CN104317259A - 一种建立plc/dcs平台设备逻辑模型的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种建立PLC/DCS平台设备逻辑模型的方法，获取设备的输入/输出逻辑信号和电气二次控制原理图，按照设备的输入/输出逻辑信号和电气二次控制原理图进行设备的分类，建立设备类库，采用离散事件形式化方法，结合每类设备的各工作逻辑条件建立逻辑模型集合，根据得到的每类设备的逻辑模型集合，在现场PLC/DCS平台上，利用PLC/DCS程序控制设备的逻辑模型，在工业现场进行PLC/DCS程序调试时，将相应设备逻辑模型从设备逻辑模型库中调出来，利用各设备逻辑模型搭建虚拟工业现场，将待测PLC/DCS程序与设备逻辑模型连接，完成对PLC/DCS程序的调试。
Description
技术领域
本发明属于电气自动化技术领域，具体涉及一种建立PLC/DCS平台设备逻辑模型的方法。
背景技术
PLC是可编程逻辑控制器，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，它具有使用方便，编程简单，性价比高等特点，在工业控制领域使用极广。DCS是一种分散式控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。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，综合了计算机，通信、显示和控制等4C技术，它具有高可靠性、开放性、灵活性等优势，在工业现场中被广泛应用。
在实验室对PLC/DCS程序测试过程中，PLC程序都是在不与任何控制对象连接的状态下，程序测试员仅通过PLC/DCS程序的输入输出状态就对PLC/DCS程序的正确性进行判定，这就是传统的PLC/DCS程序测试过程中往往存在效率低和人为错误等问题的原因。然而在实验室搭建工业现场的硬件平台又显得耗时费力，并且最主要的问题是随着工程项目的不同、被控设备的种类繁多，类似于这样的硬件平台又显得不能满足各种需求。因此如果能够找到一种有效的建模方法，通过对工业现场的设备的工作原理进行详细的分析，完成对现场设备的逻辑模型的建模，并将经过验证的模型存储到模型库中。在具体应用时，当需要建立某台设备的虚拟对象模型时，只需要将对象模型库中与该台设备相对应的设备类对象模型进行实例化就可以了。
虚拟对象模型的建模并非是对设备的工作过程进行精确的仿真，由于设备的控制在于逻辑，而边界条件在控制逻辑中占据主导地位，因此其过程并不是我们关注的重点。在这里并不是说过程不用考虑，而是由于过程是边界条件产生影响的结果，只是在建模过程中将其简化了而已。虚拟过程要完成正常命令响应，并给出相应的状态输出。由于磨损、老化等机理性的故障不是控制学科所重点关心的问题。故障产生的随机性也难以把握。对于故障测试这种随机性将导致故障不能或很难产生对它的模拟。因此为了完成对设备的虚拟对象模型故障的模拟，常常采用触发式故障产生方式。
在完成虚拟对象模型建模之后，需要对虚拟对象模型进行相应的验证。虚拟对象模型的验证应该从模型的功能设计要求出发，按照严格的验证流程步骤，完成对虚拟对象模型完备性和准确性的测试。虚拟对象模型的验证一股含以下部分：对驱动命令的响应、能够实现设备运行状态信息的反馈、对物料进行相应的处理和实现一定的故障模拟功能。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种建立PLC/DCS平台设备逻辑模型的方法。
本发明的技术方案是：
步骤1：获取设备的输入逻辑信号、输出逻辑信号和电气二次控制原理图；
步骤2：按照设备的输入逻辑信号、输出逻辑信号和电气二次控制原理图进行设备的分类，建立设备类库；
所述的设备的分类原则是：将具有相同输入逻辑信号、输出逻辑信号和电气二次控制原理图的设备视为同类设备，将具有不同输入逻辑信号、输出逻辑信号或者不同电气二次控制原理图的设备视为非同类设备；
