CN107037795A - 一种工业过程控制工艺引导系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种工业过程控制工艺引导系统，包括工艺引导模块，对被控元件进行动作分解、属性配置，将用户的工艺通过简单的图形化和拖拽操作生成系统能识别的智能引导数据；数据采集与监视控制系统，监控过程控制系统工程的运行状态及参数调整；工艺解析模块，控制器对所述工艺引导模块生成的数据进行解析，实现用户工艺的过程控制；接口驱动模块，根据所述工艺解析模块的解析结果实现对外围接口设备的驱动。本发明不必关心被控元件的具体细节和网络拓扑结构，通过数据驱动思想，用户工艺控制程序完全由智能数据取代，实现控制器用户工艺程序的免编程，使用户的工艺过程控制变得简单、透明、直接、灵活。

Description

一种工业过程控制工艺引导系统

技术领域

本发明涉及工业控制系统领域，特别涉及一种工业过程控制工艺引导系统。

背景技术

目前，过程控制系统分为两类：CCS集中控制系统、DCS分布式控制系统，不论是CCS系统还是DCS系统，人们从行业技术上就将其分为两个领域，PLM、MES、SCADA被划分为IT领域，而PLC控制器硬件、PLC编程被划分为AT领域。SCADA(数据采集与监视控制系统)和控制器之间通过工业实时数据库进行连接。虽然这两部分发展都很快，然而，其独立性亦使过程控制变得繁琐、复杂，需要一对一编程。其次，多为主从结构，比如DCS就是一个典型的以PC为核心的主从结构，这个核心主要解决控制器、智能设备之间的资源信息交换，不但对其软硬件可靠性及通讯的性能要求较高，智能设备的总线形式多样性及其接口的封闭性，使其融入实际控制系统能力差，智能设备间不能直接交换资源信息，即使对外提供了引用方法，也需要复杂的编程处理。

例如，用户要完成一个需求，按下“按钮2”电铃“启动”，并在数据采集与监视控制系统(SCADA)中监视这一过程，见图1。

对于一个目前的PLC系统，其实现过程如下：

1：在“控制器2”中设计一个CANopen总线通讯程序，用于与CANopen模块通讯，读取“按钮2”状态；

2：在“控制器2”中设计一个以太网通讯程序，将“按钮2”的状态传送到“控制器1”中，为启动电铃准备数据；

3：在“控制器1”中设计一个以太网通讯程序，用于接收“控制器2”发来的“按钮2”状态；

4：在“控制器1”中设计一个控制电铃“启动”的程序，用于根据“按钮2”的状态启动电铃；

5：在“控制器1”中设计一个Modbus通讯程序，用于将控制电铃程序的结果传送到“MODBUE模块”从而驱动电铃；

6：在“控制器1”中，需一驱动程序，用于与数据采集与监视控制系统(SCADA)进行连接，将电铃状态传送到数据采集与监视控制系统(SCADA)中；

7：在“控制器2”中，需一驱动程序，用于与数据采集与监视控制系统(SCADA)进行连接，将“按钮2”状态传送到数据采集与监视控制系统(SCADA)中；

8：在数据采集与监视控制系统(SCADA)中，需一驱动程序，通过实时数据库与“控制器1”及“控制器2”进行连接，用于数据的收集及人机接口(HMI)；

这一用户需求是简单的，然而，为了要实现这一简单需求，这可能需要一个资深控制工程师才能完成。

对于本发明，只需要如下一段简单的工艺引导的描述：

如果“控制器2”.“按钮2”＝“按下”则“控制器1”.“电铃”＝“启动”

就完成了这一用户需求。其他的事情与用户的工艺需求无关。

因此，在传统控制系统架构下，不论这些编程软件如何智能化，由于控制领域本身的复杂性，它们的使用对象都是控制工程师、程序设计工程师，离FCS的实现更是相去甚远。FCS是实现智能设备自主运行、管理及所需系统资源的自动获取，在所有智能控制单元实现控制目标后，控制系统就实现了用户的控制任务。例如：智能电动阀的开度控制，需要获取某些检测仪表的数据将阀调节到需要的开度，这些检测数据一般是通过DCS的PC或者CCS的PLC中转后传入的，这是因为电动阀并不能感知用户工艺只能被动接受数据执行。然而，FCS系统却要求电动阀自动获取数据完成自身的控制任务。显然FCS的实现具有很高的复杂性及挑战性。“工业过程控制工艺引导系统”正是实现FCS架构的一套系统，并且得以实现。不但如此，还要求系统的使用要尽可能简单，使用对象被定位在工艺工程师，用户工艺与控制的独立性，看上去是工业化的合理分工，因为每一部分都有其独特复杂的部分。

