CN109782720A - 由工艺逻辑拓扑图直接实现控制的方法 - Google Patents

Abstract

由工艺逻辑拓扑图直接实现控制的方法，通过工艺拓扑图的方式对工艺逻辑进行描述，实现控制任务。包括如下步骤：A、以工艺拓扑图的方式实现工艺逻辑的描述；B、对用户系统中全部的控制资源进行整合，按工艺控制需求组织起来；C、由SCADA自动生成硬件资源拓扑图的架构，由用户进行组织后，生成资源拓扑图；D、将软件资源和硬件资源进行规格化处理，形成系统内的数据库控制表；E、通过指针结构，系统资源数据进行交互；F、通过TLC(工艺逻辑控制器)运行组织起来的工艺拓扑图及控制数据表，实现系统控制；G、行业专家知识共享平台，提升行业控制水平。通过对用户的工艺逻辑描述，无需针对控制器逐一编程。相比传统控制实现模式，综合效率至少提高10倍以上。系统软硬件资源可任意引用。

Description

由工艺逻辑拓扑图直接实现控制的方法

技术领域

本发明实施例涉及非定制化的控制领域，具体涉及工业控制、智能家居等可由工艺逻辑拓扑图直接描述的控制领域。

背景技术

工业控制经过几十年的发展，无论是软件，还是硬件，其技术的进步已经从很大程度上改变了编程和应用的复杂性，但是始终存在下列问题：

工艺需求交互困难：用户工艺与控制分属不同的知识领域，控制工程师要在短时间完全理解用户的工艺是非常困难的事，控制的复杂性以及控制与工艺的独立性是传统控制模式无法逾越的屏障；

控制系统快速适应性差：对于工艺多变的用户，控制实现过程的复杂性决定了其快速适应性差，不能适应其多变的需求；

用户核心技术保密性差：工艺保密是用户的基本需求，特别是一些化工、军工等行业。由于传统控制的实现过程复杂性高、专业性强，委托第三方集成商是通常做法，“保密协议”是唯一的约束。

用户对控制系统人员依赖性强：集成商人才的流动及经营状况直接影响到用户控制系统的维护工作；

行业专家知识共享性差：传统系统中，专家知识具体应用到控制系统需要一个移植过程，这个移植过程是困难的，同时保密性差使得专家缺乏知识共享动力。

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，始终不能解决上述问题。

发明内容

为此，本发明实施例提供由工艺逻辑拓扑图直接实现控制的方法，以解决现有技术中由于控制系统实现模式问题而导致的所有控制系统需要对控制器逐一编程的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

由工艺逻辑拓扑图直接实现控制的方法，包括如下步骤：

A、以工艺拓扑图的方式实现工艺逻辑的描述；

B、对系统中全部的资源进行整合，按照工艺需求组织起来；

C、由数据采集与监控系统自动生成硬件资源拓扑图的架构，由用户进行组织后，生成资源拓扑图；

D、将软件资源和硬件资源进行规格化为系统内的数据库控制表；

E、通过指针结构将系统资源数据进行交互；

F、通过工艺逻辑控制器来运行组织起来的工艺拓扑图及控制数据表，实现系统控制；

G、行业专家知识共享平台，提升行业控制水平。

如前所述，进一步的，步骤A中的工艺拓扑图是以控制域为单位的用户工艺表达方式，一个控制域可以有多个工艺拓扑图，不同控制域之间的工艺拓扑图自动交互需要的数据。

如前所述，进一步的，所述工艺拓扑图表达被控对象与用户工艺之间的关系和/或各类模块与用户工艺之间的关系和/或各类被控对象及模块的运行条件和/或各类被控对象及模块间的引用关系和/或按条件运行的工艺路径。

