CN105793786A

CN105793786A - 用于控制工厂网格的方法

Info

Publication number: CN105793786A
Application number: CN201480066666.5A
Authority: CN
Inventors: 卡斯滕·约尔丹; 马蒂亚斯·容; 克劳斯-于尔根·朗格尔; 丹尼斯·施罗夫; 米夏埃尔·翁克尔巴赫; 埃贡·武赫纳
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2016-07-20
Also published as: EP3080667A1; US10372098B2; EP2884356A1; US20170261958A1; EP3080667B1; WO2015086328A1

Abstract

一种控制工厂网格的方法允许监控和控制整个网格并且应当灵活地包括其他的单元和对现有单元进行改造，每个工厂具有带操作和监控(18)功能的分布式控制系统(2)，方法包括使所述分布式控制系统(2)通过网络互连的步骤。这通过以下步骤实现：为所述网络提供具有至少两个等级(LN)的分层树形结构(1)，将每个分布式控制系统(2)分配给树形结构(1)的节点，在父节点控制系统(2、4)处接收数据请求，确定数据请求是否能够由所述父节点控制系统(2、4)解决。如果数据请求能够由所述父节点解决，则给数据请求发送回复。如果数据请求不能由所述父节点解决，则将数据请求转发给所述父节点的至少一个子节点。

Description

用于控制工厂网格的方法

技术领域

本发明涉及一种用于控制工厂网格的方法，每个工厂具有带操作和监控功能的分布式控制系统，方法包括通过网络使所述分布式控制系统互连的步骤。

背景技术

任何类型的工厂(例如，精炼厂或尤其是发电厂)的分布式控制系统(DCS)的当前状态是每个工厂具有一个带操作和监控(O&M)功能的DCS。O&M功能的整个范围包括单元的配置/设计、生成动态工厂显示、过程数据的存档、生成报告、提供报警和诊断功能等。DCS允许通过在相同地址上的多个人机接口(HMI)客户端来操作和监控整个工厂及其局部生成单元。

这种类型的工厂特有的DCS并没有覆盖需要操作和监控多个(在地理上)分布式工厂/单元的网格的情况。这些单元可是小型的(例如，风力涡轮机)或更大的，并且具有不同的类型。在以下背景中，术语“单元”或“工厂”与发电实体相关。控制这种分布式单元的解决方案的一种方法称为SCADA(管理控制和数据采集)：在SCADA方法中，所有(地理上分布的)单元通过网络连接至中央控制室，并且在控制室内集中管理和控制这些单元。每个工厂地址或者甚至工厂地址的每个单元都包含其工厂/单元的自动化和信息系统的设计和过程价值。该过程图像(即，收集动态过程价值)可用于本地下级SCADA系统以及远程上级系统上。上级SCADA系统包含其自己的设计和过程价值及其下级SCADA系统的所有过程图像。虽然位于上级SCADA系统上的下级系统的过程图像与下级SCADA系统的过程图像相同，除了连接至下级系统以外，但是必须再次为上级单元(包括工厂显示、报警列表等)设计。

由于当前SCADA系统与单个过程图像一起作业，所以造成一个大过程图像托管来自其自身的所有过程图像和所有下级系统的所有数据。由此得出，在上级单元上的SCADA系统不与下级单元的数量成比例，造成超过存储器或CPU负荷等资源限制。而且，必须在上级系统上重新拉紧必须对下级系统的设计做出的变化。这包括对过程图像和工厂显示做出的所有变化。

发明内容

因此，本发明基于提供用于控制工厂网格的方法的问题，该方法允许监控和控制整个网格并且该方法可灵活地包括其他单元和改造现存单元。

该问题由一种方法创造性地解决，该方法包括以下步骤：为所述网络提供具有至少两个等级的分层树形结构，将每个分布式控制系统分配给所述树形结构的节点，在父节点控制系统上接收数据请求，确定所述数据请求是否能够由所述父节点控制系统解决，如果所述数据请求能够由所述父节点解决，则给所述数据请求发送回复，如果所述数据请求不能由所述父节点解决，则将所述数据请求转发给所述父节点的至少一个子节点。

