所述源控制器公布关于所述识别的潜在插槽中的一个或多个的信息；d）相应地对于所述目的地控制器中的每个由中央管理实体或由所述一个或多个源控制器确定所述一个或多个潜在插槽和与之对应的所述选择的块；以及e）由所述中央管理实体或由所述一个或多个源控制器提出控制应用的调度配置；以及f）对于所述一个或多个块或其逻辑组合中的每个执行可调度性分析。本发明还涉及用于根据本发明的方法在具有多个控制器的分布式控制系统（DCS）中执行控制应用的在线和动态调度配置的系统。

Description

分布式控制系统中控制应用的在线和动态调度配置的方法和系统
技术领域
本发明涉及分布式控制系统中的控制应用，并且更特定地涉及分布式控制系统中的控制应用的在线和动态调度配置的方法和系统。
背景技术
大体上，在过程控制工厂中采用分布式控制系统（DCS）用于控制该工厂中的过程。DCS具有实时控制器，其包括但不限于一般或工业个人计算机（PC）、编程逻辑控制器（PLC）、能够向控制应用提供实时执行环境的任何计算单元等，并且需要通过工业自动化来管理实时控制应用、通信接口、现场装置等。
过程控制工业中牵涉的过程由与硬件、控制应用、工作流程等有关的因素来表征。这些控制应用在控制器中基于控制应用的调度而执行。当前，控制应用或其部分的调度或调度配置（用于控制应用的执行）以预定的方式在执行控制应用之前进行。而且，可以理解调度配置局限于控制器中的每个，因为在本DCS中，控制应用或其部分未实时动态地跨其他控制器迁移或共享。
在DCS中具有控制应用的调度配置（其中控制应用或其部分的执行被实时动态调度并且考虑控制应用在DCS中的一个或多个控制器内或之间的在线迁移、共享、修改或类似）变得重要。
发明目的
本发明的目的是提供控制应用的调度配置的方法，该方法是动态的并且在线进行。
提供控制应用或其部分的调度配置的方法，这也是本发明的目标。
本发明的另一个目的是提供在一个或多个控制器中或跨一个或多个控制器的控制应用的调度配置的方法。
本发明的再另一个目的是提供迎合控制应用的高效迁移工作流程的控制应用的调度配置的方法。
本发明的另外的目的是提供考虑并且计入与控制应用有关的变化（例如控制应用和其工厂的控制方案的增加、删除、修改和级联等）的控制应用的调度配置的方法。
提供用于进行本发明的方法的系统，这是本发明的再另一个目的。
发明内容
相应地，本发明提供分布式控制系统（DCS）中的控制应用的在线和动态调度配置的方法。本发明考虑具有带多个控制器的DCS，其中控制器包括源控制器中的一个或多个以及目的地控制器中的一个或多个。本发明的方法包括以下步骤：a）以最佳的方式选择控制应用的一个或多个块。一个或多个源控制器中的控制应用的这样的块可以跨一个或多个目的地控制器迁移；b）识别一个或多个目的地控制器中用于执行块的一个或多个潜在插槽（slot）。采用这些潜在插槽用于相应地容纳控制应用的所述选择的一个或多个块；c）由该一个或多个目的地控制器向中央管理实体或向对应的一个或多个所述源控制器公布关于所述识别的潜在插槽中的一个或多个的信息；d）相应地对于所述目的地控制器中的每个由中央管理实体或由所述一个或多个源控制器确定所述一个或多个潜在插槽和与之对应的它的所述选择的块；以及e）由所述中央管理实体或由所述一个或多个源控制器提出控制应用的调度配置；以及f）对于所述一个或多个块或其逻辑组合中的每个执行可调度性分析。
相应地，根据本发明的方法，本发明还提供用于在分布式控制系统（DCS）中执行控制应用的在线和动态调度配置的系统。该系统包括：a）多个控制器，其包括一个或多个源控制器以及一个或多个目的地控制器；和b）中央管理实体，用于相应地对于所述目的地控制器中的每个确定用于执行块的一个或多个潜在插槽和与之对应的它的选择块、提出控制应用的调度配置以及对于所述一个或多个块或其逻辑组合中的每个执行可调度性分析。独立提供用于所述目的的中央管理实体或在一个或多个源控制器内提供相似的部件。
附图说明
参考附图，其中：
图1示出通过示范性实施例描绘本发明的方法的流程图；以及
图2示出根据提出的本发明的方法的控制应用的调度配置。
具体实施方式
参考图1和2通过非详尽的示范性实施例详细解释本发明。在图1中，流程图描绘由分布式控制系统（DCS）中的系统执行的本发明的方法（100）。DCS具有许多控制器。
如在图1中示出的，在初始提出（101）时的控制应用的调度配置。计算（108）该配置的灵活性指数。灵活性指数是关于配置适应于配置中的任何未来变化的灵活性的度量，并且计算如下：
灵活性指数，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，
'b'是块； 'n'是节点；'S'是系统；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
意指'块'属于'节点'；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