如前所述，进一步的，步骤B中的资源包括输入设备、输出设备、算法组件、逻辑组件、HMI设备、桌面元件、总线设备、控制设备等。

如前所述，进一步的，步骤D中的数据库控制表中包括控制器型号、网络拓扑关系、软件模块间引用关系、系统资源运行时的位置关系、掉电保持数据等。

如前所述，进一步的，所述数据库控制表的数据由数据采集与监控系统自动完成。

如前所述，进一步的，步骤E中的数据交互包括软件模块间数据交互、数据采集与监控系统组件的数据交互、工艺逻辑控制器间的数据交互等。

如前所述，进一步的，步骤F中的工艺逻辑控制器运行的是预定义的运行规则。

如前所述，进一步的，步骤G中的第三方专家知识模块可以通过平台共享，在系统中可以任意应用而无需要考虑移植的问题。

本发明实施例具有如下优点：

本发明将PLC(可编程逻辑控制器)、DCS(集散式控制系统)、FCS(现场总线控制系统)优势的融合，具有广泛适应性。

本发明实施例是一个面向用户工艺的实现系统，而不是面向控制器的实现系统，系统控制器的多少，工艺控制节点的多少，只是简单的“加减”关系，并不会像CCS及DCS那样存在耦合关系；

本发明是一个面向工艺设备的实现系统，只研究工艺设备的最终行为，其过程是系统自动实现的，这是一个控制模式质的飞跃，它解决了FCS系统控制器的编程问题；

控制器的运行与数据交换与PC无关。在无需监控的情况下，可关机(PC机)运行。

因此，用户工程不论是小系统，还是大系统，本发明的实现没有什么不一样。从工程成本、可靠性、实现工程的简单性等方面，本发明融合了其优点，特别是实现工程简单性方面，更是质的飞跃。

SCADA(数据采集与监控系统)与PLC编程无缝衔接，由工艺描述实现用户的控制需求，SCADA是工艺图形化展示的最佳载体，也是工艺工程师易于理解的载体，然而，传统的SCADA并没有PLC用户程序的生成能力，更没有根据用户工艺生成控制程序的能力，目前还没有能够编译工艺的编译器，这是本发明要解决的问题。用户以图形化的方式描述工艺设备需要的控制结果，由系统分析这一结果需要的控制过程，猎取实现这一结果需要的系统资源，而不管这些资源所处位置，生成智能驱动数据，系统的解析程序能够理解这些数据，这是本发明并不针对具体控制器编程的原因，尽管，系统也有对工艺的逻辑描述，但针对的是工艺设备需求的结果，而不是控制过程，控制过程由系统自动生成。从而摈弃了控制器的编程部分，实现了SCADA与PLC编程的无缝衔接，极大的简化了工程实现的难度、极大的提升了用户工程实现的速度。这是目前控制模式不具备的特点，是控制模式的重大创新。

集束型用户控制生成模式，无需逐一对控制器编程。PLC的硬件核心是一颗CPU。要让CPU运行，必须对其编程。

传统的控制模式，对于一个用户的工程控制系统，需要对系统内的所有PLC进行逐一编程，除非是并无逻辑运算能力的远程I/O。用一个形象的比喻，就是将人的“手”延伸到了控制现场，解决了用户工程控制的不少问题。然而，这仍是一个主从模式，并没有实现FCS定义的内涵。FCS系统要求用户工程并不集中于一个大型控制器中，而是由很多小型控制器、智能仪器仪表并行运行，每个控制单元实现用户工程的局部控制任务，从全局来看，就实现了用户的工艺控制需求。也就是“大脑”的延伸。

FCS系统的编程，让控制工程师去实现它是复杂的，也是非常困难的。因此，尽管很多用户控制看起来像FCS的拓扑结构，但并没真正意义上实现FCS系统架构的内涵。

而本发明实施例并不针对控制器逐一编程，而是以用户的工艺为单位生成智能控制数据，替代了控制器的程序。这不但满足了FCS架构需求，还大大简化了控制系统的实现难度，是控制模式的重大创新。

行业专家知识共享平台(第三方知识平台)，各行各业都有很多控制类专家，对解决用户工艺的特殊问题很有研究，然而，这些宝贵的经过多年实践得到的知识推广应用却是困难的。其主要原因在于：

缺乏知识推广应用的源动力，提供一个工具或者一个平台用于开发这些程序，程序的提供者可以得到应有的价值回报！

在控制领域同样也需要这样一个工具或者平台，使控制类知识提供者亦能得到他们应有的价值回报，它不但解决了控制类知识提供者的源动力问题，使控制类知识得以广泛的推广应用，还极大的减少了重复性开发劳动。