本发明基于以下考虑：想要建立覆盖整组地理上分布式单元的下级和上级单元的拓扑。此外，与在所有要管理和控制的单元上建立中央控制室的SCADA方法相比，该拓扑应在大量分布式单元上按比例调节。

每个本地O&M必须是自立的和可操作的。本地下级单元O&M系统应包括整个O&M功能，或者能够遍布下级及其上级单元。另一方面，上级系统的HMI应支持显示其下级单元的任何O&M信息。上级O&M系统的HMI显示应能够支持这两个选择，以仅仅包括在下一个更低等级上的下级系统或者在所有更低等级上的所有下级系统。相比，下级O&M系统不应当能够显示其上级单元的O&M信息。

此外，信息管理系统(IMS)应可部署在任何单元上，从而必要时访问直接下级单元或所有更低级下级单元的所有O&M系统所提供的信息。这允许为整个工厂和单元拓扑或者甚至整个拓扑的某些部分提供IMS功能，例如，资产管理、车队控制以及关键绩效指标(KPI)计算。

此外，该系统应对故障具有稳健性。例如，下级单元的O&M系统发生故障，上级O&M系统依然需要甚至为局部受影响的下级单元提供O&M系统数据。在上级单元发生O&M故障的情况下，下级O&M系统应依然作业并且由本地HMI客户端使用。

使用单元的串级系统的拓扑，满足所有这些需求。单元的这种串级系统在上级具有作为叶节点的实际单元以及作为树节点的其他实际(以及可能更大的)单元。

关于数据请求，该方法进一步包括以下步骤：在父节点控制系统上接收数据请求，确定数据请求是否能够由所述父节点控制系统解决，如果数据请求能够由所述父节点解决，则给数据请求发送回复，如果数据请求不能由所述父节点解决，则将数据请求转发给所述父节点的至少一个子节点。换言之，沿着串级系统的父/子路径，转发在上级控制系统内的HMI接口上的数据请求，直到到达能够实际上处理数据请求的节点。

在优选的实施方式中，该方法进一步包括将虚拟控制系统分配给具有多个子节点的父节点的步骤。这表示在树形结构的上级，节点不需要代表实际的单元，而是代表仅仅包括控制多个子节点系统的硬件和软件功能的虚拟的单元，但是不控制其自身的实际工厂。具体而言，树形结构的根节点能够是虚拟系统，即，能够在单个虚拟根节点上监控整个树形结构。

此外，该方法有利地包括将对数据请求的回复从所述子节点转发给所述父节点的步骤。即，沿着请求链，将关于形成对请求的回复的在下级节点中的过程对象的信息提供回至做出请求的父节点。

能够应用相同的请求转发机制，以便检索过程对象的更新信息。为此，该方法有利地进一步包括将更新的数据信息从子节点通过各自的父节点转发给网络的根控制系统的步骤。通过树的分支将信息传输给根部的更新信息机制，在根节点控制系统上，关于所有节点的过程的所有信息更新并且可用。

在进一步优选的实施方式中，该方法包括为节点的分布式控制系统提供冗余控制系统的步骤，其中，将所述冗余控制系统分配给节点的祖先节点。在该实施方式中，引入在一个或多个等级之上的O&M系统的冗余，以便相对于网络流量以及在单元上需要的资源，建立单元的可扩展串级系统。O&M系统的冗余服务并非部署在相同单元内的装置上，而是部署在上级单元的装置上，即，与相应的上级O&M系统的O&M系统服务并行地部署下级系统的服务，即，将在上级单元上的该分布式冗余机制应用于下一个等级或者更大等级的下级单元的O&M服务中。

然而，每个上级单元必须能够托管所有下级单元的冗余O&M系统。单元托管的冗余服务越多，则必须提供的装置/硬件资源就越多。因此，在特别优选的实施方式中，将所述冗余控制系统分配给所述节点的父节点。在一个下级上的冗余机制仅仅相对于硬件资源提供最佳权衡。