意指'节点'属于'系统'；
IM是迁移指数；并且
IA是接受指数。
最佳配置将具有IF ≈ IF max（即高灵活性指数）并且ILnode < IL threshold 
Figure DEST_PATH_IMAGE008
（即，对于系统中的所有节点，节点负载指数在阈值以下）。相应地，执行可调度性分析来利用所述灵活性指数校验配置的可行性（109）。这基于包括但不限于时间保证、块或控制应用的执行顺序、总稳定性等的因素来实行。随着配置可行的可能性，提出对于控制应用的重新配置和其迁移（如有的话）的工作流程（110）并且由中央管理实体执行（113）重新配置。然而，如果所述配置不可行，考虑其他可能配置（111）。
当其他配置变得可能时，识别或从这样可能配置中的全部选择最适合和/或最佳配置（107）。之后，紧接上文所述的，后跟从108开始的步骤。如果在111没有可能的其他配置，在101处提出的调度配置被拒绝或否决（112），并且系统以当前被采用或已经就位的稳定调度配置运行（102）。
考虑到系统以稳定调度配置运行（102），该场景在运行时间期间可以动态地执行控制应用的调度配置之前独立或同范围地应用于本文描述。调度配置可以由于许多原因（其可包括起因于过载、故障等的情形）而自发或非自发地触发（103，105）。
相应地，选择对应于一个或多个源控制器的控制应用的一个或多个块以便使它们从源控制器迁移到一个或多个适合和/或最佳选择的目的地控制器。本文提到的控制应用的块或多个块是独立逻辑块，其是对应应用或控制应用的块或部分。这些块能独立执行并且具有相应的运行时间状态和数据。而且，这些块能够与相同应用中的其他块中的一个或多个或属于相同控制器或其他控制器的其他应用中的块通信并且与之共享运行时间状态和数据。
在这里，源控制器指控制应用或它的块从其中迁移的控制器。目的地控制器是控制应用或它的块从源控制器正要移到的控制器。要注意在任何时间点，任何源控制器还可以同时作为目的地控制器存在并且反之亦然。
以最佳方式选择迁移的块包括对于所有块计算迁移指数（104）。迁移指数是可以迁移的控制应用的有利部分或块的度量，并且计算如下：
迁移指数
Figure DEST_PATH_IMAGE010
其中，
TEX=执行时间，其是块执行的开始与结束之间的持续时间；
TFL=浮动时间，其是块执行的结束与控制应用中下一个链接块执行的开始之间的持续时间；
TSL=松弛时间，其是块执行结束与节点调度中下一个块执行的开始之间的持续时间；
CCOM（通信成本）是对于分布式链接的块之间的通信的通信开销的度量。一般，CCOM在链接的块（控制应用的分布的部分/块）在相同控制器的调度中执行时是可忽略的。如果链接的块在不同的控制器上执行，CCOM是高的。如果块的相邻链接的块分散在不同控制器上而不是在相同控制器上执行，则该块的CCOM更高。具有高CCOM的块对于迁移是更灵活性的；
CRT（实时约束成本）对于具有硬实时约束的块是高的并且对于没有硬实时约束的块是低的。具有低CRT的块对于迁移是更灵活性的；
PIN/POUT（端口IN/OUT）是在使用中的块的通信端口的相应数量；
Lblock（块负载）是由于块而引起的运行时间执行负载；以及
IRblock（块可靠性指数）是块的可靠性的度量。
此外，识别目的地控制器中的一个或多个中的一个或多个潜在插槽。这些用于执行块的插槽是调度插槽，其可以容纳所述选择的块中的一个或多个以用于迁移并且执行它们。关于参与配置调度的所述一个或多个目的地控制器的节点向中央管理实体公布对应于潜在插槽和它相应的接受指数的信息（106）。接受指数是控制器调度容纳控制应用的迁移部分的有利接受的度量。接受指数计算如下：
接受指数；
其中，
ILnode（节点负载指数）；
IRnode（节点可靠性指数）
Figure DEST_PATH_IMAGE016
，即节点中所有块的IRblock总和；
LPROC（处理负载）是由于运行应用的处理要求所引起的节点上的负载的度量；
LMEM（存储器负载）是由于运行应用的存储器要求所引起的节点上的负载的度量；以及
LCOM（通信负载）是由于控制应用的分布的部分之间的通信所引起的节点上的通信负载的度量。
之后，方法牵涉提出最佳配置（107）并且计算灵活性指数（108），以及其他步骤109至113，如在上文在说明中解释的。
要注意声称是中央管理实体或它的等同或类似的相似实体在一个或多个源控制器内可用并且在能适用时可用。因此，即使在没有明确中央管理实体的情况下，所述目的相应地由一个或多个源控制器完成。
图2示出其中具有四个控制器/节点（201，202，203和204）的稳定调度配置（200）正采用七个分布式控制应用（205至211）运行的示例。这些控制应用（205至211）相应地具有它们相应的块（A，B，C，D，E，K，L，M，N，P，Q，R，S，W，X，Y和Z）。
