CN111026056A - 一种用于先进过程控制的云计算系统及其运行方法 - Google Patents

一种用于先进过程控制的云计算系统及其运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于先进过程控制的云计算系统，包括通讯模块、虚拟机、数据识别和存储模块、预测性算法模块；其中，虚拟机、数据识别和存储模块、预测性算法模块均设置在云端；通讯模块用于从现场传感器读取现场数据、将虚拟机中APC运行后输出的数据传输至现场的DCS；虚拟机用于设置APC算法内部参数，实现数据的输入、计算、输出；数据识别和存储模块用于识别通讯模块所获得的现场数据是否及时、存储暂时不需要参与计算的数据，将APC运行所需及时数据输入APC进行运算；预测性算法模块用于现场数据预测，给出现场数据预测值。本发明的APC设置在云端，用户从现场使用云端APC，帮助用户节约了在本地安装APC的成本且帮助客户解除了DCS系统和APC绑定的限制。

Description

一种用于先进过程控制的云计算系统及其运行方法
技术领域
本发明属于工业控制技术领域，具体涉及一种用于先进过程控制的云计算系统及其运行方法。
背景技术
随着过程工业自动化程度的持续发展，人们的关注点已经从实现自动化生产转向了优化生产；通过先进控制算法节省原料、改进生产条件、降低能耗、提高成品率等等。过程工业中将这类先进控制算法叫先进过程控制APC(Advanced Process Control)算法。APC算法的例子有MPC、Fuzzy Logic、neuro-network等。APC算法通常有一到多个现场输入数据和一到多个现场输出数据。APC是分布式控制系统DCS(Distributed Control Systems)的一部分，一般在控制器里运行。市面上先进的DCS系统通常都支持一些APC。成熟的APC算法在很多DCS中都能找到；但通常APC都非常贵，用户希望在降低DCS成本的同时还能用到APC。
DCS里面的控制算法，包括APC，在运行时都是配置了一个周期，它在每个周期运算一次，每次运算过程分几步：读取输入参数，进行算法计算，输出计算结果到输出参数。
很多DCS系统提供帮助设定APC内部参数的工具，叫做整定(Tuning)。整定过程包括实地运行APC算法一段时间。在这期间APC内部参数被设置为不同的值，从而得到过程在不同内部参数下的反应特性。根据这些反应特性，我们就可以寻找最佳的内部参数设定值。
另一方面，随着工业互联网的成熟，生产现场和上层乃至互联网都互联互通了。在远离现场的服务器上、云上运行APC也逐渐成为了可能。不同于现场回路控制算法，APC通常不需要持续的低延时现场数据。APC输出数据也不一定需要快速反馈到控制现场。在云上运行APC，通过远程通信传输APC数据，同样能够达到生产优化的目的。
CN106575282A公开了一种用于先进过程控制的云计算系统和方法。所述系统包括设置在本地的APC控制计算机和设置在云端的APC管理计算机，从而实现了在云端对本地的APC进行管理。然后该申请公布的技术方案依然需要在本地设置APC控制计算机。
与在本地运行APC不同的是，由于APC不在本地运行，无法直接通过本地的DCS实现整定。同时，在云上运行APC依然会面临网络通信不稳定的问题。当网络运行不稳定的时候，可能会出现从现场传输的数据不能及时的到达APC，甚至可能产生数据丢失的现象。然而APC需要严格的按照时间对数据进行运算；同时，APC的输出参数也应当及时传输到控制对象。网络一般都是上行的速度比较慢，从而使得上传数据不能及时到达以及丢失的现象尤为的突出。另外，有些现场数据到达云端的时候，并不需要立刻输入APC，而是在需要输入APC的时候再进行输入(因为APC需要严格的按照时间对数据进行运算)。同时，有些APC输出数据需要经过特定的时间间隔后再反馈到控制现场。此时，这些输入输出数据都需要单独存储。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于先进过程控制的云计算系统及其运行方法，以解决现有技术中需要在本地设置APC控制计算机、云上运行APC面临网络通信不稳定造成数据不能及时的到达APC、部分暂时不需要使用数据存储等问题。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种用于先进过程控制的云计算系统，其特征在于，包括通讯模块、虚拟机、数据识别和存储模块、预测性算法模块；其中，所述虚拟机、数据识别和存储模块、预测性算法模块均设置在云端；
