CN107844099A - 一种基于元数据模型的功能块图在线调试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于元数据模型的功能块图在线调试方法，包括：a)将工业控制过程中的典型实时数据点及其相关必备属性封装成具有统一结构的元数据模型；b)以元数据模型为基础，定义并实现各类功能块；c)在控制指令集和元数据集的基础上，引入各类功能块的图元信息元素；d)组态软件基于上述组态文件结构生成算法组态文件，下载到工业控制器中运行后，通过周期性读取其中的元数据集，即可实现在线调试中的在线监视功能；e)组态软件通过修改元数据集，实现在线置值功能。本发明提高了通讯的高效性，完善了实时控制数据的安全性，为控制策略的在线实时调试提供极大的便利。
Description
技术领域
本发明属于工业自动化控制领域，尤其涉及用于工业过程控制系统中功能块图的在线调试。
背景技术
在工业过程控制领域中，控制需求往往因被控对象特性的不同而有所差异，从而导致其算法逻辑必须具备可编程组态的功能。在项目实施初期，由工程实施人员根据现场具体情况进行算法组态，并联机调试运行。在项目投入运行之后，用户需要根据现场实际情况，对组态逻辑进行在线调试，包括在线监视指定控制逻辑单元的运算执行趋势，修改整定控制逻辑中的重要参数。
为了满足上述需求，工业过程控制领域常常以功能块图（FBD）作为主要的编程语言。IEC61131-3工业标准中，对功能块图（FBD）进行了系统的定义和实现描述，满足了工业过程控制系统的算法组态基本需求。然而标准中的功能块图方法，仅仅列出了功能块图的必要实现因素，并没有说明功能块图的实现方法。
在IEC6113103工业标准推行初期，很多工控厂家鉴于控制器存储器和内存的容量限制，将程序和数据耦合定义，仅预定义较少的全局变量，以节省存储空间。然而这种机制大大增加了在线调试的难度，一方面使得监视控制器内变量数据的变化趋势，过程变得复杂，必须经由反复的索引和定位才能得到对应的实时数据；另一方面很多中间态实时数据无法监视查看，不利于深入在线调试。
发明内容
本发明提供了一种基于元数据模型的功能块图在线调试方法，该方法从工业控制系统内的程序和数据组织形式着手，定义元数据模型。并以此实现各类通用算法功能块，满足工业控制逻辑组态的需要。在此基础上，实现一种组态文件的结构，集成控制指令集和元数据集。不仅将全局的程序和数据按照逻辑实现分割为多个有序的程序组织单元，而且利用各页的元数据集，引入扩展控制逻辑的中间变量数据，大大增加了可供在线监视和调试的数据量，进一步完善了在线调试功能。具体包含以下步骤：
S1,将工业控制过程中的典型实时数据点及其相关属性封装成具有统一结构的元数据模型；
S2,以所述元数据模型为基础，定义并实现各类功能块，满足工业控制逻辑组态的需要，任一程序组织单元均可以分解为控制指令集和元数据集；
S3,在控制指令集和元数据集的基础上，引入各类功能块的图元信息元素，图元信息元素包括坐标和连线信息，形成组态文件结构；
S4,组态软件基于所述组态文件结构生成算法组态文件，下载到工业控制器中运行后，通过周期性读取算法组态文件的元数据集，实现在线调试中的在线监视功能；
S5,基于在线监视的前提下，组态软件通过修改元数据集，实现在线置值功能,具体方法是下发修改元数据集中某数据值及其强置使能位来实现。
元数据模型包括数据实时值、数据类型、数据品质、强置使能位和备用位。
步骤S2)中的控制指令集为由各类功能块及功能块可操作的元数据集索引、功能块引脚间的连线关系所定义的中间层指令语言。
步骤S3)中的组态文件结构包括控制指令集、元数据集、功能块图形化信息和内容注释。
