CN106559501A - 一种扁平式工控方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种扁平式工控方法与系统，对传统的层级构架进行减负，主要仅由通讯层和云服务层两层组成，该架构将数据采集和逻辑控制处理分开，现场不再部署复杂逻辑处理单元(如：PLC、DDC等)，所有复杂逻辑处理至于云端，易构建、成本适中、技术瓶颈低、性能高效、维护便捷，让每个企业都有能力建设自己的监测与控制系统，真正实现信息化与智能化在工业领域的普及。用户可对云端资源进行模块化选配，即勾选符合自身需求的功能模块，组建该用户的移动中控系统。模块化+资源服务的移动中控模式，缩短了用户开发、新建、及改造项目的周期，用户选择更加灵活。

Description

一种扁平式工控方法与系统

技术领域

本发明涉及工业控制领域，更具体地说，涉及一种扁平式工控方法，以及扁平式工控系统。

背景技术

当前，工业领域普遍采用层级式(Hierarchy)网络拓扑构架，包括：设备层、信息层、控制优化层、管理决策层，如图1所示。这种结构并不是一蹴而就的，而是由整个工控行业和计算机的长期发展历史积淀所形成的标准化结构。尽管层级式构架实现了集散式信息化监测与控制，将原先繁杂、分散的人工管控方式升级为集中式计算机监控、人工决策的模式，但是庞大的层级系统仍面临着构建维护成本高、技术瓶颈高、性能局限、信息孤岛、扩展性差等问题。

传统的中控中心机房层级式构建，需要场地、软/硬件设备、SCADA/DCS软件系统、专业技术操作人员，这样初期投入与日常维护都需要一笔不小的开支，加之有些企业建设完中控中心后，长期使系统处于空闲状态，并未真正对企业运行起到很好的监管作用，无疑加重了企业的负担。

现有技术成本高体现在：现场控制器(PLC/DDC)构建、中控中心构建、软硬件购买、监控软件配置、冗余系统配备、专业技术团队组建、日常操作与维护等；技术瓶颈包括：不同厂家通讯协议独立、控制器计算能力有限、稳定性、可维护性较差；性能局限主要为：层与层之间通讯效率局限、可靠性局限、扩展局限等。

与此同时，层级构架是由微观底层(设备层)将信号逐层上送至宏观顶层(管理决策层)，顶层再将操作指令逐层下发至底层。信号经底层现场设备采集形成后，往顶层上送的每一层级都要进行数据管理和逻辑判断。当硬件设备越来越多，底层工作频率也会越来越高，这就意味着局部控制和逻辑处理也会越来越庞大，顶层汇聚的数据量级也将呈几何倍数增长。层级式构架的庞大与复杂的特点，对于大型企业尚有余力搭建此类系统，但对于中小微企业则往往心有余而力不足。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种易构建、成本适中、技术瓶颈低、性能高效、维护便捷的扁平式工控方法，以及扁平式工控系统。

本发明的技术方案如下：

一种扁平式工控方法，设置通信层、云服务层，通信层将现场设备采集的数据上传至云服务层，云服务层设置不同功能的模块化组件，云服务层根据请求，通过请求指定的模块化组件进行数据处理，将处理结果返回现场设备。

作为优选，用户定制云服务层中的若干模块化组件，形成针对用户的移动中控系统；通过远端设备与移动中控系统进行交互。

作为优选，当通信层无法与云服务层进行通信时，将现场设备采集的数据暂存于通信层，直至通信层与云服务层实现通信。

作为优选，通信层与云服务层间冗余配置有针对用户的私有云与备用公有云，当私有云故障时，切换至备用公有云进行数据处理。

作为优选，接收云服务层下发现场设备及模块化组件的组态的数据流，并在监控界面上进行展示，各个现场设备或一个现场设备的模块化组件的组态相互独立。

作为优选，在监控界面上进行现场设备组态、点关联，包括监控的现场设备的增加、删除、修改；或者针对现场设备进行功能化组件定制，然后进行监控组态。

作为优选，云服务层中设置APC模块，通过APC控制优化算法，实现设备优化，并将调节参数通过通信层下发至现场设备，对现场设备进行控制。

作为优选，设置与通信层连接的本地处置模块，当通信层无法与云服务层进行通信或云服务层无法正常工作时，通过本地处置模块进行数据处理。

一种扁平式工控系统，包括通信层、云服务层，通信层部署通信模块，云服务层部署云平台，通信层与现场设备连接，将现场设备采集的数据发送至云服务层，云服务层下发的数据通过通信层送达现场设备。