在另一个有利的实施方式中，该方法进一步包括为节点的分布式控制系统提供操作和监控服务的步骤，其中，将所述操作和监控服务分配给节点的祖先节点。下级单元等级的O&M服务和功能能够部署在单元本身上或者其一个上级单元上。该第二种选择应用于不能托管整个范围的O&M功能的资源受限的单元中。

再次，上级单元托管的服务越多，则必须提供的装置/硬件资源就越多。由于与以上冗余服务相同的原因，所以有利地将所述操作和监控服务分配给节点的父节点。

工厂网格优选地由所描述的方法控制。

一种分布式控制系统优选地包括父节点接口和/或子节点接口以及用于使分布式控制系统能够在所描述的方法内作业的装置。因此，分布式控制系统提供所有必要的功能，以提供请求并且更新转发机制、冗余机制以及服务机制，如上面在工厂的树形结构网格内所描述的。

工厂有利地包括这种分布式控制系统。

一种虚拟控制系统(即，用于为工厂提供O&M服务的具有硬件和软件能力但是仅仅用作多个下级单元的上级单元的控制系统)有利地包括子节点接口以及用于使虚拟控制系统能够在所描述的方法内作业的装置。

一种工厂网格有利地包括这种工厂和/或这种虚拟控制系统。

通过本发明实现的优点尤其包括提供容错系统并且减少O&M系统的高/硬件冗余的需要。具有分布式冗余的串级系统避免了由仅仅作为中央系统的一个SCADA系统收集所有数据。反而，叶单元、多个上级单元以及一个位于顶级的单元的串级系统的拓扑能够避免这种中央系统的单服务的大资源消耗，该拓扑具有从一个叶单元到几个中间等级单元的多个可替换的路径。

在该过程对象所属的串级系统的某个等级的单元上，仅仅设计一次在串级系统的整个层次内的每个过程对象。过程对象也与冗余O&M服务的其对应物同步。因此，仅仅在一个单元内进行额外变化的设计(即，德尔塔设计)，并且该设计在整个串级系统中始终一致。

由于在这些下级系统的服务内处理下级系统的静态和动态数据，所以上级系统始终按比例调节，使得上级系统的服务未达到其技术限制：远程安装冗余服务(规模调节，因为由于至少与一个大服务相比，不同的服务能够部署在不同的计算机上)。

通过组合冗余机制和请求转发机制，一级分布式冗余允许减少在单元的串级系统的所有单元的O&M与自动化系统之间的网络流量：上级单元上的请求尽可能由下级单元的冗余O&M服务本地处理，否则仅沿着下级单元的链路向下转发。

在上级系统上的一个(或多个)大硬件装置上的不同下级单元的冗余O&M服务的组合式部署获得优点，例如，与在多个下级单元上的多个冗余装置相比，具有更少的硬件装置，并且能够用于虚拟部署，例如，在云内。

附图说明

在以下附图中解释本发明的实施方式，其中：

图1示出了设置在分层树形结构内的电厂网格；

图2示出了具有请求和更新路径的树形结构的一部分；

图3示出了在一个等级以及所产生的请求和更新路径之上具有冗余的树形结构的一部分；

图4示出了在上级单元上部署存档服务的树形结构的一部分；以及

图5示出了在上级单元上具有冗余和存档的组合的树形结构的一部分。

具体实施方式

相似的参考数字在所有图中表示相似的部件。

图1示出了代表电厂网格的树形结构1。要理解，虽然在下面描述的实施方式表示电厂网格，但在本文中描述的发明适合于任何类型的工厂网格，例如，精炼厂、任何发电实体或者其他工厂。在此处，术语网格表示网络，并且不应被视为表示特定的物理布局或宽度。网格还能够用于表示整个大陆的电网、区域输电网，或者能够用于描述子网，诸如当地共用电的输电网或配电网。网格由不同类型的地理上分布式电厂或单元构成，例如，燃气轮机厂、汽轮机厂、风力涡轮机等。