步骤S3)进一步包括：组态软件从工业控制器内手动或者自动上召所有组态文件，并还原组态SAMA图、变量初始值和注释信息。
步骤S4组态软件和控制器间采用基于TCP或者UDP报文通讯，辅以充分完备的心跳和应答机制，保证双方通讯的可靠性，并具备断线重连及智能诊断功能。
步骤S4实现所述在线监视功能包括以下步骤：
301，利用组态软件打开控制器对应的组态工程；
302，建立组态软件和目标控制器的网络连接；
303，打开需要在线监视的组态文件，组态软件自动发送在线监视请求包，进入等待回应状态；
304，判断是否收到应答报文：在超时时间内，若组态软件成功收到在线监视的应答包，则进入步骤305；否则进入步骤307。
305，判断在线监视应答包是否合法，若合法，则进入步骤306，否则进入步骤308；
306，在收到合法报文后，将应答报文中的实时元数据集，显示在相应的功能块图元引脚或变量栏，本次在线监视通讯成功完成。等待监视周期的时间后，转入步骤303，进入下一周期在线监视；
307，等待时间超时后，仍未收到在线监视的应答包，重新检测网络连接，判断网络是否存在故障，转入步骤302，开启下一次连接和在线监视；
308，收到的报文不合法,弹出警告，供用户参考，用户更新组态文件后转入步骤303，进入下一次在线监视。
步骤S5实现在线置值包括以下步骤：
401，组态软件对目标控制器中指定组态页面建立在线监视；
402，打开需要置值的功能块变量列表；
骤403，检查需要强置的变量是否为可编辑态，若是可编辑态，则进入步骤404；若不是可编辑态，则进入步骤405；
404，输入新值，并下发置值报文；
405，下发强制报文，强制功能块为非使能状态，成功后则变量将变为可编辑态，再转入步骤404。
与现有技术方法相比，本发明的优点是：将数据及其属性封装为元数据模型，从根本上保证了单个数据点的信息完整性。而将全局数据和局部数据同等对待，统一分布在各组态页内的元数据集区域，简化了在线调试过程的查找和索引，丰富了在线监视数据信息的全面性，提高了通讯的高效性，完善了实时控制数据的安全性，为控制策略的在线实时调试提供极大的便利。
本发明按照面向对象的方法，将工控系统中的实时变量数据值及所有相关必备属性，封装成具有统一结构的元数据模型。由此进一步定义所有算法类功能块，将其中的变量值或指针引用均利用元数据模型替代定义，实现将组态文件精简为元数据集和控制指令集两大核心部分。在此基础上，在线调试功能的实现，省略了繁复的数据索引定位环节，简化为直接对指定元数据集的读取和写入。
附图说明
图1 元数据结构组成示意图；
图2 控制器内逻辑组态文件结构示意图；
图3 组态页面在线监视功能流程图；
图4 实时变量在线置值功能流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述内容、特征和优点能够更加清晰易懂，下面结合附图对本发明的详细实施步骤做具体的说明。
本发明按照面向对象的方法，将工控系统中的实时变量数据值及所有相关必备属性，封装成具有统一结构的元数据模型。由此进一步定义所有算法类功能块，将其中的变量值或指针引用均利用元数据模型替代定义，实现将组态文件精简为元数据集和控制指令集两大核心部分。在此基础上，在线调试功能的实现，省略了繁复的数据索引定位环节，简化为直接对指定元数据集的读取和写入。
一种基于元数据模型的功能块图的在线调试方法，包括以下步骤：
S1,将工业控制过程中的典型实时数据点及其相关属性封装成具有统一结构的元数据模型。
工业控制器内关键信息，主要包括程序和数据两大类。程序是控制策略经由组态解析后得到的代码集合，在控制器中周期循环执行。数据则是控制器操纵管理的变量集合，涵盖变量实时值、变量实时状态等多种信息，是控制器运行状态的动态反应。