步骤3：采用离散事件形式化方法，结合每类设备的各工作逻辑条件建立每类设备的若干逻辑模型，得到每类设备的逻辑模型集合；
所述的离散事件形式化方法是根据每类设备的状态转换方程、每类设备的输入条件以及每类设备的输出方程建立逻辑模型，得到每类设备的逻辑模型集合；
所述的逻辑模型集合包括：输入事件集合、连续状态集合、输出状态集合、内部状态转换方程、外部状态转换方程、输出方程、预设时间方程；
输入事件集合：包括设备的输入条件；
连续状态集合：包括输入状态、中间转换状态、输出状态；
输出事件集合：包括设备的启动、停止、故障三种输出结果；
内部状态转换方程：表示设备的中间转换状态中上一个状态与下一个状态的转换关系的方程；
外部状态转换方程：表示设备的中间转换状态、设备的输入条件及设备的输入状态的关系的方程；
输出方程：表示设备的中间转换状态和设备的输出结果的关系的方程；
预设时间方程：在逻辑模型中从输入条件输入至输出结果输出的时间关系方程。
步骤4：根据得到的每类设备的逻辑模型集合，在现场PLC/DCS平台上，利用PLC/DCS程序控制设备的逻辑模型，在相同输入条件下，若设备的逻辑模型的输出结果与实际设备的输出结果不同，则该逻辑模型不正确，返回步骤3重新建立逻辑模型，否则，将该逻辑模型添加入设备逻辑模型库中；
步骤5：在工业现场进行PLC/DCS程序调试时，将相应设备逻辑模型从设备逻辑模型库中调出来，利用各设备逻辑模型搭建虚拟工业现场，将待测PLC/DCS程序与设备逻辑模型连接，完成对PLC/DCS程序的调试。
本发明的有益效果是：本发明是从PLC/DCS程序测试的实际需求出发，通过对工业现场的设备进行仿真建模，根据不同的工程项目，完成对模拟调试现场的组建，具有较强的实用性。
本发明是从现代工业现场中设备逻辑控制程序测试的现状出发，找到目前程序测试存在的问题，并针对存在的问题进行需求分析，通过对工业现场的设备进行模型建立，并根据需求搭建模拟调试现场，通过将待测PLC/DCS程序施加到该模拟调试现场上，完成对PLC/DCS程序的测试。
本发明通过对工业现场的设备进行分类，并对各类设备从机械层和电气层进行分析，然后根据离散事件形式化方法对设备进行建模，建立起设备的逻辑模型。
在流程工业中，由于设备种类繁多，通过对现场的设备进行分类，并根据设备的分类进行建模。因此如果能够找到一种建模方法，能够完成对现场设备的逻辑建模，并根据实际的需求完成模型的实例化。本发明之所以采用离散形式化建模方法，该方法将设备分为逻辑模型和物理模型进行建模，物理模型作为虚拟设备模型的外壳，完成对设备的行为动态的模拟，逻辑模型作为虚拟设备模型的核心，其决定着物理模型的行为动态。因此该建模方法完成了对设备的工作过程的完全模拟，能够实现与被测PLC/DCS程序之间的信息交互。
本发明为现场设备的建模提供一种方法，为实现工业过程全流程的逻辑控制测试提供了强有力的支持。
对于现场设备的建模具有重要的意义，因此本发明从现场设备的实际工作原理出发，通过提出一种能够实现对现场设备准确模拟的建模方法，并通过实际的应用完成对该建模方法验证。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中一种建立设备逻辑模型的方法的流程图；
图2为本发明具体实施方式中带式输送机的设备逻辑模型和物理模型；
图3为本发明具体实施方式中带式输送机的逻辑模型的PLC程序。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明，如图1所示。
以某国外大型DCS项目为例，该项目的控制系统覆盖全厂，涉及了全厂18个子工序，要求除实现全厂的生产过程控制外，还需要实现全厂供水、供汽、供油等的连锁控制。整个控制系统规模比较庞大，其I/O点数达到11500多点，需要实现逻辑控制的设备达1600多台，包括各种电机、阀门、大型设备等。控制系统采用Honeywell公司的PKS产品。由于涉及的设备众多，本实施方式以自动布料过程工序为例，对本实施方式的实施过程进行说明。