随着工业4.0的提出，对制造业的“柔性化”控制要求也越来越高，虽然人们经过不懈的努力，即使用成本、复杂性去换取性能，仍然无法完全满足这一需求。比如：西门子的TIA，将PLC的编程与工程组态整合到了一起，并且数据可以穿插引用，减少了编程出错几率，简化了系统操作。然而，它并不能将工程组态、PLC编程、用户仪器仪表、设备、数据通讯完全透明融合为一体。一个最重要的瓶颈是控制器无法直接听懂控制管理软件的语言，造成了不得不差异化的编程去解释这些语言，柔性化自然变得异常困难。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出了一种工业过程控制工艺引导系统，将工程组态、PLC编程、用户仪器仪表、设备、数据通讯，完全透明融合为一体的FCS系统架构，其目的是极大程度的弱化控制系统的复杂性，使其在用户工程中处于次要地位；强化用户工艺的主导性，用户工程由工艺引导控制系统的完成，不但要求控制器能听懂控制管理软件的语言，还要求控制器能根据管理软件的要求自行组织运行的程序及数据。并且根据FCS系统架构的要求，智能单元自动各自获取运行数据，与SCADA等系统无关，独立运行。

为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：

一种工业过程控制工艺引导系统，其特征在于，包括：

工艺引导模块，所述工艺引导模块对被控元件进行动作分解、属性配置，将用户的工艺控制程序通过简单的图形化和拖拽操作生成系统能识别的智能引导数据；

数据采集与监视控制系统，所述数据采集与监视控制系统作为所述工艺引导模块的实施载体，所述工艺引导模块进行工艺引导的设置、拖拽作业在所述数据采集与监视控制系统完成，并用于监控过程控制系统工程的运行状态及参数调整；

工艺解析模块，所述工艺解析模块用于控制器对所述工艺引导模块生成的数据进行解析，调度控制器内核的运行并实现用户工艺的过程控制；

接口驱动模块，所述接口驱动模块根据所述工艺解析模块的解析结果实现对外围接口设备的驱动。

上述技术方案中，所述数据采集与监视控制系统包含人机接口，所述人机接口用于用户工艺系统运行状态的监控及参数的调整。

上述技术方案中，所述工艺引导模块生成的数据包含系统资源的数据、地址、属性，所述工艺解析模块自动完成数据集的解析，实现系统资源的柔性分配及引用。

上述技术方案中，所述工艺解析模块通过对工艺引导模块生成的动态工艺配方的记录能够根据工艺的变化进行动态调度，调度规则通过特定的运算器进行描述，同时动态工艺配方记录的元素引用运行状态的工艺变化数据，为后续工艺的决策提供依据，记录元素数据变化规则由特定的运算器进行描述，该运算器对系统内任意工艺元件进行逻辑运算。

上述技术方案中，所述用户的工艺控制程序通过智能引导功能的数据代替，实现了系统资源的柔性分配及引用，其中这些数据不同于控制程序，被所述工艺引导模块分配到不同的具有高度协调性的多个控制器中。

上述技术方案中，所述工艺解析模块通过以太网接口将主控制器中的智能引导数据复制到冗余控制器中，从而实现了裸机冗余。

上述技术方案中，所述工艺解析模块通过故障动态处理机制自动解析由工艺引导模块生成的具有因果关系的图表，该图表描述了故障的处理过程，用户控制系统运行的不同进程，得到不同的故障处理结果，所述故障动态处理机制的规则通过特定的运算器进行描述。

上述技术方案中，将所述工艺引导模块生成的运动轴的动作帧形成运动控制数据表预先下载到控制器中，对于运动控制数据表中相同数量的数据项，控制器每一时刻依靠控制器的一个硬件中断执行索引号相同的数据项，并且递增，实现了任意轴的等时同步。

上述技术方案中，所述控制器以及所有智能设备自主运行并且自动获取所需系统资源，所有智能控制单元实现控制目标之后，实现了用户的控制任务，最终实现FCS系统架构。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明强化用户工艺的主导性，用户工程由工艺引导控制系统的完成，本发明能够让精通工艺即使不懂编程的工艺工程师，能够轻松建立自己的过程控制系统；可以独立运行，用于一些小型任务；也可以任意数量控制器联合运行，用于大型任务。本发明的数据驱动有效的解决了资源浪费问题，为一种柔性化系统，为最终用户提供了一套解决工业现场过程控制的“工具”，而不是特定工业过程控制的一个方案戓固定的用户程序，使用户能够简约、快速的建立自己的控制系统。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为拓扑结构示意图；

图2(a)和图2(b)为控制器资源配置图；

图3(a)为本发明的电铃示意图，图3(b)和图3(c)分别为本发明的电铃启停设置图；

图4为本发明的恒压PID调节图；

图5为本发明的设备安全管理设置图。

其中，附图标记1-按钮1的输入点，2-压力输入点，3-开关2的输入点，4-电铃驱动点，5-开关1的输入点，6-变频器驱动点，7-按钮2的输入点，9-启动组态界面按钮，10、17-运行方式选择键，11、18-“EN/手自动”键，12、19-运行键，13、20-“启|停”键，14、21-驱动键，15、22-延时键，16-驱动设置窗口，23-使能输入，24-设定值，25-测量值，26-调节值，27-上限位点设置，28-记录设置，29-TRUE触发，30-FALSE触发，31-清除方式选择键，32-增加记录，33-选择值，34-延时设置，35-增加记录，36-输入值位置，37-延时设置。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明围绕工业过程控制中最重要的两部分：数据采集与监视控制系统、硬件控制器进行说明其机理及实施方式。为了实现上述目标，将工艺引导模块与人机接口构成数据采集与监视控制组态系统，工艺解析模块与接口驱动模块的结合构成了控制器。

