CN111459102A - 一种燃气行业安全智能工业控制系统及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃气行业安全智能工业控制系统及设备，其中，控制系统包括开发层、通讯层以及通过所述通讯层与所述开发层建立通讯连接的设备层，所述设备层内置Linux系统以及软PLC系统，所述软PLC系统通过预设逻辑程序对采集的离散信号和模拟信号进行运算，并将运算结果输出执行，实现燃气行业安全智能工业控制。本发明采用嵌入式Linux系统以及软PLC系统作为系统平台，该系统平台的好处在于Linux平台集成大量的通讯库可以有效的解决与SCADA系统通讯的兼容性，软PLC可独立运行于Linux系统中进行PLC控制逻辑运算，并且可以借助Linux系统良好的高级语言编译环境开发独立于软PLC系统的网络安全认证加密功能进行网络安全防护工作。
Description
技术领域
本发明涉及燃气行业智能控制领域，特别涉及一种燃气行业安全智能工业控制系统。
背景技术
燃气行业的特点是各个燃气站多分布于偏远的山川旷野之中，环境地形复杂且情况因地而异，大多存在有高温、多蚊虫、潮湿和多雷击环境。燃气行业现在采用的SCADA系统对各个站点进行远程控制和数据采集依赖于各个站点的PLC(可编程逻辑控制器)设备和RTU设备(远程终端控制系统)，其中PLC设备负责数据采集和现场复杂情况控制的任务。
现有的PLC设备是从汽车行业自动化发展而来的，其大多针对自动化工厂环境而设计，没有考虑燃气行业各站点的分散性和环境条件的恶劣性。各站点的分散性决定了燃气SCADA系统进行远距离大面积组网的特性，而现有的PLC设备组网方面兼容性不强、组网灵活性差，无法在PLC设备内进行网络安全防护。又由于SCADA系统采集的数据量庞大，对数据准确性要求较高，而现有的PLC设备没有针对燃气行业数据准确性方面的算法，也没有断线续传功能，这就使得PLC设备上传到SCADA系统的数据真实性无法得到保证。
环境条件的恶劣性决定了现场PLC设备必须具备防尘、防潮湿、防干扰、防雷击和防蚊虫的恶劣环境兼容设计，现有PLC设备以汽车行业自动化环境条件演化而来，大多以工厂的室内环境为主，无法在燃气行业各个站点的恶劣环境下长期稳定运行。另外燃气行业的特殊性决定了数据采集过程中需要很多特殊算法来保证数据的准确性和数据的故障判断及时性，这些都是现有PLC设备不具备的。
因而现有技术还有待改进和提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种燃气行业安全智能工业控制系统及设备。
本发明所采用的技术方案如下：
一种燃气行业安全智能工业控制系统，其中，包括开发层、通讯层以及通过所述通讯层与所述开发层建立通讯连接的设备层，所述设备层内置 Linux系统以及软PLC系统，所述软PLC系统通过预设逻辑程序对采集的离散信号和模拟信号进行运算，并将运算结果输出执行，实现燃气行业安全智能工业控制。
所述的燃气行业安全智能工业控制系统，其中，所述设备层还内置有三个传感器信号正确行判断算法、传感器故障判断算法和燃气流量异常分析算法中的一种或多种。
所述的燃气行业安全智能工业控制系统，其中，所述设备层还内置有通讯安全防护系统，所述通讯安全防护系统用于对通讯数据进行端到端加密和安全防护。
所述的燃气行业安全智能工业控制系统，其中，所述设备层还内置有现场总线系统，所述现场总线系统包括用于通讯连接的通讯接口以及用于对采集的数据进行处理和上报的数据处理单元。
所述的燃气行业安全智能工业控制系统，其中，所述开发层包括用于编辑程序代码的编辑器，用于将应用程序转换为机器代码并优化可编程控制器的编译器，用于对硬件设备或现场总线协议设定参数的配置器，以及可视化界面编程。
所述的燃气行业安全智能工业控制系统，其中，所述通讯层包括软件网关服务器以及软件OPC服务器。