步骤1：获取设备的输入逻辑信号、输出逻辑信号和电气二次控制原理图。
自动布料过程工序包含几十台设备，主要包括电机、变频器、带式输送机、矿仓。获取自动布料过程几十台设备的输入逻辑信号、输出逻辑信号和电气二次控制原理图。
步骤2：按照设备的输入逻辑信号、输出逻辑信号和电气二次控制原理图进行设备的分类，建立设备类库。
设备的分类原则是：将具有相同输入逻辑信号、输出逻辑信号和电气二次控制原理图的设备视为同类设备，将具有不同输入逻辑信号、输出逻辑信号或者不同电气二次控制原理图的设备视为非同类设备。
本实施方式中，将几十台设备按照设备的输入逻辑信号、输出逻辑信号和电气二次控制原理图进行设备的分类，得到5类设备，如表1所示的设备分类表。
表1 设备分类表
在表1中，类别号是为了区分设备类别而定义的，无具体的定义规则，DEV(device)是设备的简称，DEV后面的数字为设备类别序号，即：1代表第一类设备、2代表第二类设备、…、5代表第五类设备，设备名称及设备号代表这类设备里面包含的自动布料工序中的设备名称以及编号；逻辑信号是描述设备状态的信号(如远程/本地控制信号、运行信号、故障信号等逻辑信号)，其取值一股为1或0，一股情况下，1定义为有效，0定义为无效，但也存在特殊定义的情况，如急停信号，一股0定义为有效，1定义为无效；物理意义是指逻辑信号的物理含义包括中文含义以及英文含义。
步骤3：采用离散事件形式化方法，结合每类设备的各工作逻辑条件建立每类设备的若干逻辑模型，得到每类设备的逻辑模型集合。
每类设备的工作逻辑条件，包括内部逻辑条件和外部逻辑条件。
内部逻辑条件，为设备自身的运行逻辑，直接或间接反映设备自身内部的运行状态。
外部逻辑条件，自于工艺流程安全运行需求，指的是生产过程中，工艺流程的上、下游设备对中间设备运行的逻辑影响，包括强制逻辑条件和使能逻辑条件，强制逻辑条件是指在设备连锁时，不受外部操作命令的影响而将驱动命令强制置为相应状态的条件；使能逻辑条件是指在设备连锁时，强制逻辑条件无效时，在操作命令的协同下才能完成驱动命令输出的条件。
离散事件形式化方法是根据每类设备的状态转换方程、每类设备的输入条件以及每类设备的输出方程建立逻辑模型，得到每类设备的逻辑模型集合。
逻辑模型集合包含该设备逻辑层的所有信息，包括输入事件集合、连续状态集合、输出状态集合、内部状态转换方程、外部状态转换方程、输出方程、预设时间方程。
输入事件集合：包括设备的输入条件。
连续状态集合：包括输入状态、中间转换状态、输出状态。输入状态为输入条件输入到设备的运作状态；中间转换状态为设备的几种运作状态；输出状态为设备在输入条件以及中间状态情况下做出的动作。设备的状态由现场的一些传感器采集信息，通过数据通信传给控制器。
输出事件集合：包括设备的启动、停止、故障三种输出结果。
内部状态转换方程：表示设备的中间转换状态中上一个状态与下一个状态的转换关系的方程。
外部状态转换方程：表示设备的中间转换状态、设备的输入条件及设备的输入状态的关系的方程。
输出方程：表示设备的中间转换状态和设备的输出结果的关系的方程。
预设时间方程：在逻辑模型中从输入条件输入至输出结果输出的时间关系方程。
本实施方式以表1中的第一类设备为例进行说明，第一类设备主要为带式输送机，不同工艺的带式输送机为一类设备，这类设备主要由电机、皮带和一些机械结构组成。由其输入信号可知，带式输送机输入信号有：运行、故障、检修、堵料、打滑、轻跑偏、重跑偏、事故；输出信号有：启动、停止。
带式输送机的设备逻辑模型和物理模型如图2所示。
该类设备的逻辑模型集合M表示为：
M＝＜X，S，Y，δint，δext，λ，ta＞ (1)
X：{X1，X2} (2)
S：{S_P1，M_P1，S_P2，M_P2} (3)
Y：{Y1，Y2} (4)
δint(M_P1)＝S_P2 (5)
δint(M_P2)＝S_P1 (6)
δext(S_P1，X1)＝M_P1 (7)
δext(S_P2，X2)＝M_P2 (8)
λ(M_P1)＝Y1；λ(M_P2)＝Y2 (9)