本发明的一种工业过程控制工艺引导系统，包括：

工艺引导模块，所述工艺引导模块对被控元件进行动作分解、属性配置，将用户的工艺控制程序通过简单的图形化和拖拽操作生成系统能识别的智能引导数据；

数据采集与监视控制系统，所述数据采集与监视控制系统作为所述工艺引导模块的实施载体，所述工艺引导模块进行工艺引导的设置、拖拽作业在所述数据采集与监视控制系统完成，并用于监控过程控制系统工程的运行状态及参数调整；

工艺解析模块，所述工艺解析模块用于控制器对所述工艺引导模块生成的数据进行解析，调度控制器内核的运行并实现用户工艺的过程控制；

接口驱动模块，所述接口驱动模块根据所述工艺解析模块的解析结果实现对外围接口设备的驱动。

其中，工艺引导模块作为工艺思想的表达，通过图形、拖拽、驱动表达式等，表达对设备的工艺需求。它是对系统设备要达到的结果进行描述，而不是对系统设备要达到结果的过程进行描述。例如：控制器的现场总线ModBus设备上接有一开关；CANopen设备上接有一电机，如果要完成按下开关电机就运行。对于传统控制模式，即使是控制工程师也是一个不小的任务；而在本发明的引导系统中，按下这个开关，则电机运行，省略了中间那无比复杂的过程。

数据采集与监视控制系统包含人机接口，人机接口用于用户工艺系统运行状态的监控及参数的调整，本发明的工艺引导系统在完成工艺引导后，与控制器没有太大关系，当然可以用于监视系统运行，完成人机接口的功能，否则可以关机退出运行。

工艺解析模块是工艺思想的实现，是指在控制器中对工艺引导中产生的各类元件、设备之间工艺关系的数据进行解析。数据驱动是本发明的核心思想，这些数据不是普通意义上的数据，而是反映工艺关系的智能数据，控制器知道怎样去理解这些工艺引导中产生的大量智能数据的意图，调度系统内核程序，完成控制任务。

工艺解析模块通过对工艺引导模块生成的动态工艺配方的记录能够根据工艺的变化进行动态调度，调度规则通过特定的运算器进行描述，同时动态工艺配方记录的元素引用运行状态的工艺变化数据，为后续工艺的决策提供依据，记录元素数据变化规则由特定的运算器进行描述，该运算器对系统内任意工艺元件进行逻辑运算。

工艺引导部分是可变的，由工艺工程师主导在数据采集与监视控制系统中完成；工艺解析部分是不变的，是不需要关心的系统内核，在控制器中完成，从这一过程可以看出：控制器内并没有真正意义上的用户控制程序，并不需要编程、编译、调试等工作，实现了控制器的免编程。

为了实现工艺引导，首先必须确定了控制程序的运行环境，如定时中断、外部中断、循环等。其次，实现了用户设备的工艺逻辑，如控制器之间的数据通讯、传感器与控制器之间的数据通讯、用户设备逻辑、设备的驱动、工艺调节、故障处理、信息处理、手自动无扰动切换、仿真等等。

本发明的过程控制，以时间为X轴，各类智能设备、开关、电机等元件对象为Y轴，元件以时间轴为基础，表现出的一系列“动作”组合。可以整合简单动作，让固定的程序去实现它。元件的动作方法是固定的，只需将不适合方法的动作进行分解，让其适应方法不需编写控制器用户程序。

动作的分解在本发明的工艺引导系统自动完成的，本发明提供了DIDO驱动、定时器、计数器、运算器几个模块完成动作的分解。这些模块的使用方法与常规模块的本质区别在于每一个模块都可以完成系统内任意输入元件的逻辑引用及任意输出元件的逻辑驱动。用于完成一个实际输出元件的动作，而不是编程用的中间过程。由于隐藏了繁琐复杂中间过程，让工艺工程师亦能完成自己的控制系统成为可能。本发明以驱动一个电铃及一个压力PID调节情形为例，假设控制系统的网络拓扑结构如图1所示。

控制器1、控制器2与PC机通过工业以太网连接，控制器1数字量输入端口DI1连接按钮1、模拟量输入端口AI1连接压力表，控制器1的MODBUS端口连接MODBUS模块，MODBUS模块下连接了一个电铃和一个开关1，控制器2的数字量输入端口DI1连接开关2，控制器2的CANopen端口连接CANopen模块，CANopen模块下连接了一个变频器和按钮2，其中变频器驱动一台电机。