一种燃气行业安全智能工业控制设备，其中，包括设置有若干固定插槽的背板，以及对应插入到所述固定插槽中的电源模块、CPU模块、DI模块、DO模块、AI模块、AO模块以及通讯模块，所述CPU模块用于将所述AI模块和AO模块输入的信号经过预设逻辑程序进行运算，并将运算结果通过所述DI模块和DO模块输出执行，实现燃气行业安全智能工业控制。
所述的燃气行业安全智能工业控制设备，其中，所述DI模块和DO模块的信号采集通道采用光耦隔离。
所述的燃气行业安全智能工业控制设备，其中，所述AI模块的信号采集通道设置有用于使模拟量信号安全稳定运行的调理电路；所述AO模块的信号采集通道设置有用于将CPU模块的输出信号输出至外围电路的隔离放大电路。
所述的燃气行业安全智能工业控制设备，其中，所述通讯模块的接口处采用ESD保护电路配合内部SPI隔离和外部串口隔离电路进行隔离保护。
有益效果：与现有技术相比，本发明提供的燃气行业安全智能工业控制系统采用嵌入式Linux系统以及软PLC系统作为PLC设备的系统平台，该系统平台的好处在于Linux平台集成大量的通讯库可以有效的解决与 SCADA系统通讯的兼容性，软PLC可独立运行于Linux系统中进行PLC 控制逻辑运算，并且可以借助Linux系统良好的高级语言编译环境开发独立于软PLC系统的网络安全认证加密功能进行网络安全防护工作，该网络防护占用软PLC使用剩余的CPU资源，不影响PLC功能的稳定和正常运行。
附图说明
图1为本发明提供的一种燃气行业安全智能工业控制系统的结构框图。
图2为本发明提供的一种燃气行业安全智能工业控制系统的运行原理图。
图3为本发明提供的一种燃气行业安全智能工业控制设备的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种燃气行业安全智能工业控制系统及设备，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
如图1所示，本发明实施例提供了一种燃气行业安全智能工业控制系统，其包括开发层10、通讯层20以及通过所述通讯层20与所述开发层10 建立通讯连接的设备层30，所述设备层30内置Linux系统以及软PLC系统，所述软PLC系统通过预设逻辑程序对采集的离散信号和模拟信号进行运算，并将运算结果输出执行，实现燃气行业安全智能工业控制。
本实施例提供的燃气行业安全智能工业控制系统采用嵌入式Linux系统以及软PLC系统作为PLC设备的系统平台，该系统平台的好处在于Linux 平台集成大量的通讯库可以有效的解决与SCADA系统通讯的兼容性，软 PLC可独立运行于Linux系统中进行PLC控制逻辑运算，并且可以借助 Linux系统良好的高级语言编译环境开发独立于软PLC系统的网络安全认证加密功能进行网络安全防护工作，该网络防护占用软PLC使用剩余的 CPU资源，不影响PLC设备功能的稳定和正常运行。
本实施例中，所述软PLC系统根据用户编辑的逻辑程序进行工业自动化控制和实际传感器的数据采集，通讯系统则负责与上位机的数据通讯工作，其工作原理图如图2所示，软PLC系统包含了通用控制器的所有功能，主要包括：信号采集、逻辑控制、逻辑输出和故障诊断，所述软PLC系统通过外部DI模块和AI模块采集离散信号和模拟信号，通过用户的逻辑程序并结合燃气行业特殊算法对采集的信号进行运算和判断，并将运算和判断结果通过DO模块和AO模块进行输出执行，达到工业自动化控制的目的。