ta(M_P1)＝T1；ta(M_P2)＝T2 (10)
其中，输入事件集合X包括：事件X1和事件X2。
事件X1为响应T1过程，即物料从P1端运送到P2端的过程。
事件X2为响应T2过程，即物料从P2端运送到P1端的过程。
输出事件集合Y包括：事件Y1和事件Y2。
事件Y1为电机M1的启动、停止和故障的三种输出结果。
事件Y2为电机M2的启动、停止和故障的三种输出结果。
连续状态集合S包括：S_P1、S_P2、M_P1、M_P2。
S_P1和S_P2为中间转换状态，由传感器S1和传感器S2采集，与电机M1和电机M2的启动、停止状态相关，当物料在S1端，同时电机M2未启动时，触动S_P1置位，当物料在S2端，同时电机M1未启动时，触动S_P2置位。
M_P1和M_P2为输出状态，表示电机M1和电机M2的启动、停止状态。
内部状态转换方程包括δint(M_P1)＝S_P2、δint(M_P2)＝S_P1。
δint(M_P1)＝S_P2，表示为电机M1触动启动或停止后，同时触发S_P2过程置位。
δint(M_P2)＝S_P1，表示为电机M2触动启动或停止后，同时触发S_P1过程置位。
设备的外部转换方程包括δext(S_P1，X1)＝M_P1、δext(S_P2，X2)＝M_P2。
δext(S_P1，X1)＝M_P1，表示S-P1过程置位时，同时事件X1为响应T1过程时，触发M_P1置位。
δext(S_P2，X2)＝M_P2，表示S-P2过程置位时，同时事件X2为响应T2过程时，触发M_P2置位。
输出方程包括：λ(M_P1)＝Y1、λ(M_P2)＝Y2。
λ(M_P1)＝Y1，表示M_P1触发后，输出事件Y1，即电机M1的启动、停止和故障的三种输出结果。
λ(M_P2)＝Y2，表示M_P2触发后，输出事件Y2，即电机M2的启动、停止和故障的三种输出结果。
预设时间方程包括：ta(M_P1)＝T1、ta(M_P2)＝T2。
ta(M_P1)＝T1表示物料从P1到P2经历的时间。
ta(M_P2)＝T2表示物料从P2到P1经历的时间。
以T1过程为例，在不考虑现场反馈回来的信号时，皮带将物料从P1端运输到P2端，外部输入事件X1时，由传感器S1采集物料信号，如果物料在P1端，并且此时电机M2的状态M_P2为0，则置位S_P1状态，根据外部转换方程此时设备的状态为M_P1，根据输出方程置位Y1，即启动电机M1，同时如果物料到达P2端，则置位S_P2状态，为设备的下一个状态转换做好准备。
整个设备的运作状态根据设备的输入以及设备的状态，得到设备的输出方程，即得到设备的逻辑模型。
本实施方式可以采用ControlBuild软件使用梯形图语言编程得到带式输送机的逻辑模型，如图3所示。
步骤4：根据得到的每类设备的逻辑模型集合，在现场PLC/DCS平台上，利用PLC/DCS程序控制设备的逻辑模型，在相同输入条件下，若设备的逻辑模型的输出结果与实际设备的输出结果不同，则该逻辑模型不正确，返回步骤3重新建立逻辑模型，否则，将该逻辑模型添加入设备逻辑模型库中。
设备逻辑模型建立完成之后，需要对其进行测试，根据某国外大型PLC/DCS程序为例，将该项目中的PLC/DCS程序加载到该皮带输送机的逻辑模型上，通过模拟现场的一些故障，观察设备逻辑模型的输出情况。
首先进行程序与设备逻辑模型之间的连接：由于ControlBuild支持与罗克韦尔相应软件之间的连接，因此只需要对ControlBuild的相应OPC驱动文件进行配置，然后将程序的输出和设备逻辑模型相应的输入进行连接，此时应注意由于程序中需要将设备逻辑模型中的运行状态反馈到程序的输入端，因此要对设备逻辑模型的运行状态进行相应的反馈连接处理。
其次是运行结果的判定：是通过理想输出结果与设备逻辑模型的输出结果进行对比，判断出设备逻辑模型的准确性。
首先是在正常情况下，对虚拟设备模型的测试。将设备运转正常的输入加载到程序中，观察设备逻辑模型在正常工作状态下的运行情况。