驱动要求：用开关2和按钮2控制电铃的启动和停止；根据压力表反馈调节电机转速，达到恒定压力的目的。

图3(b)和图3(c)为电铃启停设置图；双击图3(a)中的电铃图形8，弹出电铃的DIDO驱动设置窗口9，按以下方式设置输入输出点。

运行方式(10)：选择自动；

EN/手自动(11)：输入“1”，表示此功能块运行；

运行(12)：开关2，即图2(b)中标记3和按钮2即图2(b)中标记7，两个点的与运算结果作为输入，表示开关2打开同时按钮2按下输入“1”，运行条件成立；

启|停(13)：输入“1”，表示启动；

驱动(14)：拖入图2(a)中所示的MODBUS模块的电铃驱动点(4)，表示该块“运行”为“1”时，将“启|停”中的值“1”输出到此点，启动电铃；

延时(15)：输入0，单位ms，表示条件成立后不延时，立即启动电铃。

电铃停止设置是根据以下操作实现的：

双击图3(a)中电铃图形(8)，弹出电铃DIDO驱动设置窗口(16)，按以下方式设置输入输出点：

运行方式(17)：选择自动；

EN/手自动(18)：输入“1”，表示此功能块运行；

运行(19)：开关2和按钮2两个点的与运算结果作为输入；

启|停(20)：输入“0”，表示停止；

驱动(21)：拖入图2(a)中所示的MODBUS模块的电铃驱动点(4)，表示该块“运行”为“1”时，将“启|停”中的值“0”输出到此点，停止电铃；

延时(22)：输入3000，单位ms，表示条件成立后延时3000ms，停止电铃。

图4为恒压PID调节图；新建PID调节模块，按以下方式设置恒定压力调节的输入输出点及相关参数：

使能输入(23)：拖入图2(a)中的开关1输入点(5)；

设定值(24)：假设恒定压力0.2MPa；

测量值(25)：拖入图2(a)中的压力输入点(2)；

调节值(26)：拖入图2(b)中的变频器驱动点(6)。

将设置结果下传到控制器，控制器就可以按照工艺要求运行。

通过以上操作，完成了电铃的启动、停止及恒压的PID调节。整个过程中，只有常量设置、连接点的拖拽等工艺工程师易于理解的简单明了操作，已经按要求完成了用户的控制任务。

用户可以轻易快速的改变这些设置，来满足来不断变化的工艺需求。这说明本发明的工艺引导系统是一个“浮置”的控制系统，控制器的解析器对具体过程控制任务并不具有针对性，这是控制系统模式的重大突破，由该模式构成的过控制系统具有与生产系统等同的生命周期。

传统的控制器的用户程序可以由控制工程师决定在主循环、定时中断、外部中断的什么地方运行。这对于用户处理紧急任务等是重要的。本发明亦不例外，可以指定符合规范的运行环境。这个指定是简单的，只需在图3(b)中的标记10和图3(c)中的标记17进行简单的选择。本发明在控制器的工艺解析模块中设计有一个功能组织模块，它固定的解释了一个被称为功能组织的变长表，这个表将用户组织的“智能数据”进行分组，在不同的环境调用不同的组织表，完成运行环境的确定。这个表也确定了用户工艺的相对逻辑结构。从工艺引导部分来看，只要作一个简单的选择，表项即会自动建立，但内容是在建立工艺时创建的。上述仅是一个控制器内部“智能数据”运行环境的确定。本发明要做用户任务的全局分配，在系统具有多个控制器完成一个大型控制任务时，本发明的工艺引导系统会根据控制器间通讯数据的强度及控制器CPU的负荷情况，自动分配控制任务。也就是将“智能数据”按规则分配在不同控制器中，因此本发明不需要一个大型控制器去实现用户的大型控制任务，多个控制器之间知道怎样去交互各自关心的数据。

如果将这套系统规则用于智能仪表、智能设备，也就是具备控制器的部分通讯组织能力，这些仪器仪表便具备直接融入FCS系统架构的能力，可以通过以太网与任意智能设备进行数据的“免编程”交互，而不再需要通过ModBus、CANopen等由控制器中转、解析。

对于本发明的工艺引导系统，设备的安全管理已变得无比简约。以图4的恒压PID调节为例，来说明设备安全管理的设置过程。假设调节值达到上限位，则启动电铃，电铃响3秒钟后停止。具体设置如下：

拖入恒压PID调节的上限位点，即图4的(27)，则增加一条记录，如图5的(28)；

设置触发方式，有TRUE触发，即图5的(29)、FALSE触发，即图5的(30)，此例中要求达到上限位触发，所以勾选TRUE触发(29)；

设置清除方式，即图5的(31)，表示上限位为0时，自动清除还是手动清除，此例中选择自动清除，所以勾选自动清除(31)；

设置达到上限位后，启动电铃：拖入电铃驱动点，即图2(a)中的(4)，则增加一条记录，如图5的(32)，在值的位置，即图5的(33)，输入1，表示启动，延时的位置，即在图5的(34)输入0，表示立即启动；

设置电铃启动3秒后停止：拖入电铃驱动点，即图2(a)中的(4)，则增加一条记录，如图5的(35)，在输入值的位置，即图5的(36))输入0，表示停止，延时的位置，即图5的(37)输入3000，表示3秒后停止。

上述仅仅是一个示例，事实上可以通过这样简单的方式配置出任意的故障处理情形，这个处理过程可以是动态的，只需要在图5(36)值中拽入一个运算器的输出，而在运算器中，可以任意检测系统设备的状态，得到你需要的结果。