在控制器执行运行控制功能过程中，控制程序不再变化。而数据却随着控制程序的周期循环执行和IO通讯而不断刷新变化。在线调试功能的关注焦点就是控制器内数据的演变趋势，进而判定控制程序，即控制策略的有效性。
因此，对于工业过程控制系统，数据的组织和定义显得非常重要。它不仅关系控制程序的组织方式，而且关系到控制器内数据的实时观测性能，即在线调试功能的实现方法。
更进一步，随着应用需求的不断增加，用户除了需要在线监视实时变量值之外，还需要在线监视实时变量品质等诸多属性的变化。
因此，实时变量值和状态等一系列附属属性，是不可分割的整体。本方法从该角度出发，利用面向对象方法，定义元数据模型，将实时变量值和其状态等附属属性进行有效封装，提高数据的组织效率。
如图1所示，元数据模型包含以下几项内容。
(1)实时值：数据点的实时状态值；
(2)数据类型：数据点的自描述类型；
(3)数据品质：数据点的品质状态；
(4)强置使能位：标识数据点是否可以被强置；
(5)其他备用位。
此外，在元数据模型中还有部分未展示的属性项，包含在其他备用位中。因其与本方法无关，故在此没有列出。
在定义元数据模型之后，进一步实现所有算法类功能块，将其中的输入、输出、属性变量值或指针引用均利用元数据模型替代，重新定义。如此一来，组态SAMA图上的每一个数据节点，包含全局变量、IO变量以及中间变量（间接输入、输出或传递的变量），均可被直接观测。
S2,以所述元数据模型为基础，定义并实现各类功能块，满足工业控制逻辑组态的需要，实现任一程序组织单元均可以分解为控制指令集和元数据集两部分的目标。
S3,在控制指令集和元数据集的基础上，引入各类功能块的图元信息元素，包括坐标、连线信息，形成一种完备的组态文件结构。
控制器内执行的控制策略，通常被组织成以页为单位的程序组织单元。利用基于元数据模型的算法功能块组态，形成的程序和数据，极易被区分开来。其中程序形成了控制指令集，而数据则扩展为元数据集。
如图2所示，每页组态文件中，存储具有紧密关联的控制指令集及其元数据集，在此基础上，增加功能块图的图形化信息，即构成了本方法定义的组态文件结构。
其中控制指令集所涵盖的信息精简为两项内容，一是算法功能块类型及其操纵的元数据集，二是算法功能块引脚变量之间的连线关系，即两个元数据之间的赋值关系。
典型的控制指令集用中间层指令语言描述如下：
ADD 0 3，表示加法块，操纵的元数据为从索引0开始的连续3个数据；
SUB 3，3，表示减法块，操纵的元数据为从索引3开始的连续3个数据；
LINK 2，3，表示连线关系，即从ADD.OUT到 SUB.IN1的连线。
页内元数据集，由该页内所有算法功能块的预定义变量根据组态先后关系紧密排列而成。它是一个元数据结构体数组，其中的元数据，不仅涵盖了需要和后台及IO通讯的全局点，而且涵盖了运算策略的中间点，如常见算法块的输入、输出和属性等变量，均是有着存储定义的元数据实例。通过在线监视，这些中间点数据的实时变化可被直接观察，为控制策略的诊断调试提供参考依据。
该组态文件结构，由组态软件根据功能块组态SAMA图快速生成，简化了语法解释和编译的繁复过程。控制器在获得该文件后，对控制指令集进行边解释边执行的策略。由于各页的元数据集相对独立，因此从根本上方便了各组态页的单独调试，避免数据的过度耦合导致难以调试定位问题的不便。
S4,组态软件基于所述组态文件结构生成算法组态文件，下载到工业控制器中运行后，通过周期性读取其中的元数据集，即可实现在线调试中的在线监视功能。
S5,基于在线监视的前提下，组态软件通过修改元数据集，实现在线置值功能；具体方法是下发修改元数据集中某数据值及其强置使能位来实现。