在一些实施方式中，如图1所示，所述设备层30还内置有三个传感器信号正确行判断算法、传感器故障判断算法和燃气流量异常分析算法中的一种或多种，所述设备层通过上述燃气行业算法可有效提高数据处理的准确性和异常发现的及时性，从而提高整个系统的维护效率和维护管理质量。作为举例，现场一些重要的数据采集点会安装三个传感器进行数据采集以保证数据的准确性，但是普通的控制器只负责采集数据，需要人工在三个传感器中选出故障传感器和正常传感器进行区分，然后将正确传感器的数据作为记录的准确数据进行分析或者在SCADA系统中写相关筛选代码，但是由于站点上百个，每个站点都在SCADA中运算大大增加SCADA系统的负担和不稳定性。而通过直接调用本实施例的上述算法对三个传感器数据进行比对，当一个数据跟其他两个数据相差很大的时候就判断为故障，根据这种判断方式自动筛选故障传感器和正确传感器数据，将正确的数据上报SCADA系统，故障的传感器进行故障报警处理。
在一些实施方式中，如图1所示，所述设备层30还内置有通讯安全防护系统，所述通讯安全防护系统基于国密算法和IPSec VPN对控制器的通讯数据进行端到端加密和安全防护。
在一些实施方式中，如图1所示，所述设备层30还内置有现场总线系统，所述现场总线系统包括用于通讯连接的通讯接口以及用于对采集的数据进行处理和上报的数据处理单元。具体来讲，现场总线通讯先把通过通讯采集的数据与控制器执行器进行交换，然后把执行器的执行输出数据传输到现场总线上去，该系统又分为硬件系统和软件系统。所述硬件系统包括RS232、RS485、USB和以太网等通讯接口，是通讯链接的物理层，负责数据云化互联数据链接的物理层接口兼容。另外还内置无线模块，可以进行无线组网；所述软件系统主要功能包括参数配置、协议解析、数据处理，其中，参数配置：包括路由表、VPN等组网配置功能，针对不同的网络链接进行配置；协议解析：包含工业领域常用的各种通讯协议如：ModbusTCP、 Profinet等，保证组网成功后协议的兼容和互联；数据处理：负责对采集的数据进行处理和上报，当上报数据通讯链路出现故障时自动将采集的数据存储到数据库中，等待通讯恢复以后补传丢失的数据和相应的时间戳。
在一些实施方式中，如图1所示，所述开发层10包括用于编辑程序代码的编辑器，用于将应用程序转换为机器代码并优化可编程控制器的编译器，用于对硬件设备或现场总线协议设定参数的配置器，以及可视化界面编程。具体来讲，开发层主要是PLC的程序编辑软件，为了保证PLC的程序编辑软件使用起来方便快捷，符合PLC编程者的编程习惯，PLC程序编辑软件采用符合IEC 61131-3标准的程序代码编译器，除此之外还集成了硬件/现场总线配置功能和可视化编程功能。具体功能详解如下：IEC61131-3 编辑器：提供了所有IEC61131-3所以定义的五种编程语言：如结构化文本 (ST)、顺序功能图(SFC)、功能块图(FBD)、梯形图(LD)和指令表，此外还支持连续功能图(CFC)的编程语言；编译器：负责将应用程序转换为机器代码并且优化可编程控制器的性能。当用户输入了错误的应用程序代码时，立刻会接收到编译器发出的语法错误警告及错误信息，让编程人员可以迅速做出相应纠正；硬件/现场总线配置器：针对不同制造商的硬件设备及不同现场总线协议，该部分负责对相应参数进行设定；可视化界面编程：直接在软件中即可实现可视化编程(人机界面HMI)，系统已经集成了可视化编辑器。
在一些实施方式中，如图1所示，所述通讯层包括软件网关服务器以及软件OPC服务器。具体来讲，开发层和设备层之间的通讯是由软件网关服务器进行链接，通讯网关中安装了OPC服务器；所述软件网关服务器作用在应用开发层和硬件设备层之间，可以使用TCP/IP协议或通过CAN等总线实现远程访问，是软件开发工具包不可分割的一部分；所述软件OPC服务器无需考虑所使用的硬件CPU，已经集成并实现了OPCV2.0规范的多客户端功能，且能同时访问多个控制器。
在本发明中，所述燃气行业安全智能工业控制系统提供的数据断网补传特征保证了燃气行业重要数据的完整性，缩短了运维的故障追溯时间和相应的时间，重要的是故障大多会伴随这断网的出现，数据在本地保存断网补传保证了大多数故障的数据记录为分析提供必要保障；且所述燃气行业安全智能工业控制系统的网络安全防护特征减少了来自庞大通讯网络的安全隐患，再不添加额外设备的前提下实现网络异常报警和防护功能，避免了恶意网络攻击造成重大事故。