所述通讯模块用于从现场传感器读取现场数据、将虚拟机中APC运行后输出的数据传输至现场的DCS；
所述虚拟机根据现场DCS系统自动配置同样的操作系统并安装有APC运行所需的软件、完全复制有与APC对接数据的接口；所述虚拟机用于设置APC算法内部参数，实现数据的输入、计算、输出；
所述数据识别和存储模块用于识别通讯模块所获得的现场数据是否及时、存储暂时不需要参与计算的数据，将APC运行所需及时数据输入APC进行运算；
所述预测性算法模块用于在数据识别和存储模块检测到出现网络数据传输不及时或数据丢包时进行现场数据预测，给出现场数据预测值，将现场数据预测值输入APC进行运算。在本发明中，虚拟机根据现场DCS系统自动配置同样的操作系统，实现了在云端提供了一个与现场安装的系统同样的执行环境，优选的，该执行环境为微软视窗或Linux。
进一步的，所述通讯模块包括从现场传感器读取数据的数据接口、通讯线路，在本发明中的通讯模块的设置的主要作用是通过现场传感器读取现场数据，将APC输出的数据传输到现场的DCS。
进一步的，所述数据识别和存储模块用于定期检测通讯模块是否有现场数据输入及输入数据的时间戳上的时间信息；若输入的数据中的时间和APC软件设定一致，则将从现场上传的数据输入APC软件进行运算；若一个运算周期内，没有现场数据输入，则预测性算法模块会利用预测模型根据之前的输入数据进行预测性计算，得出一个现场数据的预测值，并将该预测值输入APC进行运算，从而得到APC的输出数据。
进一步的，所述数据识别和存储模块用于存储暂时不需要参与计算的数据：当有些数据不需要立即通过APC运算，如果输入的数据中的时间早于APC中设定的运算时间，则该数据会被存储在数据识别和存储模块中；当到达预定时间，将存储的数据输入APC进行运算。
进一步的，所述云计算系统还包括一虚拟防火墙，所述虚拟防火墙用于保证云端安全，前置于虚拟机、数据识别和存储模块、预测性算法模块。
本发明的实施例另外还提供一种用于先进过程控制的云计算系统的运行方法，其特征在于，包括以下过程：
(1)用户在现场安装运行DCS系统；
(2)构建云端的虚拟机、数据识别和存储模块、预测性算法模块；并将云端与现场的数据通过通讯模块进行连接；
(3)根据现场，获取APC内部参数；
(4)云端虚拟机根据现场DCS系统自动配置相应的操作系统，安装相适配的APC软件，并根据步骤(3)所获取的APC内部参数进行内部参数配置；
(5)数据识别和存储模块对由通讯模块输入的数据进行识别、存储和传输；
(6)在云端运行APC算法，并将运算结果返回用户现场的DCS，实现的云上先进过程控制。
进一步的，所述步骤(3)的获取APC内部参数可根据现场情况采取以下三种实现方式中的一种实现：
a.在现场DCS环境中临时运行APC，确定内部参数值，然后将这些参数值写入云端APC；
b.在现场非DCS环境内临时搭建跟云端相同的架构，得到内部参数值后，将这些参数值写入云端APC；
c.在互联网通信效果好时，可直接在云端确定内部参数值。
其中，采用方式c中判定互联网通信是否良好的过程如下：将现场DCS系统的数据传输至云端，APC在运行DCS系统中个数据之前先检查数据中的时间戳，如果时间戳中记录的时间和系统预定的时间无差异，则说明的网络通信良好，此时可以进行云端确定内部参数值。
进一步的，所述步骤(5)中数据识别和存储模块对由通讯模块输入的数据进行处理的过程，具体包括以下：
(5-1)所述数据识别和存储模块的识别过程
(5-1-1)在APC软件运行过程中，数据识别和存储模块定期检测通讯模块是否有现场数据输入及输入数据的时间戳上的时间信息；
(5-1-2)若输入的数据中的时间和APC软件设定一致，则将从现场上传的数据输入APC软件进行运算；
(5-1-3)若一个运算周期内，没有现场数据输入，则预测性算法模块会利用预测模型根据之前的输入数据进行预测性计算，得出一个现场数据的预测值，并将该预测值输入APC进行运算，从而得到APC的输出数据；
(5-2)所述数据识别和存储模块的存储过程