关于命名，树形元件称为节点。连接元件的线路称为分支。没有子节点的节点称为页节点。由于本发明涉及实际的系统，所以树形结构有限，从而具有这样的成员，该成员不具有任何上级。该成员称为根或根节点。节点之间的关系是根据家庭关系建模的：节点的父母是在层次中更高一阶(即，更接近根节点)并且位于相同分支上的节点，节点的孩子是在层次中更低一阶并且位于相同分支上的节点。兄弟节点共享相同的父节点。节点的叔叔是该节点的父母的兄弟。连接至所有更低等级节点的节点称为祖先。连接的更低等级的节点是祖先节点的后代。

在图1的右部分中显示树形结构1的等级LN。在图1的树形结构1具有四个等级L1、L2、L3、L4。树形结构1的节点表示分布式控制系统2或虚拟控制系统4。每个分布式控制系统2是实际电厂的一部分。虚拟控制系统4仅仅用作多个实际或虚拟单元的上级单元。所有叶节点具有实际的单元，即，是虚拟控制系统4，并且虚拟或其他实际的(以及可能更大的)发电单元是在上级的树节点。图1的树形结构1在底部等级L4上仅仅具有分布式控制系统2并且在顶部等级L1上以一个虚拟单元结束。

每个分布式控制系统2将定制设计的处理器用作控制器，并且将专用互连和通信协议用于通信。输入和输出模块形成分布式控制系统的部件。处理器从输入模块中接收信息并且将信息发送给输出模块。输入模块从在过程(或领域)中的输入装置接收信息，并且将指令传输给在现场的输出装置。计算机总线或电气总线通过多路复用器或多路分用器连接处理器和模块。总线还使分布式控制器和中央控制器连接，并且最终使分布式控制器连接至人机接口或控制台。

形成树形结构1并且将网格的电厂分配给树形结构1的节点是控制在下面描述的网格的特别灵活方法的第一步骤。

图2示出了这种串级系统的三个等级LN、LN+1、LN+2，即，树形结构1。底部等级LN+2由分配给单元6和单元8的实际的叶节点构成。第一上部等级LN+1由作为单元6和单元8的父母的单元10构成。顶部等级LN由作为单元10的父母的单元12构成。每个单元6、8、10、12包括发电实体并且由其自身的分布式控制系统2控制，该系统包括自动化系统14(AS)、人机接口16(HMI)以及操作和监控18(O&M)功能。通过提供对自身单元的O&M数据的访问，在每个单元内的AS14、HMI16以及O&M18是操作的并且自立的。

此外，在单元10上的HMI16访问由在单元6上的O&M16以及在单元8上的O&M18提供的信息。在单元6、8、10、12上的每个O&M18系统具有过程对象的其自身结构。但是通过访问在单元6和单元8上托管的各自的O&M18，单元10的HMI16能够显示来自单元6和单元8的关于过程对象的信息。而且，单元12的HMI16能够显示来自单元10和单元6或单元8的过程对象的信息。这通过沿着串级树形结构1的父/子路径转发请求来实现。

例如，图2描述了交互，如果使用单元12的HMI16的操作人员希望打开单元8的工厂显示。过程对象信息请求由在单元12上的O&M18处理(箭头20)，通过询问在单元10上的O&M18该信息，从在单元12上的O&M18通过在单元10上的O&M18向下转发给单元8(箭头22)。进而，在单元10上的O&M18将请求向下转发给其子单元8及其O&M18系统(箭头24)。

在单元8的关于过程对象的初始信息沿着请求链(箭头28、30)提供回沿着从串级系统的最低单元8到单元12的O&M18系统的单元12，触发在上级LN的请求。然后，在单元12上的HMI16上显示由在单元12上的O&M18接收的信息(箭头32)。

此外，在单元12上的HMI12中可示出来自单元6、单元8和单元12的带有混合的过程数值的工厂视图。在这种情况下，仅仅转发数据请求，其中工厂视图本身位于单元12的O&M18内。