工业过程控制领域的在线调试通常分为在线监视和在线置值两大功能。其中在线监视的主要功能是，通过组态软件和目标控制器建立实时连接，对其中相关控制逻辑进行持续周期性的数据监视，观察数据变化趋势和逻辑执行流程，实现对控制逻辑的合理性进行初步诊断的目标。
本方法建立的组态文件结构，将控制指令集和元数据集有机地整合在同一逻辑组态页内，免去了其他厂家在线监视时，根据控制逻辑去查找筛选数据的麻烦，具有更方便简洁的特性。
如图3所示，本方法的在线监视功能主要包含以下方法步骤：首先利用组态软件打开控制器对应的组态工程，完成步骤301。接着按照步骤302，点击连接按钮，建立组态软件和目标控制器的网络连接。此处可通过TCP通讯建立连接，也可通过UDP快速心跳判断二者之间的实时连接。只要连接建立或心跳正常，则认为二者已经成功建立连接。
建立连接后，打开需要在线监视的组态文件，则按照步骤303，组态软件自动发送在线监视请求包，内含页号及组态校验码等信息，并进入等待回应状态。
在超时时间内，若组态软件成功收到在线监视的应答包，则进入步骤305；否则进入步骤307。
承接步骤305，判断在线监视应答包是否合法，若合法，则进入步骤306，否则进入步骤308。
承接步骤307，等待时间超时后，仍未收到在线监视的应答包，则重新检测网络连接，判断网络是否存在故障，转入步骤302，开启下一次连接和监视。
承接步骤306，在收到合法报文后，将应答报文中的实时元数据集，显示在相应的功能块图元引脚或变量栏，包含数据值和品质状态的显示。至此，本次在线监视通讯成功完成。等待监视周期的时间后，转入步骤303，进入下一次在线监视通讯循环。
承接步骤307，在收到的报文不合法，如页面校验码不匹配等，弹出警告，供用户参考。在用户更新组态文件后或者相应操作后，继续转入步骤303，进入下一次在线监视通讯循环。
在实现组态软件对目标控制器进行在线监视的基础上，在线置值就是将指定功能块的变量值修改整定为一个新的值。被修改的变量可能是属性常量，也可能是未连线的输入变量，甚至是不断被模块运算刷新的输出变量。
一般情况下，属性常量和未连线的输入变量可以被直接置值，而输出变量，由于模块的运算作用，会被不断地刷新，一般不可以直接置值。但某些调试场合又有修改输出变量的调试需求，因此为了实现这一功能，必须先将模块修改为非使能状态，停止其运算功能，再对其输出变量进行修改。
如图4所示，在线置值功能主要包含以下方法步骤：首先按照图3所示，建立组态软件对目标控制器中指定组态页面的在线监视状态。
在线监视成功后，按照步骤402，打开需要置值的功能块变量列表。其中各变量值的编辑态，根据元数据模型中的强置使能位生成。若强置使能位为1，则允许强置值，如未连线的输入引脚变量和可被在线置值的属性变量。若强置使能位为0，则不允许强置值，如已有连线的输入引脚变量、特定不可在线置值的属性变量以及模块的所有输出引脚变量。
按照步骤403，检查需要强置的变量是否为可编辑态。若是可编辑态，则进入步骤404，直接输入新值，并下发置值报文。若不是可编辑态，则进入步骤405，下发强制报文，强制功能块为非使能状态，即批量修改功能块所有输出元数据中的强置使能位为1，成功后则变量将变为可编辑态，再转入步骤404。
在强制功能块为非使能状态时，并不是把该功能块的所有元数据的强置使能位均修改为1。其中已有连线的输入引脚变量、特定不可在线置值的属性变量，其强置使能位不能被强制修改。