(5-2-1)当有些数据不需要立即通过APC运算，如果输入的数据中的时间早于APC中设定的运算时间，则该数据会被存储在数据识别和存储模块中；
(5-2-2)当到达预定时间，将存储的数据输入APC进行运算。
优选的，所述虚拟机中APC算法模块可优化，可根据市场需要进行更多改进，适应不同的现场DCS。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明通过将APC设置在云端，用户从现场使用云端APC，帮助用户节约了在本地安装APC的成本，并且可以帮助客户解除了DCS系统和APC绑定的限制(即用户现场实际使用的DCS供应商可以是不同于云端运行的APC的供应商)。
本发明的云计算系统，包括数据识别和存储模块、预测性算法模块；数据识别和存储模块识别是否及时提供现场数据，在没有运行周期内的现场数据时，预测性算法模块给出现场预测值，解决了当APC设置在云端可能面临的数据传输不及时的问题；同时，数据识别和存储模块还可用于存储不需要立刻进行APC运算的数据，并在需要运算时输入APC进行运算。
本发明中由于APC设置在云端，可以方便实现APC中的算法的快速更新和优化。
附图说明
图1为本发明根据实施例与若干用户通信的示例云计算系统的框图。
图2为本发明的用于先进过程控制的云计算系统的运行方法中步骤的流程图。
图3为本发明的云计算系统与实施例中用户一通信的框图。
附图标记说明：
100、云端；101、虚拟机；102、数据识别和存储模块；103、预测性算法模块；110、通讯模块；120、用户一；121、液位传感器；122、称重传感器；123、红外传感器；124、现场DCS系统；125、水阀；126、药物添加阀；127、报警器；130、用户二；140、用户三；150、互联网。
具体实施方式
参照附图描述所公开的实施例，其中遍及附图使用相同的附图标记来指定类似或等同的元件。附图未按比例绘制，并且提供它们仅为了图示某些公开的方面。以下参照示例应用来描述若干所公开的方面以用于说明。应当理解，阐述了许多具体细节、关系和方法以提供对所公开的实施例的完全理解。
然而，相关领域的普通技术人员将容易认识到，本文所公开的主题可以在没有一个或多个具体细节的情况下或者利用其他方法来实践。在其他情况下，未详细示出公知的结构或操作以避免模糊某些方面。本公开不由所图示的动作或事件的次序所限制，因为一些动作可以以不同的次序发生和/或与其他动作或事件同时发生。此外，并不需要所有图示的动作或事件来实现根据本文所公开的实施例的方法。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作为广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的实施例提供用于先进过程控制的云计算系统，包括通讯模块110、虚拟机101、数据识别和存储模块102、预测性算法模块103；其中，虚拟机101、数据识别和存储模块102、预测性算法模块103均设置在云端100；通讯模块110用于从现场传感器读取现场数据、将虚拟机101中APC运行后输出的数据传输至现场的DCS；虚拟机101根据现场DCS系统自动配置同样的操作系统并安装有APC运行所需的软件、完全复制有与APC对接数据的接口；虚拟机101用于设置APC算法内部参数，实现数据的输入、计算、输出；数据识别和存储模块102用于识别通讯模块110所获得的现场数据是否及时、存储暂时不需要参与计算的数据，将APC运行所需及时数据输入APC进行运算；预测性算法模块103用于在数据识别和存储模块102检测到出现网络数据传输不及时或数据丢包时进行现场数据预测，给出现场数据预测值，将现场数据预测值输入APC进行运算。
图1图示了与包括用户一120、用户二130和用户三140的若干用户的示例云计算系统的框图。每个用户可以是生产商品或服务的单独公司或实体；每个用户的现场具有DCS系统，现场的DCS系统可包含先进过程控制(APC)，根据或不含先进过程控制(APC)，用户现场所实际使用的DCS供应商可以是不同于本发明中云端运行的APC的供应商。如图1中所示，云计算系统包括通讯模块110、虚拟机101、数据识别和存储模块102、预测性算法模块103；通讯模块110通过数据接口及通讯线路与用户现场DCS系统、现场传感器进行连接，通讯模块110通过互联网与云端进行数据传输。