这个过程由本发明的工艺引导及控制器的工艺解析配合完成的，工艺引导部分根据用户的设置生成一个被称为设备安全的管理表，当然，视驱动点的位置，还可能生成总线通讯管理表及以太网管理表。控制器的工艺解析部分知道怎样去使用这些表，当一个已进行故障组态的设备引发故障时，控制器查阅这些表，进行故障处理。这个故障处理过程与系统的正常工艺处理过程是独立的，但他们的输出是有优先级的，从高到低依次是：HMI->故障输出->正常工艺输出。因此，不会出现逻辑上的混乱。

本发明的用户仿真不但具备常规仿真功能，工艺引导模块还生成一个桌面元件数据表，它与输入映射数据表及输出映射数据表相互配合，完成系统的仿真功能。

工艺解析模块通过故障动态处理机制自动解析由工艺引导模块生成的具有因果关系的图表，该图表描述了故障的处理过程，用户控制系统运行的不同进程，得到不同的故障处理结果，故障动态处理机制的规则通过特定的运算器进行描述。

桌面元件数据表是本发明的工艺引导系统由输入框、开关、文本框等生成的一个数据集，当控制器发现系统处于仿真状态时，它即用桌面元件数据替换输入映射表中数据。不论控制器现场是否接线，都可以混用现场仪表数据及桌面元件数据进行仿真。

当控制器发现系统处于正常运行状态时，桌面元件数据表成为人机接口与控制器的数据沟通桥梁。控制器会正确引用这些数据进行系统控制。

数据采集与监视控制系统生成的智能驱动数据结构包括：

系统控制数据库：由工艺引导系统生成的控制数据集。它包含控制器要达到用户工艺控制需要的全部数据。这些数据按功能分布在各类数据、管理表中。表中的数据项有约定的数据格式，包含：数据、地址、数据属性，如表1所示。这些数据项引导控制器系统程序完成用户控制任务。

表1

系统配置数据表包含一些系统数据，比如控制器的型号、系统内控制器的IP地址、各类数据、管理表的引导地址等等。

桌面元件数据表：工艺引导系统会为每一个桌面元件建立一个表项，用于人机接口控制器的沟通及系统仿真，这些表项的集合构成桌面元件数据表。

功能组织数据表：将需要相同运行环境的功能数据模块集合在一起，形成一个数据表，由工艺引导系统决定这些数据表项在何处运行，比如：主循环、外部中断、定时中断。

模块功能数据表：控制器系统功能模块的多重背景数据块的集合。工艺引导系统为每一次系统功能的调用形成一个数据项，这些数据项具有智能引导能力，它会引导控制器的解析器到指定的地方获取数据，完成用户指定的功能。

输入映射数据表：控制器硬件输入接口DI、AI、现场总线ModBus、CANopen等输入接口的数据映射及属性的说明信息。属性说明信息来源于硬件的一个GSD文件及SCADA模块的硬件定义信息。GSD文件说明这个接口可以做到什么，SCADA说明这个接口具体做什么。比如：控制器的一个输入口，可以作为一个常规输入口，亦可用于中断输入口、高速计数口、频率测量口等，这在GSD文件中说明；当用户需要这个口的具体功能时，在数据采集与监视控制系统中说明。这些信息被写入到输入映射数据表的属性项中，控制器的解析系统自动完成用户指定的功能，将数据写入数据项中，供系统使用。

动态配方数据表：是完成柔性制造的有力手段，不仅仅是对数据进行配方，重要的是它能对用户的工艺进行动态柔性化的配方。其数据表结构如表2下：

表2

不同于传统的配方，工艺动态配方的记录是被整体下载到控制器中形成一个被称为工艺动态配方数据表。表项“当前运行记录索引”表征了哪一个记录需要此刻运行，值是可以根据工艺运行情况进行改变的，这个改变是由控制器的解析器根据“当前运行记录索引”中用户的需求，将对应的记录装载到“运行记录”项中，供需要引用这个记录元素值的对象引用。这一过程完成了配方的记录根据工艺进行调度。

一个用户工艺的柔性化控制仅仅是记录的根据工艺进行调度是不够的。它只能勾画用户工艺变化的结构菱角，工艺细节的变化未能得到反映。在传统配方中，记录元素通常是一个常数，并不能根据工艺的细节进行动态变化，这使柔性化的用户工艺并不能体现在配方表中。

得益于本发明的数据驱动架构，记录元素可以连接用户工艺变化的细节，它不再是一个常数，而是一个可以引用外部数据的结构，由数据、地址、属性组成。

在控制器运行过程中，解析器在调度配方记录的同时，通过记录元素的数据结构，不断读取用户工艺设备的运行状态，形成新的记录元素值。记录元素值改变的规则可以在本发明提供的特定的运算器功能中进行。

本发明的设备安全管理表用于处理系统在运行过程中设备出现故障的情形。由故障引发点表及故障执行点表组成。故障引发点表及故障执行点表又由多个数据项组成。同样这些数据项包含了数据、地址、属性说明。