控制类知识模块嵌入实际系统的移植问题，控制类知识模块与手机上的APP不同，APP是可以独立运行的程序，而控制类知识模块只是一个细节，通常不能独立运行，需要系统资源的支持，比如系统变量、内存等。这给控制类知识模块的移植带来很大困扰。因此，一般由控制器厂商来提供这些模块，比如PID调节模块等，但控制器厂商通常并不具备所有行业的控制经验，它只能是一些通用模块，并不针对行业的特殊应用。

本发明实施例的目标是让这些控制类知识模块看上去能够独立运行，并不需要您去连接变量，分配内存等，与系统保持很好的独立性。当模块被系统引用时，这些连接、分配及与系统的关系被自动建立，从而解决控制类知识模块移植问题。

工艺逻辑描述是用户最简单直接的控制需求反映，因此，该项目就是让用户通过简捷的方式描述自己的工艺逻辑，由系统自动生成控制需要的智能控制数据，从而完成控制任务。该项目具有如下特点：

简单：通过对用户的工艺逻辑描述，无需针对控制器逐一编程。

快捷：相比传统控制实现模式，综合效率至少提高10倍以上。

透明：系统软硬件资源可任意引用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明工艺拓扑图；

图2为本发明硬件资源拓扑图的框架；

图3为本发明资源映射图。

图4为本发明工艺控制系统示意图。

图5为本发明一个实施例的控制系统的网络拓扑图。

图6(a)为根据图5在SCADA转化成的硬件资源拓扑图。

图6(b)为根据图5在SCADA转化成的硬件资源拓扑图。

图6(c)为根据图5在SCADA转化成的硬件资源拓扑图。

图6(d)为根据图5在SCADA转化成的硬件资源拓扑图。

图6(e)为根据图5在SCADA转化成的硬件资源拓扑图。

图6(f)为根据图5在SCADA转化成的硬件资源拓扑图。

图6(g)为根据图5在SCADA转化成的硬件资源拓扑图。

图6(h)为根据图5在SCADA转化成的硬件资源拓扑图。

图6(i)为根据图5在SCADA转化成的硬件资源拓扑图。

图6(j)为根据图5在SCADA转化成的硬件资源拓扑图。

图7为在SCADA中形成的工艺拓扑图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-4所示，由工艺逻辑拓扑图直接实现控制的方法，FalshControl软件系统包括工程数据库和数据采集监控数据库，工程数据库包含工程运行数据，数据采集监控数据库包含工程信息管理数据、硬件资源组态数据、工艺逻辑描述数据、设备故障处理数据及常规软件处理数据。工程运行数据与数据采集监控数据库中的数据相互调用。还包括第三方知识平台。

本发明围绕两个部分：软件系统(SCADA)、硬件系统(TLC-工艺逻辑控制器)。为了实现上述目标，由资源拓扑描述模块、工艺拓扑描述模块、资源映射模块和工艺模块生成工具构成软件部分，规则解析模块与硬件驱动的结合构成了工艺逻辑控制器(TLC)。

用户的控制系统包括：

将用户工艺系统内的全部资源，按工艺需求组织起来自动运行的装置。系统资源包含：

输入设备，比如：现场按钮、各类传感器等；

输出设备，比如：电动机、电磁阀、各类驱动设备；

算法组件，比如：PID、细分行业各类算法组件；

逻辑组件，比如：软硬件定时器、工艺连接需要的逻辑组件；

HMI设备，比如：现场监控设备；

桌面元件，SCADA上的输入框、趋势图、按钮等；

总线设备，TLC支持的各类现场总线协议的智能网关；

控制设备，具有TLC运行模式的控制器。

1.用户工艺管理：通过工艺拓扑描述模块进行组态。

工艺拓扑图是工艺及控制工程师能够理解的最佳表达方式。

工艺拓扑图是以控制域为单位的工艺表达方式，一个控制域可以有多个工艺拓扑图，不同控制域之间的工艺拓扑图自动交互需要的数据，其重要作用为：

表达被控对象与用户工艺之间的关系(图片来源于硬件资源拓扑图)；

表达各类模块与用户工艺之间的关系(图片来源于SCADA)

表达各类被控对象及模块的运行条件；

表达各类被控对象及模块间的引用关系；

表达按条件运行的工艺路径。

这些连接的工艺拓扑关系被保存到工程数据库记录表中，作为后续控制实现的重要依据。

2、硬件资源管理：通过硬件资源拓扑图描述模块进行组态，该硬件资源拓扑图框架由系统自动生成，用户只需要根据现场的实际硬件连接情况进行组织。其特点是：硬件资源的全方位组态，而不仅仅限于控制器及通讯。包含以下部分：