作为优选，云平台上设置不同功能的模块化组件，包括APC模块、在线组态模块、性能分析模块、HMI布置模块、数据存储模块、数据查询模块、远程预警模块。

本发明的有益效果如下：

本发明所述的扁平式工控方法与系统，对传统的层级构架进行减负，主要仅由通讯层和云服务层两层组成，该架构将数据采集和逻辑控制处理分开，现场不再部署复杂逻辑处理单元(如：PLC、DDC等)，所有复杂逻辑处理至于云端，易构建、成本适中、技术瓶颈低、性能高效、维护便捷，让每个企业都有能力建设自己的监测与控制系统，真正实现信息化与智能化在工业领域的普及。

本发明将传统中控中心所要构建的内容全部移至云端，云端资源不再产品化，而是资源化，将原先的基于产品销售+项目实施的中控建设转变为基于云资源+服务的移动中控建设，使得用户在成本降低获利的同时，可以降低供应商之间的恶性竞争环境，达到双赢的效果。

用户可对云端资源进行模块化选配，即勾选符合自身需求的功能模块，组建该用户的移动中控系统，从而将原先繁杂的基础构建工作转变为用户直接选用云端资源，并可直接从任意远端PC、手机/Pad等便于携带的移动端获取云端服务的构架模式。

模块化+资源服务的移动中控模式，缩短了用户开发、新建、及改造项目的周期，用户选择更加灵活，最终的资源服务也更趋向于为企业量身订制，不存在多余空置的功能，则很大程度地减少了企业实施信息化、智能化建设的技术和资金阻力，尤其适合中小微规模的企业。

附图说明

图1是现有技术的层级式(Hierarchy)网络拓扑构架的示意图；

图2是本发明的扁平式网络拓扑构架的示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。

本发明为了解决现有技术存在的建设工期长、成本高等不足，提供一种扁平式工控方法，以及一种扁平式工控系统，如图2所示，主要仅由通讯层和云服务层两层组成，现场设备采集的数据无需通过PLC、DDC等数据采集逻辑控制模块上送至SCADA，同时现场不布置任何SCADA等监控软件和配套硬件设备，不需要搭建现场中控机房等成本投入较高的控制系统设施。而是现场设备采集的数据直接由通信层不经任何处理直接上传至云服务层，并根据用户需求，协同云服务层各功能的模块化组件执行数据的远端管理、控制、挖掘、分析等。

所述的方法中，设置通信层、云服务层，通信层将现场设备采集的数据上传至云服务层，云服务层设置不同功能的模块化组件，云服务层根据请求，通过请求指定的模块化组件进行数据处理，将处理结果返回现场设备。

基于所述的扁平式工控方法，本发明对应提供一种扁平式工控系统，包括通信层、云服务层，通信层部署通信模块，云服务层部署云平台，通信层与现场设备连接，将现场设备采集的数据发送至云服务层，云服务层下发的数据通过通信层送达现场设备。本实施例中，通信模块包括无线收发模块、中继模块、智能IO模块。

本发明中，用户定制云服务层中的若干模块化组件，形成针对用户的移动中控系统；通过远端设备与移动中控系统进行交互。移动中控系统将现有技术的PLC/DDC等逻辑控制模块、SCADA等监控软件、以及各种后台数据挖掘/分析软件全部布置在云服务层，形成云端资源，用户可通过远端计算机或移动端进行资源使用。

若企业OA(办公自动化)系统、ERP(企业资源规划)系统、CRM(客户关系管理)系统等第三方系统想要整合现场设备的数据，第三方系统通过云服务层开放的接口获取现场设备采集的数据，即云平台设置开放的接口，第三方系统通过开放的接口获取现场设备采集的数据。