故障引发点表用于收集设备在运行过程中出现的故障。当设备出现故障时，控制器的解析系统在故障引发点表中“注册”这个引发点的信息，形成一个数据项。控制器根据这些引发点数据项“搜索”故障执行点表，找到故障执行点表数据项，根据故障执行点表数据项的数据及属性定义，完成故障执行点的驱动。

控制器集成了ModBus、CANopen通讯协议。当然，根据需要可以集成任意其他总线通讯协议。由于系统中需要交换的数据是自动、透明完成的，因此需要总线通讯管理表来收集管理这些数据，以完成无区别引用。控制器的解析器不但要完成相应通讯协议，还要根据总线通讯管理表的属性说明项将数据放入指定的位置，供数据采集与监视控制系统组态时说明的位置使用。这一过程使用户不需要任何的编程就可以得到总线上的数据。

以太网管理表：主要用于控制器、HMI、规范的智能设备之间的相互数据交互。其管理机制类同于总线通讯管理表，但它的通讯架构不是一个主从结构，所有的设备具有平等的通讯权限，数据交换是并发的，一个设备可以发起与系统内其他设备同时进行数据交换。因此，具有很高的通讯效率。这一机制满足了FCS系统对通讯的要求，数据自动交换、自动识别。同时，全兼容TCP/IP协议，任何以太网交换机、路由器均可用于本系统。

运行信息管理表：系统运行过程中会产生大量信息，例如：进行了手/自动切换、某设备产生了故障、控制器出现了故障、通讯出现异常等等。这些信息一旦产生，便会注册到运行信息管理表中，如果数据采集与监视控制系统正在运行，这些信息会自动传到数据采集与监视控制系统中，数据采集与监视控制系统对这些信息进行分类、保存及处理。属于控制系统的辅助部分。

运动控制数据表：本发明的系统架构并不仅限于解决工业过程控制任务。数据驱动模型亦为运动控制提供了优秀的解决方案，配合一个外部中断，能够实现任意轴的等时同步。

将工艺引导模块生成的运动轴的动作帧形成运动控制数据表预先下载到控制器中，对于运动控制数据表中相同数量的数据项，控制器每一时刻依靠控制器的一个硬件中断执行索引号相同的数据项，并且递增，实现了任意轴的等时同步。

运动控制的执行过程，实际上是对轴动作的分解过程，分解后的动作帧具有相互关联性，对同步、实时的要求极高。目前有两种做法：一是做成专用的运动控制器，其优点是实时同步性强，其缺点是封闭性较强，扩展性极差。二是做成动作帧的集中分解，总线传输。其优点是灵活性好、扩展性强，其缺点是实时同步性较差。

把分解后的动作帧放入如下结构的一个表中，并且预先下载到控制器中，如下表3所示。

表3

其中，表头是控制器执行一个动作的必要固定信息。每个控制器的这个表必须配合一个外部中断接口来运行，外部中断是“线与”的关系，即：只有所有控制器发出当前步序执行完成后，才会出现有效的外部中断信号，外部中断的作用在于同步步序。即所有控制器的表在相同步序下运行，这个步序由表头的“当前位置”进行记录。

“IN”是步序的执行条件，可以引用系统的任何资源作为执行条件，只有当“IN”＝1时，该步序才开始执行。

“Out”是步序的驱动输出，当该步序执行完后，驱动外部中断接口线，对外表示：“该步已完成”。可以利用这个输出驱动同时驱动其他任意输出接口。

当所有控制器都执行了该步序，控制器会收到一个外部中断信号，中断处理程序将“当前位置”加1。如此反复运行。

在本发明系统架构的支持下，运动控制的驱动变得异常简单明了，可以使任意多轴等时同步，这是依靠任何工业“现场总线”都不可能达到的性能。它不但使一个工业机器人的动作同步，还能使多个工业机器人之间达到同步。

掉电保持管理表：用户总是希望某些数据掉电后能够保持，下次开机后能够继续使用。比如：PID的设定值，我们并不希望开机后重新设置它。

本发明提供一个“掉电保持管理表”来满足这一要求。掉电保持管理表由多个表项组成，每一个需要掉电保持的数据形成一个表项，对于用户来讲，只需简单指定这个数据是否需要掉电保持，后续的工作由控制器进行自动解析处理。

硬件冗余管理表：冗余是用户硬件系统安全运行的重要措施。本发明只有控制器的系统程序，所有控制器的系统程序是一样的，被预先置入。由于用户工艺控制的实现已由本发明的工艺引导系统转换成了智能数据，也就是说，用户工艺控制是由智能数据和本发明的解析系统实现的。智能数据在控制器之间传输是简单的，本发明的解析系统采用以太网口进行传输。要传输的内容在“硬件冗余管理表”中进行说明。

本发明实现了“裸机”冗余，即：用户除了插上一条冗余传输线就实现了冗余。其中，工艺解析模块通过以太网接口将主控制器中的智能引导数据复制到冗余控制器中，从而实现了裸机冗余。