在一些实施方式中，如图3所示，本发明实施例还提供一种燃气行业安全智能工业控制设备，其包括设置有若干固定插槽1的背板2，以及对应插入到所述固定插槽1中的电源模块3、CPU模块4、DI模块5、DO模块 6、AI模块7、AO模块8以及通讯模块9，所述CPU模块4用于将所述 AI模块7和AO模块8输入的信号经过预设逻辑程序进行运算，并将运算结果通过所述DI模块5和DO模块6输出执行，实现燃气行业安全智能工业控制。
具体来讲，本实施例中的燃气行业安全智能工业控制设备采用ARM架构，其硬件电路和外形针对燃气行业的特殊环境进行特殊设计，保证PLC 设备在燃气行业的恶劣环境下高效稳定运行。所述电源模块为整个系统提供安全稳定的直流24V电源，所述CPU模块通过背板进行供电，是整系统的核心，负责将DI和AI输入的信号经过用户的逻辑程序进行运算，并根据运算结果控制对应的DO和AO进行输出；所述DI模块和AI模块通过背板供电，与CPU模块通过背板总线进行通信和数据交换，其主要功能是采集离散量输入信号(DI)和模拟量输入信号(AI)，将采集的信号交给 CPU模块进行处理；所述DO模块和AO模块通过背板供电，与CPU模块通过背板总线进行通信和数据交换，其主要功能是将CPU模块运算的结果输出到外部执行部件进行输出执行操作；所述通讯模块为特殊功能块，可以拓展通信接口和通信协议，比如常用的工业总线Modbus、CANOpen等，可以通过拓展模块进行接口通信接入。
在一些实施方式中，所述DI模块和DO模块的信号采集通道采用光耦隔离。具体来讲，离散输入(DI)和输出(DO)信号采集通道采用光耦隔离， CPU模块输出跟外部电路进行隔离，防止CPU模块由于外部电路的电压冲击而烧坏，离散通道的各个通道之间又互相隔离，一个通道损坏不影响其他通道的正常运行。
在一些实施方式中，所述AI模块的信号采集通道设置有用于使模拟量信号安全稳定运行的调理电路，所述调理电路由滤波电容、自恢复保险丝、 TVS管、精密电阻、高速运放、稳压管等元件组成，保证模拟量信号的准确性和主芯片的安全稳定运行；所述AO模块的信号采集通道设置有用于将CPU模块的输出信号输出至外围电路的隔离放大电路，所述隔离放大电路可保证CPU模块的安全稳定运行，各个通道之间又相互隔离，一个通道损坏不影响其他通道的正常运行。
在一些实施方式中，所述通讯模块的接口处采用ESD保护电路配合内部SPI隔离和外部串口隔离电路进行隔离保护。具体来讲，SPI隔离采用 MAX14850，该隔离器采用Maxim的专有工艺，单芯片设计在不同电源供电的电路之间提供结构紧凑、低成本的数字信号传输方案。具有低功耗和稳定的高温特性。该隔离器四个通道中以两路为一组，在每个方向提供隔离数据传输。两个双向通道采用开漏输出，每路可支持DC至2Mbps通信速率。工作温度为-40℃至+125℃可以适应现场的恶劣温度。串口隔离采用ISO7221数字隔离器，该隔离器是一款高性能双通道数字隔离器，可提供符合UL1577标准的5000VRMS(DW和DWV封装)和3000VRMS (D封装)隔离额定值。通过VDE、TUV、CSA和CQC认证。在隔离CMOS 或者LVCMOS数字I/O的同时，还可提供高电磁抗扰度和低辐射，同时具备低功耗特性。每个隔离通道都有一个由二氧化硅(SiO2)绝缘隔栅分开的逻辑输入和输出缓冲器。配合隔离式电源一起使用时，这些器件有助于防止数据总线或者其他电路上的噪声电流进入本地接地并且干扰或损坏敏感电路。凭借创新型芯片设计和布线技术，可缓解系统级ESD、EFT和浪涌问题并符合辐射标准。进一步地，在防雷方面设计有防雷保护电路，防雷保护电路采用三层设计：第一层用三个玻璃放电管组成一个三角形电路作为一级保护，可以把雷击电压降到数百伏；第二层用耐高压的TVS管，可以把传输线上的电压降到数十伏；第三层加上适当的电感或保险丝，用于进一步保护收发器。