控制域：这是一个可实现的FCS控制架构，控制域表示远程的一组工艺控制单元，系统控制由全部的控制域组成；

HMI监控：控制域的一部分，完成人机交互，由SCADA生成；

TLC控制器：控制域的一部分，完成PLC、DCS等控制器完成的功能；

总线设备：控制域及TLC的一部分，各类现场总线协议的智能网关；

现场设备：控制域及TLC控制器或者现场总线设备的一部分，完成现场设备的输入及实际被控对象的连接。由形似现场设备的普通图片表示。

这些连接的资源拓扑关系被保存到工程数据库记录表中，作为后续控制实现的重要依据。

3.资源映射：不论是软件资源，还是硬件资源，都被统一自动规格化为系统的工程数据库控制表，打通IT(信息技术)与OT(运营技术)的屏障。

工程数据库表记录了但不仅限于以下信息：

控制器型号；扩展模块型号、位置关系、接口属性、接口设置；

网络拓扑关系；硬件拓扑关系；工艺拓扑关系；现场总线类型；

软件模块间引用关系；硬件设备间引用关系；软、硬件间引用关系；

系统资源运行时的位置关系；运行条件；动态数据引用；

掉电保持数据；数据操作权限；仿真信息等。

这些工作在SCADA中自动完成，是TLC要运行的智能数据。因此，多个TLC控制器也并无实际编程工作，实现了FCS架构。

4.资源的引用：

资源间的相互引用是本发明的“灵魂”。

该发明设计了指针结构用于数据交互(如表1所示)：

表1

指针结构用于但不仅于以下应用：

软件模块间数据交互；硬件模块间数据交互；软件与硬件间数据交互；SCADA组件的数据交互；系统仿真的数据交互；掉电数据保持；TLC间的数据交互；现场总线间的数据交互；TLC与SCADA间的数据交互等。

因此，该发明实现了有规则的数据透明引用。

5、资源的定位：

资源定位是系统运行的基础。

TLC与PLC、DCS传统控制器的控制模式的最大区别是：TLC并不知道运行的具体内容。

TLC只是运行了一个固定的“操作系统”，或者说是一个固定的运行规则，这才使该发明表现出工程实现的快速、简单、透明的特别性能。

然而，TLC毕竟运行的是程序块及支持程序块运行的控制数据，那么就需要定位，该发明设计了定位表(如表2所示)来解决这一问题：

表2

程序模块定位指针	背景数据块定位指针
		……	……

定位可以是：

SCADA中预定义的；

行业专家提供的第三方模块；

工艺连接时自动生成的。

规则解析运行：

TLC将上述数据和数据引用和定位规则，按照固定的运行规则，对工程数据库进行解析，实现用户工艺的控制。

本发明以驱动7台电机(电机1至电机7)和一个PID调节驱动变频器和电机8为例，假设控制系统的网络拓扑结构如图5所示：

硬件连接如下：

控制器1、控制器2、控制器3与PC机、监控屏通过工业以太网连接。

控制器1的数字量输出点DO1连接了电机1、MODBUS模块1的DI1连接了压力表、CAN模块1的DI1连接了按钮；

控制器2的数字量输出点DO1连接了电机2、MODBUS模块2的DO1连接了电机3、CAN模块2的DO1连接了电机4；

控制器3的数字量输出点DO1连接了电机5、MODBUS模块3的DO1连接了电机6、CAN模块3的DO1连接了电机7、模拟量输出AO1连接了一个变频器，变频器驱动一台电机。

工艺需求如下：

1、电机1启动；

2、按钮按下并且压力<500时，电机2启动，10秒后，电机5启动；

3、按钮按下并且压力>＝500且<＝800时，电机3启动，10秒后，电机4启动；

4、按钮按下并且压力>800时，PID运行，PID的调节值输出到控制器3的模拟量输出点，驱动变频器，变频器驱动电机8。

5、上述3项任意一项执行后，10秒后电机6和电机7启动。

具体实施过程如下：

1、硬件资源管理：

根据图5的网络结构拓扑图在SCADA中转化成硬件资源拓扑图，如图6(a)至图6(j)所示。

通过上述的硬件资源拓扑图的建立，系统就得到了控制器的型号及模块位置关系相关参数、总线设备类型相关参数，控制域、监控屏、控制器的数字量输入输出、模拟量输入输出、总线设备的数字量输入输出、模拟量输入输出之间的连接关系，用于后台自动生成系统控制框架程序，完成权利要求中步骤B、C、D的描述。