应用相同的请求转发机制，以便从单元8中检索过程对象的更新信息，并且由箭头26、28、30、32表示该机制。作为额外步骤，在单元8上的O&M18必须从其自动化系统14中直接检索更新信息(箭头26)。此外，AS14和O&M18系统的相同链路能够用于定期将更新信息从单元8的自动化系统14传播给单元12的HMI16。

通常，请求转发和信息更新通过以下方式运行：在上级单元12内的服务从例如在上级单元12上的HMI16的客户端接收过程信息的请求。如果能够在自身单元12内解决请求，则立即发送回复。如果能够仅仅在下级单元6、8、10内解决请求，则将请求转发给在下一个更低等级的下级单元10内的对应服务，在此处解决，并且给上级服务发送回复，该上级服务将其发送回至其自身的客户端。如果需要由不止一个单元6、8、10解决请求，则上级服务将请求分成相关下级单元6、8、10的请求，转发这些请求，并且接收回复。将这些回复共同组合成给客户端的一个回复，或者将所有回复单独发送回客户端(这取决于服务的类型，例如，警报、存档、报告、趋势、工厂视图)。

该方法的第二部分包括在一个等级上引入O&M18系统的冗余，以便相对于网络流量以及在单元6、8、10、12上需要的资源建立单元6、8、10、12的可扩展串级系统。图3示出了分布式冗余机制。图3示出了与图2相同的结构，然而，仅仅显示了单元12的HMI16。除了图2，图3的系统也显示了冗余O&M系统34。

各个O&M18的这些冗余O&M34没有部署在相同的单元6、8、10内的装置上，而是部署在上级单元10、12的装置上。例如，单元10的O&M18作为在单元12上的O&M34冗余地部署。因此，下级系统的服务与上级系统的O&M18服务(例如，在单元12上，单元10的O&M34和单元12的O&M18)并行地部署。每个上级单元10、12必须能够托管所有下级单元6、8、10的冗余O&M系统34。图3示出了单元10包含与其自身的O&M18并行的其下级单元6和8的冗余O&M服务34.。

冗余机制与请求转发机制组合。图3示出了如何实现：单元12将单元8的工厂视图的HMI16请求(箭头20)转发给其下级单元10及其O&M系统18。由于单元8的O&M18的冗余O&M34由单元10托管，所以不再将请求向下转发给单元8的O&M18(箭头34、42)。反而，在单元10上的冗余O&M34能够用作关于单元8的过程信息的源自单元12的请求(箭头36、44)。这同样适用于在单元12上的关于单元6的任何请求。因此，在仅仅使用请求转发的情况下，网络流量大幅减少。

在过程信息更新的情况下，这甚至更适用：将过程信息更新仅从在单元8上的AS系统14发送给自身的O&M系统18(箭头38)及其在单元10上的冗余对应的O&M34(箭头40)。在仅使用请求转发的情况下，将所有上部等级HMI请求(不仅来自单元10，而且甚至来自更高等级，例如，潜在的上级单元)在所有等级向下转发给在单元8上的O&M18。

在上级单元10、12上的该分布式冗余机制应用于下一个等级或更多等级的下级单元6、8、10的O&M服务18。此外，单元12还能够托管单元6和单元8的所有冗余O&M服务34。

因此，该方法的第三部分是对由一级分布式冗余机制默认的故障(网络连接或O&M服务的故障)稳健的机制：上级单元10、12的客户端以及O&M服务18优选地由(局部)部署在上级单元10、12上的O&M服务18服务。如果在上级单元10、12上的服务不可用，则使用在下级单元6、8、10上的服务。如果例如单元10不可用，则单元12的O&M18能够沿着可替换的路径将请求转发给在单元8上的O&M18。这同样适用于过程信息更新。由在下级单元6、8、10中的本地O&M服务18优选为本地客户端服务。如果本地服务不可用，则使用在上级单元10、12上的冗余服务。

该方法的第四部分是解决方案的其他三个已经描述的整体部分的结果。O&M服务18和下级单元等级LN+1、LN+2的功能能够部署在单元6、8、10本身上或者其上级单元10、12上。