本实施例中，移动中控系统可完成APC(Advanced Process Control，先进过程控制)云端在线优化控制调节、HMI在线组态、远程预警与故障诊断以及其它EMS和ERP等功能，如：在线员工排班、值班、交接班、调度、维护、访客记录，从而提高工作效率。对应的，云平台上设置不同功能的模块化组件，包括APC模块、在线组态模块、性能分析模块、HMI布置模块、数据存储模块、数据查询模块、远程预警模块。

工业企业中，大部分企业只是做到了信息化改造，并没有将智能化工业建设落到实处。从某种意义上来讲，这是一个只监不控的过程。APC优化控制为结合高端辨识、APC控制优化算法，实现系统控制优化。采用APC技术代替人工为用户控制系统进行跟踪优化，并将调节参数通过云端及时反馈到企业现场，这使得企业的设备和控制系统可以工作在性能最优、能耗最低的状态，这样的智能化操作流程不仅减少繁琐的人工操作和调整，还降低了对技术人员理论背景的要求。

本发明中，云服务层中设置APC模块，通过APC控制优化算法，实现设备优化，并将调节参数通过通信层下发至现场设备，对现场设备进行控制。

本发明的移动中控系统不仅能够实现数据采集、实时监控的功能，还能通过数据分析，诊断出监测对象碳排放和能耗是否合理，减排的空间有多少，设备的使用寿命长短等，并提供具体节能减排的解决方案，提高企业的生产质量和生产效率。

本发明中，云服务层中设置性能分析模块，根据现场设备的输入/输出信号数据进行时域/频域分析，产生对应的频率响应曲线、累计能量谱，反映现场设备的性能。具体地，用户通过自由选择所采集的具体某一设备的输入/输出信号数据，对目标系统进行时域/频域分析，产生对应的频率响应曲线、累计能量谱等能够反映系统性能的信息。特别是根据频域分析结果，用户可以一目了然的发现系统是否存在降耗/减排空间、设备的能耗指标KPI值变化趋势、设备使用寿命长短等。性能分析模块可让用户对自己的系统做到心中有数，及时调整替换过劳设备，优化生产流程，提高生产效率和产品质量。

通过HMI人机界面，对现场设备采集的数据进行远程管理和挖掘分析，及时调整生产过程中的控制策略，对故障信息进行预警。当对故障信息的预警达到预设的等级，向预留的联系方式发送报警信息。同时，通信层采取应急保护措施，当安全预警被激活，设备端将立刻执行安全指令，保证工业现场在次优状态下正常持续运行。

本实施例中，整合了智能安全管控系统和智能风险预警系统，用户可以通过HMI人机界面，对现场采集的数据远程管理和挖掘分析，及时调整生产过程中的控制策略，并提早预警工业生产过程中关键的故障信息，确保各工业企业的生产安全，高效运行。同时，平台为用户提供短信提醒功能，用户将操作人员联系方式预留在平台中，当发生故障报警达到设定要求后，用户即可收到报警短信，以保证最及时的故障检修。

本发明中，通信层与云服务层之间可通过无线或有线介质进行信号的收取、发送，并设置有安全处置机制，提高数据上云安全，通过软硬件两个方向实现。

数据若经无线通讯，则通过动态特定的频段进行射频传输，一来独立的频段可以抵抗其它频段信号的干扰，二来动态特定的频段可以防止对信号进行解析，增加信号的保密性。

数据若经有线通讯，则通过工业级总线通讯，包括485以及其它现场总线协议的通讯。相较于以太网Ethernet/英特网Internet，工业级总线通讯可有效地预防外来攻击，使信号传输更加安全。

传输的数据进行报文加密，加密后形成一种通讯协议标准进行传输，可与其他通讯协议进行区分，确保数据交互的安全性和保密性。

为了方便监控，需要将分散的实时现场状况集中真实反映至中控的监控画面上，这称之为组态。通常企业都会在购买工控组态/SCADA软件进行配置操作的时候，组建监控画面，完成现场点关联，实现现场与软件间的通讯。一旦进入监控模式，则不可以对监控画面进行增、删、改操作，除非停止监控，重新进行配置才可操作。本发明则可实现在线组态，包括：在线监控组态、在线功能模块组态。即在不中断正常监控的情况下，实现监控组态与功能模块组态；接收云服务层下发现场设备及模块化组件的组态的数据流，并在监控界面上进行展示，各个现场设备或一个现场设备的模块化组件的组态相互独立，进而可以在监控界面上进行现场设备组态、点关联，包括监控的现场设备的增加、删除、修改；或者针对现场设备进行功能化组件定制，然后进行监控组态。