在完成在线调试后，往往会有一些功能块仍处在非使能状态，没有及时恢复使能状态。用户逐页查看修改，并不方便。因此组态软件添加‘取消所有强制’的功能指令，批量修改控制器内所有组态页面内功能块的强制使能状态。避免用户在线调试之后遗忘，而导致部分控制逻辑不执行、不生效，产生错误的控制后果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于元数据模型的功能块图的在线调试方法，其特征是，包括以下步骤：
S1,将工业控制过程中的典型实时数据点及其相关属性封装成具有统一结构的元数据模型；
S2,以所述元数据模型为基础，定义并实现各类功能块任一程序组织单元均可以分解为控制指令集和元数据集；
S3,在控制指令集和元数据集的基础上，引入各类功能块的图元信息元素，形成组态文件结构；
S4,组态软件基于所述组态文件结构生成算法组态文件，下载到工业控制器中运行后，通过周期性读取算法组态文件的元数据集，实现在线调试中的在线监视功能；
S5,基于在线监视的前提下，组态软件通过修改元数据集，实现在线置值功能。
2.根据权利要求1所述的基于元数据模型的功能块图在线调试方法，其特征在于，所述元数据模型包括数据实时值、数据类型、数据品质、强置使能位和备用位。
3.根据权利要求1所述的基于元数据模型的功能块图在线调试方法，其特征在于，所述步骤S2)中的控制指令集为由各类功能块及功能块可操作的元数据集索引、功能块引脚间的连线关系所定义的中间层指令语言。
4.根据权利要求1所述的基于元数据模型的功能块图在线调试方法，其特征在于：所述步骤S3)中的组态文件结构包括控制指令集、元数据集、功能块图形化信息和内容注释。
5.根据权利要求1所述的基于元数据模型的功能块图在线调试方法，其特征在于：其中步骤S3)进一步包括：组态软件从工业控制器内手动或者自动上召所有组态文件，并还原组态SAMA图、变量初始值和注释信息。
6.根据权利要求1所述的基于元数据模型的功能块图在线调试方法，其特征在于：其中步骤S4)组态软件和工业控制器间采用基于TCP或者UDP报文通讯。
7.根据权利要求1所述的基于元数据模型的功能块图在线调试方法，其特征在于，步骤S4实现所述在线监视功能包括以下步骤：
301，利用组态软件打开控制器对应的组态工程；
302，建立组态软件和目标控制器的网络连接；
303，打开需要在线监视的组态文件，组态软件自动发送在线监视请求包，进入等待回应状态；
304，判断是否收到应答报文：在超时时间内，若组态软件成功收到在线监视的应答包，则进入步骤305；否则进入步骤307。
305，判断在线监视应答包是否合法，若合法，则进入步骤306，否则进入步骤308；
306，在收到合法报文后，将应答报文中的实时元数据集，显示在相应的功能块图元引脚或变量栏，本次在线监视通讯成功完成。等待监视周期的时间后，转入步骤303，进入下一周期在线监视；
307，等待时间超时后，仍未收到在线监视的应答包，重新检测网络连接，判断网络是否存在故障，转入步骤302，开启下一次连接和在线监视；
308，收到的报文不合法,弹出警告，供用户参考，用户更新组态文件后转入步骤303，进入下一次在线监视。
8.根据权利要求1所述的基于元数据模型的功能块图在线调试方法，其特征在于，步骤S5实现在线置值包括以下步骤：
401，组态软件对目标控制器中指定组态页面建立在线监视；
402，打开需要置值的功能块变量列表；
403，检查需要强置的变量是否为可编辑态，若是可编辑态，则进入步骤404；若不是可编辑态，则进入步骤405；
404，输入新值，并下发置值报文；
405，下发强制报文，强制功能块为非使能状态，成功后则变量变为可编辑态，转入步骤404。
9.根据权利要求1所述的基于元数据模型的功能块图在线调试方法，其特征在于，图元信息元素包括坐标和连线信息。
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