如图3所示，本发明的实施例中还提供一种用于先进过程控制的云计算系统的运行方法，包括以下过程：
(1)用户在现场安装运行DCS系统。
(2)构建云端的虚拟机101、数据识别和存储模块102、预测性算法模块103；并将云端与现场的数据通过通讯模块110进行连接。
(3)根据现场，获取APC内部参数。
(4)云端虚拟机101根据现场DCS系统自动配置相应的操作系统，安装相适配的APC软件，并根据步骤(3)所获取的APC内部参数进行内部参数配置。
(5)数据识别和存储模块102对由通讯模块110输入的数据进行识别、存储和传输。
其中，数据识别和存储模块102对由通讯模块输入的数据进行处理的过程，具体包括以下：
(5-1)所述数据识别和存储模块102的识别过程
(5-1-1)在APC软件运行过程中，数据识别和存储模块102定期检测通讯模块110是否有现场数据输入及输入数据的时间戳上的时间信息；
(5-1-2)若输入的数据中的时间和APC软件设定一致，则将从现场上传的数据输入APC软件进行运算；
(5-1-3)若一个运算周期内，没有现场数据输入，则预测性算法模块103会利用预测模型根据之前的输入数据进行预测性计算，得出一个现场数据的预测值，并将该预测值输入APC进行运算，从而得到APC的输出数据；可行的，本发明中，预测性算法模块103中预测性算法可采用已有常规算法，如沿用最近一次的现场数据、使用预先设定的值、或者根据多个前序值加入数学公式进行预估。预测性算法也可以根据具体应用场景进行编写。
(5-2)所述数据识别和存储模块102的存储过程
(5-2-1)当有些数据不需要立即通过APC运算，如果输入的数据中的时间早于APC中设定的运算时间，则该数据会被存储在数据识别和存储模块102中；
(5-2-2)当到达预定时间，将存储的数据输入APC进行运算。
(6)在云端运行APC算法，并将运算结果返回用户现场的DCS，实现的云上先进过程控制。
如图3所示为用于先进过程控制的云计算系统在用户一120的运用。在本实施例中，用户一120为水处理企业，该水处理企业内具有用于检测污水量的液位传感器121、用于测量水处理用添加剂重量的称重传感器122、监测是否有人员靠近污水处理池的红外传感器123等现场传感器，在水处理企业中配备有DCS系统124，在水处理企业中具备与DCS系统124相连接水阀125、药物添加阀126和报警器127。在使用本发明的云计算系统时，现在云端构建用户一的虚拟机101、数据识别和存储模块102、预测性算法模块103，将用户一现场所具备的检测污水量的液位传感器121、称重传感器122、监测是否有人员靠近污水处理池的红外传感器123等现场传感器、现场DCS系统124与通讯模块110进行连接，通讯模块110通过互联网150与云端100进行连接。根据现场的情况，进行整定(获取APC内部参数)，在云端100构建的用户一的虚拟机101中根据现场DCS系统124自动配置相应的操作系统，安装相适配的APC软件，配置APC内部参数；运行云上APC，数据识别和存储模块102对通讯模块110所输入的数据进行识别，若输入的数据中的时间和APC软件设定一致，则将从现场上传的数据输入APC软件进行运算；若一个运算周期内，没有现场数据输入；预测性算法模块103根据前期所输入的数据得到预测值，将预测值输入APC进行运算，APC将运算后结果通过通讯模块输出至用户一现场的DCS系统124中，DCS系统124根据所接收到的结果数据，对现场的水阀125、药物添加阀126和报警器127进行控制。
以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于先进过程控制的云计算系统，其特征在于，包括通讯模块、虚拟机、数据识别和存储模块、预测性算法模块；其中，所述虚拟机、数据识别和存储模块、预测性算法模块均设置在云端；
所述通讯模块用于从现场传感器读取现场数据、将虚拟机中APC运行后输出的数据传输至现场的DCS；
所述虚拟机根据现场DCS系统自动配置同样的操作系统并安装有APC运行所需的软件、完全复制有与APC对接数据的接口；所述虚拟机用于设置APC算法内部参数，实现数据的输入、计算、输出；
所述数据识别和存储模块用于识别通讯模块所获得的现场数据是否及时、存储暂时不需要参与计算的数据，将APC运行所需及时数据输入APC进行运算；