具体的，监控组态是指在不中断正常监控的同时，直接在监控界面上进行现场设备组态、点关联等操作，在线实现监控设备的增、删、改等操作，很大程度提高了工作效率，易被用户接受。

在线功能模块组态是指云服务层中的云端资源采用模块化操作，当通用的模块化组件不能满足用户当前需求时，用户可在云平台正常工作时，随意定制、选择搭配需要功能的模块化组件。同时，云平台提供扩展模块接口，当用户需求定制模块化组件完成封装后，可在线衔接至云平台中，供用户选择使用。

通信层侧重于数据的采集、中继、暂存；不包括控制/优化逻辑处理，但为了保证服务与通信的连续进行，通信层还设置了硬件冗余/通信网络冗余。

为了保证数据在任何情况下的完整上传，本发明中，通信层设置有暂存功能，当通信层无法与云服务层进行通信时，如当网络中断或应急情况发生，将现场设备采集的数据暂存于通信层，直至通信层与云服务层实现通信，暂存的数据将续发至云服务层。并且还设置与通信模块连接的本地处置模块，当通信层无法与云服务层进行通信或云服务层无法正常工作时，通过本地处置模块进行数据处理。

云服务层冗余配置由针对用户的私有云和备用公有云，当私有云平台数据处理/存储出现故障(台风天气、局部断电等)中断传输时，备用公有云可暂时接管数据，切换至备用公有云进行数据处理，保证数据的连续性。

上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种扁平式工控方法，其特征在于，设置通信层、云服务层，通信层将现场设备采集的数据上传至云服务层，云服务层设置不同功能的模块化组件，云服务层根据请求，通过请求指定的模块化组件进行数据处理，将处理结果返回现场设备。

2.根据权利要求1所述的扁平式工控方法，其特征在于，用户定制云服务层中的若干模块化组件，形成针对用户的移动中控系统；通过远端设备与移动中控系统进行交互。

3.根据权利要求1所述的扁平式工控方法，其特征在于，当通信层无法与云服务层进行通信时，将现场设备采集的数据暂存于通信层，直至通信层与云服务层实现通信。

4.根据权利要求1所述的扁平式工控方法，其特征在于，通信层与云服务层间冗余配置有针对用户的私有云与备用公有云，当私有云故障时，切换至备用公有云进行数据处理。

5.根据权利要求1所述的扁平式工控方法，其特征在于，接收云服务层下发现场设备及模块化组件的组态的数据流，并在监控界面上进行展示，各个现场设备或一个现场设备的模块化组件的组态相互独立。

6.根据权利要求5所述的扁平式工控方法，其特征在于，在监控界面上进行现场设备组态、点关联，包括监控的现场设备的增加、删除、修改；或者针对现场设备进行功能化组件定制，然后进行监控组态。

7.根据权利要求1所述的扁平式工控方法，其特征在于，云服务层中设置APC模块，通过APC控制优化算法，实现设备优化，并将调节参数通过通信层下发至现场设备，对现场设备进行控制。

8.根据权利要求1所述的扁平式工控方法，其特征在于，设置与通信层连接的本地处置模块，当通信层无法与云服务层进行通信或云服务层无法正常工作时，通过本地处置模块进行数据处理。

9.一种扁平式工控系统，其特征在于，包括通信层、云服务层，通信层部署通信模块，云服务层部署云平台，通信层与现场设备连接，将现场设备采集的数据发送至云服务层，云服务层下发的数据通过通信层送达现场设备。

10.根据权利要求9所述的扁平式工控系统，其特征在于，云平台上设置不同功能的模块化组件，包括APC模块、在线组态模块、性能分析模块、HMI布置模块、数据存储模块、数据查询模块、远程预警模块。