输出映射数据表：控制器硬件输出接口DO、AO、现场总线ModBus、CANopen等输出接口的数据映射及属性的说明信息。属性说明信息来源于硬件的一个GSD文件及数据采集与监视控制系统的硬件定义信息。GSD文件说明这个接口可以做到什么，数据采集与监视控制系统说明这个接口具体做什么。比如控制器的一个输出口，可以作为一个常规输出口，也可用于PWM输出等，这在GSD文件中说明；当用户需要这个口的具体功能时，这在数据采集与监视控制系统中说明。这些信息被写入到输出映射数据表的属性项中，以后，控制器的解析系统自动完成用户指定的功能，将数据写入数据项中，供本发明的解析系统驱动输出。

数据采集与监视控制系统的工具箱的设备图形库中拖出一个电铃图片，这个图片没有任何功能，就是一张普通图片，用户可以选择任意满足需求的图片。当双击这张图片，弹出图3(b)所示DIDO驱动界面。此时，本发明的工艺引导系统建立了一个“功能组织数据表”，并添加了一个表项：DIDO驱动。同时建立了一个“模块功能数据表”，亦添加了一个表项：DIDO驱动的数据。图3(b)的(10)为控制器的运行环境设置，可以有三个选择：自动、定时中断。外部中断。自动是默认选项，中断不允许运行与延时有关的功能。

当我们将图3(b)的标记14拖入系统内任意一个输出点时，这张图片已不是普通意义上满足数据采集与监视控制系统美感的图片，而是一个真实设备的映射。本工艺引导系统为这个输出点在“输出映射数据表”中建立一个输出项，用于该点的输出。示例中，这个点拖入的是控制器1的ModBus的一个输出点，控制器1需与这个ModBus设备进行通讯，于是工艺引导系统在控制器1中建立了一个“总线通讯管理表”，并在表中添加了这个ModBus输出点项，解析系统会自动引用该点数据用ModBus协议去驱动这个点。

其实，此时并不知道工艺引导系统会将这个DIDO驱动放到哪个控制器运行，如果工艺引导系统认为将这个DIDO驱动放到控制器2中运行比较合理，系统会自动建立一个“以太网管理表”，并将该项加入其中。在此，我们假设在控制器1中运行。

在图3(b)的标记12中，拖入了两个DIDO的运行条件，来源于控制器2的一个开关及与控制器2相连的CANopen设备的一个按钮。工艺引导系统首先在控制器2中的“输入映射数据表”建立控制器2连接的开关及通过控制器2连接的CANopen设备按钮输入项，标记这两个输入接口的数据及属性。由于假设了DIDO驱动在控制器1中运行，而控制器之间通讯是通过以太网的，因此，工艺引导系统在控制器2的“以太网管理表”建立这两个元件的输出项；在控制器1的“以太网管理表”建立这两个元件的输入项。

由于DIDO驱动引用了控制器2相连的CANopen设备的一个按钮，工艺引导系统还在控制器2的“总线通讯管理表”中建立一个CANopen协议的一个输入项，用于读取这个按钮的值。

开关、按钮是相与的关系，这个关系是工艺引导系统在后台通过一个特定的运算器的数据模块自动实现的。特定的运算器就是一个“虚拟机”，控制器可以运行这个虚拟机；在工艺引导系统看来，运算器就是可以识别的逻辑数据。工艺引导系统在“模块功能数据表”中，建立这个数据项。

由于条件成立后立即启动电铃，因此，在DIDO驱动的“启|停”位写入1；在DIDO驱动的“延时”值写入0，这些数据被填入到DIOD驱动的内部属性中。

通过以上的描述，已经知道了元件数据怎样在控制器之间、各类现场总线模块之间流动，解析系统能够正确理解这些数据，从而完成一个用户工艺的一个动作，当然，这个动作不限于示例，可以是任意的。

电铃的停止与上述类同，只是“延时”值写入3000ms，条件满足时3秒后停止，不再赘述。

PID调节是系统提供的一个工艺模块之一，当从SCADA模块的工具箱的工艺模块中拖出如图4所示的这个PID图片时，与拖出设备图片是不一样的，这个图片已经与这个PID工艺数据集进行了自动连接，工艺引导系统在“模块功能数据表”中建立该数据项。但是并不知道对什么样的工艺设备进行调节，当在图4的(26)中拖入一个调节点时，工艺引导系统就知道了要对谁进行调节，拖入的是与控制器2连接的CANopen的一个输出点，于是工艺引导系统在控制器2的“总线通讯管理表”中建立一个CANopen协议的一个输出项，如果这个PID在控制器1中运行，系统还会自动在两个控制器“以太网管理表”中建立对应输入输出表项。在PID调节中还需要一个检测值，在图4的(25)拖入了与控制器1模拟量模块相连的压力表，工艺引导系统会在输入映射数据表及模块功能数据表中分别建立对应数据表项。这样，虽然一些工艺参数还需要在运行中调整，但这个PID调节已能正常运行。