在这里，示出由于过载（103）引起的调度重新配置的触发在节点（201）中发生。根据本发明的方法的工作流程被发起。节点（201）中的该过载情形可以通过使块中的一个从节点（201）动态迁移到其他节点（202，203，204）中的任一个而被处理。计算节点（201）中的块（A，B，C，D和E）中的每个的迁移指数。提出的最佳配置中的一个可以是从节点（201）到节点（202）迁移块（B）以及将块（B）调度在节点（202）中的块（K）之后和块（L）之前。如果关于可行性指数及其可行性分析发现提出的配置可行（109），提出迁移工作流程以使块（B）从节点（201）迁移到节点（202）。在成功迁移后，系统以新的调度配置稳定运行直到发生重新配置的触发。
本发明还迎合或允许控制应用的动态变化（其包括但不限于所述工厂的额外或新控制方案的增加、删除、修改、级联等）以及控制应用的逻辑或算法的变化等。
本发明不受本文在说明书中描述的优选实施例的限制。要注意本发明通过示范性实施例解释并且既非详尽也非限制性的。未在本文在说明书中详述的本发明的某些方面被本领域内技术人员清楚地理解。而且，只要能适用的话，与本文在说明书中使用的单数形式有关的术语还包括它的复数并且反之亦然。没有专门在说明书以及权利要求书中描述的任何相关修改或变化形式实际上可被解释为正好在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种具有多个控制器的分布式控制系统（DCS）中的控制应用的在线和动态调度配置的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
在一个或多个源控制器中最佳地选择能够跨一个或多个目的地控制器迁移的控制应用的一个或多个块；
识别一个或多个目的地控制器中用于执行块的一个或多个潜在插槽，采用所述潜在插槽以用于相应地容纳控制应用的所述选择的一个或多个块；
由所述一个或多个目的地控制器向中央管理实体或向对应的一个或多个所述源控制器公布关于所述识别的潜在插槽中的一个或多个的信息；
相应地对于所述目的地控制器中的每个由所述中央管理实体或由所述一个或多个源控制器确定所述一个或多个潜在插槽及其与之对应的所述选择的块； 
由所述中央管理实体或由所述一个或多个源控制器提出控制应用的调度配置；以及
对于所述一个或多个块或其逻辑组合中的每个执行可调度性分析。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述块是独立逻辑块，其是能独立执行的对应应用或控制应用的块或部分，并且具有相应的运行时间状态和数据，并且能够与相同应用中的其他块中的一个或多个或属于相同控制器或其他控制器的其他应用中的块通信并且共享运行时间状态和数据。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述一个或多个应用或控制应用能够独立于所述控制器而执行。
4.如权利要求1所述的方法，其中最佳地选择控制应用中的一个或多个块包括识别所述一个或多个源控制器中的控制应用的块并且基于所述块的可行性及其潜力执行所述识别的块的比较排序以用于迁移。
5.如权利要求1或4所述的方法，其中基于例如迁移指数、块可靠性指数等的块级别指数中的一个或多个来最佳地选择控制应用的一个或多个块。
6.如权利要求1所述的方法，其中基于例如接受指数、节点可靠性指数、节点负载指数等的节点级别指数中的一个或多个来识别一个或多个目的地控制器中的一个或多个潜在插槽。
7.如权利要求1所述的方法，其中基于例如时间保证、块或其控制应用的执行顺序、总稳定性等的因素中的一个或多个来对所述一个或多个块或其逻辑组合中的每个执行可调度性分析。
8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其中所述方法允许动态变化中的一个或多个、例如所述工厂的额外或新控制方案的增加、删除、修改、级联等，以及控制应用的逻辑或算法的变化，等。
9.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其中所述方法在线或在所述一个或多个控制器或其工厂的操作期间执行，从而维持所述一个或多个控制器或工厂以及其中的操作序列的平稳运行。
10.一种用于根据如在权利要求1-9中任一项所述的方法在具有多个控制器的分布式控制系统（DCS）中执行控制应用的在线和动态调度配置的系统，所述系统包括：
多个控制器，其包括一个或多个源控制器以及一个或多个目的地控制器；
单独提供的或是在一个或多个源控制器内提供的相似部件的中央管理实体，用于相应地对于所述目的地控制器中的每个确定一个或多个潜在插槽及其与之对应的选择的块、提出控制应用的调度配置以及对于所述一个或多个块或其逻辑组合中的每个执行可调度性分析。
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