2、工艺逻辑描述：

根据工艺需求，在SCADA中以工艺拓扑图的方式进行描述，如图7所示。

工艺拓扑图的所有连接控件为系统预定义控件，如：开始控件、结束控件、分支控件等，设备图片来源于硬件资源拓扑图，软件组件(如PID、定时器等)由系统提供。拖拽这些资源到SCADA的工艺拓扑图界面，然后进行如下设置：

(1)设定分支的条件

(2)设置定时器时间

(3)连接PID的输入输出

通过以上操作，就完成了所示工艺需求的描述。系统自动生成了该工艺需求的数据之间的逻辑引用关系，这些引用关系通过指针进行连接交互，由资源定位模块完成资源的定位。完成权利要求A、D、E的描述。

3、工程运行：

下传数据到控制器(TLC)，TLC预固化了下传数据的解析规则，系统根据工艺需求和硬件连接关系自动分配运行数据到TLC1、TLC2、TLC3。完成权利要求F的描述。

该示例通过以上步骤的操作，即可简单、快捷、透明的实现控制任务，该示例仅说明其实现过程，并不限于以上控制的复杂程度。

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。

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.由工艺逻辑拓扑图直接实现控制的方法，其特征在于：包括如下步骤：

A、以工艺拓扑图的方式实现工艺逻辑的描述；

B、对系统中全部的资源进行整合，按照工艺需求组织起来；

C、由数据采集与监控系统自动生成硬件资源拓扑图的架构，由用户进行组织后，生成资源拓扑图；

D、将软件资源和硬件资源进行规格化为系统内的数据库控制表；

E、通过指针结构将系统资源数据进行交互；

F、通过工艺逻辑控制器来运行组织起来的工艺拓扑图及控制数据表，实现系统控制；

G、行业专家知识共享平台，提升行业控制水平。

2.根据权利要求1所述的由工艺逻辑拓扑图直接实现控制的方法，其特征在于：步骤A中的工艺拓扑图是以控制域为单位的用户工艺表达方式，一个控制域可以有多个工艺拓扑图，不同控制域之间的工艺拓扑图自动交互需要的数据。

3.根据权利要求2所述的由工艺逻辑拓扑图直接实现控制的方法，其特征在于：所述工艺拓扑图表达被控对象与用户工艺之间的关系和/或各类模块与用户工艺之间的关系和/或各类被控对象及模块的运行条件和/或各类被控对象及模块间的引用关系和/或按条件运行的工艺路径。

4.根据权利要求1所述的由工艺逻辑拓扑图直接实现控制的方法，其特征在于：步骤B中的资源包括输入设备、输出设备、算法组件、逻辑组件、HMI设备、桌面元件、总线设备、控制设备等。

5.根据权利要求1所述的由工艺逻辑拓扑图直接实现控制的方法，其特征在于：步骤D中的数据库控制表中包括控制器型号、网络拓扑关系、软件模块间引用关系、系统资源运行时的位置关系、掉电保持数据等。

6.根据权利要求4所述的由工艺逻辑拓扑图直接实现控制的方法，其特征在于：所述数据库控制表的数据由数据采集与监控系统自动完成。

7.根据权利要求1所述的由工艺逻辑拓扑图直接实现控制的方法，其特征在于：步骤E中的数据交互包括软件模块间数据交互、数据采集与监控系统组件的数据交互、工艺逻辑控制器间的数据交互等。

8.根据权利要求1所述的由工艺逻辑拓扑图直接实现控制的方法，其特征在于：步骤F中的工艺逻辑控制器运行的是预定义的运行规则。

9.根据权利要求1所述的由工艺逻辑拓扑图直接实现控制的方法，其特征在于：步骤G中的第三方专家知识模块可以通过平台共享，在系统中可以任意应用而无需要考虑移植的问题。