从上述可以看出，使用一个系统工艺模块是非常简单的，工艺模块运行时，SCADA模块可以直接观察模块内部参数的运行情况，如果被授权，是可以改变这些参数的。

当双击工艺引导系统的“设备安全管理”时，系统建立了一个设备安全管理表，其设置界面如图5所示。由于这个示例是以PID调节值达到上限位时，触发一个设备安全处理事务，因此，这个表的“引发”项被拖入了PID的上限输出点：恒压PID调节.上限位。说明了PID调节达到上限输出值时，需要进行安全处理。工艺引导系统会根据PID运行的控制器不同，确定是否建立以太网管理表。

本发明的示例中，要求PID达到上限值时立即启动一个电铃，响铃3秒后停止。电铃的启动和停止是两个动作，因此，在“执行点”项拖入两项电铃的输出点，工艺引导系统发现这个电铃位于控制器1的ModBus模块的一个输出点上，同样会在总线通讯管理表项上建立该点，实际上，以前对该点的引用，已经建立了这些表项。

在第一个“执行点”的值填入1，表示：启动，延时填入0，表示：立即执行；在第二个“执行点”的值填入0，表示：停止，延时填入3000毫秒，表示：3秒后执行。勾选了自动清除时，表示故障消失后，控制器自动恢复执行点运行状态。

从以上描述可以看出，系统通过数据驱动来实现，这些数据不是普通意义上的数据，而是具有引导能力的智能数据，它调度着控制器系统内核的运行、完成总线设备的透明引用、高速、并发的数据交换，控制器以及所有智能设备自主运行并且自动获取所需系统资源，所有智能控制单元实现控制目标之后，实现了用户的控制任务，最终实现FCS系统架构。

本发明通过用数据的灵活性去“对抗”用户工艺的多样性，而不是用一对一的编程方法去适应用户工艺的多样性，是颠覆现有工业过程控制模型的发明，使用户的过程控制系统变得简单、通用、直接、透明、灵活，真正实现了AT控制技术与IT信息技术的高度融合。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种工业过程控制工艺引导系统，其特征在于，包括：

工艺引导模块，所述工艺引导模块对被控元件进行动作分解、属性配置，将用户的工艺控制程序通过简单的图形化和拖拽操作生成系统能识别的智能引导数据；

数据采集与监视控制系统，所述数据采集与监视控制系统作为所述工艺引导模块的实施载体，所述工艺引导模块进行工艺引导的设置、拖拽作业在所述数据采集与监视控制系统完成，并用于监控过程控制系统工程的运行状态及参数调整；

工艺解析模块，所述工艺解析模块用于控制器对所述工艺引导模块生成的数据进行解析，调度控制器内核的运行并实现用户工艺的过程控制；

接口驱动模块，所述接口驱动模块根据所述工艺解析模块的解析结果实现对外围接口设备的驱动。

2.根据权利要求1所述的一种工业过程控制工艺引导系统，其特征在于，所述数据采集与监视控制系统包含人机接口，所述人机接口用于用户工艺系统运行状态的监控及参数的调整。

3.根据权利要求1所述的一种工业过程控制工艺引导系统，其特征在于，所述工艺引导模块生成的数据包含系统资源的数据、地址、属性，所述工艺解析模块自动完成数据集的解析，实现系统资源的柔性分配及引用。

4.根据权利要求1所述的一种工业过程控制工艺引导系统，其特征在于，所述工艺解析模块通过对工艺引导模块生成的动态工艺配方的记录能够根据工艺的变化进行动态调度，调度规则通过特定的运算器进行描述，同时动态工艺配方记录的元素引用运行状态的工艺变化数据，为后续工艺的决策提供依据，记录元素数据变化规则由特定的运算器进行描述，该运算器对系统内任意工艺元件进行逻辑运算。

5.根据权利要求1所述的一种工业过程控制工艺引导系统，其特征在于，所述用户的工艺控制程序通过智能引导功能的数据代替，实现了系统资源的柔性分配及引用，这些数据不同于控制程序，被所述工艺引导模块分配到不同的具有高度协调性的多个控制器中。

6.根据权利要求1所述的一种工业过程控制工艺引导系统，其特征在于，所述工艺解析模块通过以太网接口将主控制器中的智能引导数据复制到冗余控制器中，从而实现了裸机冗余。

7.根据权利要求1所述的一种工业过程控制工艺引导系统，其特征在于，所述工艺解析模块通过故障动态处理机制自动解析由工艺引导模块生成的具有因果关系的图表，该图表描述了故障的处理过程，用户控制系统运行的不同进程，得到不同的故障处理结果，所述故障动态处理机制的规则通过特定的运算器进行描述。

8.根据权利要求1所述的一种工业过程控制工艺引导系统，其特征在于，将所述工艺引导模块生成的运动轴的动作帧形成运动控制数据表预先下载到控制器中，对于运动控制数据表中相同数量的数据项，控制器每一时刻依靠控制器的一个硬件中断执行索引号相同的数据项，并且递增，实现了任意轴的等时同步。

9.根据权利要求1所述的一种工业过程控制工艺引导系统，其特征在于，所述控制器以及所有智能设备自主运行并且自动获取所需系统资源，所有智能控制单元实现控制目标之后，实现了用户的控制任务，最终实现FCS系统架构。