其次是模拟现场中出现的故障情况，观察虚拟设备的运行情况。将现场中出现过的皮带机的故障信号加载到程序中，通过程序控制设备逻辑模型的运转，从而观察设备逻辑模型在故障状态下的运转情况。
通过加载现场中已经得到验证的PLC/DCS程序，模拟现场中的一些输入以及故障情况，观察设备的输出情况，经过对比发现，跟实际工业现场中的设备的运行情况相同，达到了预想的效果。
基于本发明建立的虚拟对象模型，在对PLC/DCS程序进行测试时，根据建立的设备逻辑模型搭建虚拟工业现场，然后将待测PLC/DCS程序与设备逻辑模型连接完成对工业现场调试的模拟。在设备逻辑模型建立完成后，将经过验证的设备逻辑模型存储到设备逻辑模型库中。
步骤5：在工业现场进行PLC/DCS程序调试时，将相应设备逻辑模型从设备逻辑模型库中调出来，利用各设备逻辑模型搭建虚拟工业现场，将待测PLC/DCS程序与设备逻辑模型连接，完成对PLC/DCS程序的调试。
在针对不同的工程项目具体应用时，当需要建立具体设备逻辑模型时，只需要将与该台设备相对应的设备逻辑模型从对象模型库中调用出来进行实例化就可以了。
Claims (3)
1.一种建立PLC/DCS平台设备逻辑模型的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：获取设备的输入逻辑信号、输出逻辑信号和电气二次控制原理图；
步骤2：按照设备的输入逻辑信号、输出逻辑信号和电气二次控制原理图进行设备的分类，建立设备类库；
步骤3：采用离散事件形式化方法，结合每类设备的各工作逻辑条件建立每类设备的若干逻辑模型，得到每类设备的逻辑模型集合；
所述的逻辑模型集合包括：输入事件集合、连续状态集合、输出状态集合、内部状态转换方程、外部状态转换方程、输出方程、预设时间方程；
输入事件集合：包括设备的输入条件；
连续状态集合：包括输入状态、中间转换状态、输出状态；
输出事件集合：包括设备的启动、停止、故障三种输出结果；
内部状态转换方程：表示设备的中间转换状态中上一个状态与下一个状态的转换关系的方程；
外部状态转换方程：表示设备的中间转换状态、设备的输入条件及设备的输入状态的关系的方程；
输出方程：表示设备的中间转换状态和设备的输出结果的关系的方程；
预设时间方程：在逻辑模型中从输入条件输入至输出结果输出的时间关系方程；
步骤4：根据得到的每类设备的逻辑模型集合，在现场PLC/DCS平台上，利用PLC/DCS程序控制设备的逻辑模型，在相同输入条件下，若设备的逻辑模型的输出结果与实际设备的输出结果不同，则该逻辑模型不正确，返回步骤3重新建立逻辑模型，否则，将该逻辑模型添加入设备逻辑模型库中；
步骤5：在工业现场进行PLC/DCS程序调试时，将相应设备逻辑模型从设备逻辑模型库中调出来，利用各设备逻辑模型搭建虚拟工业现场，将待测PLC/DCS程序与设备逻辑模型连接，完成对PLC/DCS程序的调试。
2.根据权利要求1所述的一种建立PLC/DCS平台设备逻辑模型的方法，其特征在于，所述步骤2的设备的分类原则是：将具有相同输入逻辑信号、输出逻辑信号和电气二次控制原理图的设备视为同类设备，将具有不同输入逻辑信号、输出逻辑信号或者不同电气二次控制原理图的设备视为非同类设备。
3.根据权利要求1所述的一种建立PLC/DCS平台设备逻辑模型的方法，其特征在于，所述步骤3的离散事件形式化方法是根据每类设备的状态转换方程、每类设备的输入条件以及每类设备的输出方程建立逻辑模型，得到每类设备的逻辑模型集合。
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| 陈彬: "面向DEVS的多范式建模与仿真关键技术研究与实现", 《中国博士学位论文全文数据库信息科技辑》 * |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104317259B (zh) | 2017-12-01 |
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