本实施例提供的隔离防护特征在燃气行业恶劣环境下可有效减少设备的故障率和故障停机时间，进而减少维护保养成本和后期运维支出。
综上所述，本发明提供的燃气行业安全智能工业控制系统采用嵌入式Linux系统以及软PLC系统作为系统平台，该系统平台的好处在于Linux 平台集成大量的通讯库可以有效的解决与SCADA系统通讯的兼容性，软 PLC可独立运行于Linux系统中进行PLC控制逻辑运算，并且可以借助 Linux系统良好的高级语言编译环境开发独立于软PLC系统的网络安全认证加密功能进行网络安全防护工作，该网络防护占用软PLC使用剩余的 CPU资源，不影响PLC功能的稳定和正常运行。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种燃气行业安全智能工业控制系统，其特征在于，包括开发层、通讯层以及通过所述通讯层与所述开发层建立通讯连接的设备层，所述设备层内置Linux系统以及软PLC系统，所述软PLC系统通过预设逻辑程序对采集的离散信号和模拟信号进行运算，并将运算结果输出执行，实现燃气行业安全智能工业控制。
2.根据权利要求1所述的燃气行业安全智能工业控制系统，其特征在于，所述设备层还内置有三个传感器信号正确行判断算法、传感器故障判断算法和燃气流量异常分析算法中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的燃气行业安全智能工业控制系统，其特征在于，所述设备层还内置有通讯安全防护系统，所述通讯安全防护系统用于对通讯数据进行端到端加密和安全防护。
4.根据权利要求1所述的燃气行业安全智能工业控制系统，其特征在于，所述设备层还内置有现场总线系统，所述现场总线系统包括用于通讯连接的通讯接口以及用于对采集的数据进行处理和上报的数据处理单元。
5.根据权利要求1所述的燃气行业安全智能工业控制系统，其特征在于，所述开发层包括用于编辑程序代码的编辑器，用于将应用程序转换为机器代码并优化可编程控制器的编译器，用于对硬件设备或现场总线协议设定参数的配置器，以及可视化界面编程。
6.根据权利要求1所述的燃气行业安全智能工业控制系统，其特征在于，所述通讯层包括软件网关服务器以及软件OPC服务器。
7.一种燃气行业安全智能工业控制设备，其特征在于，包括设置有若干固定插槽的背板，以及对应插入到所述固定插槽中的电源模块、CPU模块、DI模块、DO模块、AI模块、AO模块以及通讯模块，所述CPU模块用于将所述AI模块和AO模块输入的信号经过预设逻辑程序进行运算，并将运算结果通过所述DI模块和DO模块输出执行，实现燃气行业安全智能工业控制。
8.根据权利要求7所述的燃气行业安全智能工业控制设备，其特征在于，所述DI模块和DO模块的信号采集通道采用光耦隔离。
9.根据权利要求7所述的燃气行业安全智能工业控制设备，其特征在于，所述AI模块的信号采集通道设置有用于使模拟量信号安全稳定运行的调理电路；所述AO模块的信号采集通道设置有用于将CPU模块的输出信号输出至外围电路的隔离放大电路。
10.根据权利要求7所述的燃气行业安全智能工业控制设备，其特征在于，所述通讯模块的接口处采用ESD保护电路配合内部SPI隔离和外部串口隔离电路进行隔离保护。
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2020
- 2020-03-10 CN CN202010163770.3A patent/CN111459102A/zh active Pending
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