所述预测性算法模块用于在数据识别和存储模块检测到出现网络数据传输不及时或数据丢包时进行现场数据预测，给出现场数据预测值，将现场数据预测值输入APC进行运算。
2.根据权利要求1所述的一种用于先进过程控制的云计算系统，其特征在于，所述通讯模块包括从现场传感器读取数据的数据接口、通讯线路。
3.根据权利要求1所述的一种用于先进过程控制的云计算系统，其特征在于，所述数据识别和存储模块用于定期检测通讯模块是否有现场数据输入及输入数据的时间戳上的时间信息；若输入的数据中的时间和APC软件设定一致，则将从现场上传的数据输入APC软件进行运算；若一个运算周期内，没有现场数据输入，则预测性算法模块会利用预测模型根据之前的输入数据进行预测性计算，得出一个现场数据的预测值，并将该预测值输入APC进行运算，从而得到APC的输出数据。
4.根据权利要求1所述的一种用于先进过程控制的云计算系统，其特征在于，所述数据识别和存储模块用于存储暂时不需要参与计算的数据：当有些数据不需要立即通过APC运算，如果输入的数据中的时间早于APC中设定的运算时间，则该数据会被存储在数据识别和存储模块中；当到达预定时间，将存储的数据输入APC进行运算。
5.根据权利要求1所述的一种用于先进过程控制的云计算系统，其特征在于，还包括一虚拟防火墙，所述虚拟防火墙用于保证云端安全，前置于虚拟机、数据识别和存储模块、预测性算法模块。
6.一种根据权利要求1所述的用于先进过程控制的云计算系统的运行方法，其特征在于，包括以下过程：
(1)用户在现场安装运行DCS系统；
(2)构建云端的虚拟机、数据识别和存储模块、预测性算法模块；并将云端与现场的数据通过通讯模块进行连接；
(3)根据现场，获取APC内部参数；
(4)云端虚拟机根据现场DCS系统自动配置相应的操作系统，安装相适配的APC软件，并根据步骤(3)所获取的APC内部参数进行内部参数配置；
(5)数据识别和存储模块对由通讯模块输入的数据进行识别、存储和传输；
(6)在云端运行APC算法，并将运算结果返回用户现场的DCS，实现的云上先进过程控制。
7.根据权利要求6所述一种用于先进过程控制的云计算系统的运行方法，其特征在于，所述步骤(3)的获取APC内部参数可根据现场情况采取以下三种实现方式中的一种实现：
a.在现场DCS环境中临时运行APC，确定内部参数值，然后将这些参数值写入云端APC；
b.在现场非DCS环境内临时搭建跟云端相同的架构，得到内部参数值后，将这些参数值写入云端APC；
c.在互联网通信效果良好时，可直接在云端确定内部参数值。
8.根据权利要求7所述的一种用于先进过程控制的云计算系统的运行方法，其特征在于，采用方式c中判定互联网通信是否良好的过程如下：将现场DCS系统的数据传输至云端，APC在运行DCS系统中个数据之前先检查数据中的时间截，如果时间截中记录的时间和系统预定的时间无差异，则说明的网络通信良好，此时可以进行云端确定内部参数值。
9.根据权利要求6所述的一种用于先进过程控制的云计算系统的根据权利要求运行方法，其特征在于，所述步骤(5)中数据识别和存储模块对由通讯模块输入的数据进行处理的过程，具体包括以下：
(5-1)所述数据识别和存储模块的识别过程
(5-1-1)在APC软件运行过程中，数据识别和存储模块定期检测通讯模块是否有现场数据输入及输入数据的时间戳上的时间信息；
(5-1-2)若输入的数据中的时间和APC软件设定一致，则将从现场上传的数据输入APC软件进行运算；
(5-1-3)若一个运算周期内，没有现场数据输入，则预测性算法模块会利用预测模型根据之前的输入数据进行预测性计算，得出一个现场数据的预测值，并将该预测值输入APC进行运算，从而得到APC的输出数据；
(5-2)所述数据识别和存储模块的存储过程
(5-2-1)当有些数据不需要立即通过APC运算，如果输入的数据中的时间早于APC中设定的运算时间，则该数据会被存储在数据识别和存储模块中；
(5-2-2)当到达预定时间，将存储的数据输入APC进行运算。
10.根据权利要求6所述的一种用于先进过程控制的云计算系统的根据权利要求运行方法，其特征在于，所述虚拟机中APC算法模块可优化。
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