第二种选择适用于不能托管整个范围的O&M功能的资源受限单元6、8、10。图4和图5描述了在示例性实施方式中用于O&M系统的存档服务的两个选择。当然，相同的设置能够用于O&M系统的其他服务。

图4示出了具有它们各自的AS14和O&M18的单元6、8、10。每个单元6、8、10具有分配的存档46，然而，所有存档46仅部署在单元10上。因此，对于等级LN+2的单元6、8，存档46仅部署在上级单元10上。从每个单元的O&M18到分配的存档46的数据连接由箭头48、50、52显示。

可替换地，仅冗余存档54能够部署在各自的父单元10、12上，如图5所示。在此处，存档46在本地与一级分布式冗余相结合地部署在每个单元6、8、10、12上。因此，图5示出了图3的修改，因此，在下面仅描述了额外的部分。

在图5中，每个单元6、8、10、12包括部署在各自的单元6、8、10、12本身上的存档46。每个单元6、8、10、12的O&M18与其分配的存档46直接交互，如箭头56所示。此外，冗余存档56部署在各自的父单元10、12上，即，单元10托管单元6和8的冗余存档56，而单元12托管单元10的冗余存档56。该部署与上面已经描述的冗余O&M34的部署并行。因此，每个单元6、8、10的冗余O&M34与其在各自的父单元10、12上分配的冗余存档54直接交互，如箭头58所示。

自动化系统14与在其各自的单元6、8、10、12上的O&M18交互，如箭头60所示，并且与在各自的父单元10、12上的O&M34交互，如箭头62所示。

参考数字

1树形结构

2分布式控制系统

4虚拟控制系统

6、8、10、12单元

14自动化系统

16人机接口

18操作和监控

20、22、24、26、28、30、32箭头

34冗余操作和监控

34、36、38、40、42、44箭头

46存档

48、50、52箭头

54冗余存档

56箭头

LN等级

Claims

1.一种用于控制工厂网格的方法，每个工厂具有带操作和监控(18)功能的分布式控制系统(2)，所述方法包括以下步骤：

使所述分布式控制系统(2)通过网络互连，

为所述网络提供具有至少两个等级(LN)的分层树形结构(1)，

将每个所述分布式控制系统(2)分配给所述树形结构(1)的节点，

在父节点控制系统(2、4)处接收数据请求，

确定所述数据请求是否能够由所述父节点控制系统(2、4)解决，

如果所述数据请求能够由父节点解决，则给所述数据请求发送回复，

如果所述数据请求不能由所述父节点解决，则将所述数据请求转发给所述父节点的至少一个子节点。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将虚拟控制系统(4)分配给具有多个子节点的父节点的步骤。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括将对所述数据请求的回复从所述子节点转发给所述父节点的步骤。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括将更新的数据信息从子节点通过该子节点的各自父节点转发给所述网络的根控制系统(2、4)的步骤。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括为节点的所述分布式控制系统(2)提供冗余控制系统(2、4)的步骤，其中，将所述冗余控制系统(2、4)分配给该节点的祖先节点。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，将所述冗余控制系统(2、4)分配给节点的父节点。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括为节点的分布式控制系统(2、4)提供操作和监控(18)服务的步骤，其中，将所述操作和监控(18)服务分配给该节点的祖先节点。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，将所述操作和监控(18)服务分配给节点的父节点。

9.一种工厂网格，由根据前述权利要求中任一项所述的方法控制。

10.一种分布式控制系统(2)，包括父节点接口和/或子节点接口，具有用于使所述分布式控制系统(2)能够在根据权利要求1到8中任一项所述的方法内作业的装置。

11.一种工厂，具有根据权利要求10所述的分布式控制系统(2)。

12.一种虚拟控制系统(4)，包括子节点接口，具有用于使所述虚拟控制系统(4)能够在根据权利要求2到8中任一项所述的方法内作业的装置。

13.一种工厂网格，具有根据权利要求11所述的工厂和/或根据权利要求12所述的虚拟控制系统(4)。