CN111596627A - 实际控制器和虚拟控制器混合组网系统及其数据通讯的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实际控制器和虚拟控制器混合组网的过程控制系统，包括：后台监控服务子系统、逻辑组态调试子系统、实际控制器集群、虚拟控制器集群以及监控网络，其中：所述实际控制器集群包括一个以上带有实际I/O单元的实际控制器，所述虚拟控制器集群包括一个以上带有虚拟I/O板卡的虚拟控制器，所述后台监控服务子系统、所述逻辑组态调试子系统、所述实际控制器集群中一个以上的实际控制器以及所述虚拟控制器集群中一个以上的虚拟控制器均直接连接至所述监控网络。本发明通过利用实际控制器和虚拟控制器各自的特点并合理分配实际控制器和虚拟控制器执行的控制逻辑，能够提高系统控制精度，减少实际控制器配置数量，降低系统成本。

Description

实际控制器和虚拟控制器混合组网系统及其数据通讯的方法

技术领域

本发明属于工业过程自动化控制技术领域，特别是涉及一种实际控制器和虚拟控制器混合组网系统及其数据通讯的方法。

背景技术

随着工业生产过程对自动化水平的要求不断提高，分散控制系统(DistributedControl System，DCS)在各个领域得到了广泛的应用。在现有技术中，常规控制系统的控制逻辑运算任务全部在实际控制器执行，虚拟控制器作为实际控制器的仿真器，仅用于控制逻辑的前期离线调试或系统仿真培训。如图1(a)和图1(b)所示，根据不同应用场景，分散控制系统或为全实际控制器系统，即只有实际控制器集群进行控制逻辑运算，或为全虚拟控制器系统，即只有虚拟控制器集群进行控制逻辑运算。

对于实际控制器来说，其在DCS应用中存在以下两个问题：1、限于实际控制器的软硬件性能，难以运算对资源要求较高的高级智能控制逻辑；2、对于可靠性要求不高的常规控制逻辑由实际控制器运算的造价较高。对于虚拟控制器来说，其运行于服务器，满足高级智能控制逻辑的运行需要，且多台虚拟控制器可同时运行于同一台服务器，造价较实际控制器来说较低。然而，虚拟控制器无法采集和输出硬接点信号，应用场景有限。

发明内容

在现有技术中，全实际控制器系统用于现场实际生产过程控制，而全虚拟控制器系统用于仿真教学及算法逻辑验证，两者在数据交互上的不一致导致无法同时共网运行，两类控制器无法进行数据共享，难以合理利用系统资源，导致高级智能控制逻辑得不到充分应用，对可靠性要求不高的系统建设及维护成本较高。

因此，本申请提出一种实际控制器和虚拟控制器混合组网系统及其数据通讯的方法，将实际控制器和虚拟控制器一起进行混合组网，实际控制器采集和/或输出硬接点信号和通讯信号，并运算部分常规控制逻辑，虚拟控制器运算高级智能控制逻辑和对可靠性要求不高的常规控制逻辑，充分利用系统内服务器的资源，减少对实际控制器的投入。通过利用实际控制器和虚拟控制器各自的特点并合理分配实际控制器和虚拟控制器执行的控制逻辑，能够提高系统控制精度，减少实际控制器配置数量，降低系统成本。

根据本发明的第一个方面，提供一种实际控制器和虚拟控制器混合组网的过程控制系统，包括：

实际控制器集群，其包括一个以上带有实际I/O单元的实际控制器；

虚拟控制器集群，其包括一个以上带有虚拟I/O板卡的虚拟控制器；以及

监控网络，所述实际控制器集群中一个以上的实际控制器以及所述虚拟控制器集群中一个以上的虚拟控制器均直接连接至所述监控网络；

其中，所述一个以上的虚拟控制器中的任一者用于向所述一个以上的实际控制器中的任一者请求控制逻辑运算输入信号，接收所述控制逻辑运算输入信号，基于所接收的控制逻辑运算输入信号执行控制逻辑运算，并将运算结果发送至所述一个以上的实际控制器中的任一者进行输出。

根据本发明的第二个方面，提供一种在实际控制器和虚拟控制器混合组网的过程控制系统中进行数据通讯的方法，所述实际控制器和虚拟控制器混合组网的过程控制系统包括后台监控服务子系统、逻辑组态调试子系统、实际控制器集群、虚拟控制器集群以及监控网络，其中：所述实际控制器集群包括一个以上带有实际I/O单元的实际控制器，所述虚拟控制器集群包括一个以上带有虚拟I/O板卡的虚拟控制器，所述后台监控服务子系统、所述逻辑组态调试子系统、所述实际控制器集群中一个以上的实际控制器以及所述虚拟控制器集群中一个以上的虚拟控制器均直接连接至所述监控网络，所述一个以上的实际控制器、所述一个以上的虚拟控制器、所述后台监控服务子系统以及所述逻辑组态调试子系统中的任一者作为数据请求端，所述方法包括：

所述数据请求端向目标控制器发送广播报文，其中，所述目标控制器为所述一个以上的实际控制器以及所述一个以上的虚拟控制器中不同于所述数据请求端的任一者；

所述数据请求端接收所述目标控制器发送的应答报文，所述应答报文包括所述目标控制器的IP地址以及端口号；

所述数据请求端根据所接收的所述目标控制器的IP地址以及端口号与所述目标控制器进行数据交互。

附图说明

为进一步清楚解释本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所提供的附图仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。

在下面的附图中：

图1(a)是现有技术中全实际控制器系统的示意图。

图1(b)是现有技术中全虚拟控制器系统的示意图。

图2是根据本发明实施例的实际控制器和虚拟控制器混合组网的过程控制系统的架构示意图。

图3是根据本发明一个实施例的实际控制器和虚拟控制器混合组网的过程控制系统的硬件结构框图。

图4是根据本发明另一个实施例的实际控制器和虚拟控制器混合组网的过程控制系统的硬件结构框图。

图5是根据本发明实施例的根据实际控制器和虚拟控制器混合组网的过程控制系统的数据通讯方法的流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例来说明本发明所公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容了解本发明的优点与效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的构思下进行各种修改与变更。另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本发明的保护范围。

图2是根据本发明实施例的实际控制器和虚拟控制器混合组网的过程控制系统的架构示意图。如图2所示，所述系统包括实际控制器集群、虚拟控制器集群以及监控网络，其中：所述实际控制器集群包括一个以上带有实际I/O单元和分散处理单元(DistributedProcess Unit，DPU)的实际控制器，所述虚拟控制器集群包括一个以上带有虚拟I/O板卡的虚拟控制器，所述实际控制器集群中一个以上的实际控制器以及所述虚拟控制器集群中一个以上的虚拟控制器均直接连接至所述监控网络。

在一个具体实施例中，将虚拟控制器内控制逻辑运算所必需但虚拟控制器无法直接采集和/或输出的信号定义为控制逻辑运算输入信号。对于控制逻辑运算输入信号，一个以上的虚拟控制器中的任一者用于向一个以上的实际控制器中的任一者请求控制逻辑运算输入信号，实际控制器获取该请求的控制逻辑运算输入信号，并将该控制逻辑运算输入信号发送给虚拟控制器，虚拟控制器接收该控制逻辑运算输入信号，基于所接收的控制逻辑运算输入信号执行控制逻辑运算，并将运算结果发送至所述一个以上的实际控制器中的任一者进行输出。可见，通过控制器之间的数据共享由实际控制器中获取控制逻辑运算输入信号，并将运算后的控制信号或调节信号通过控制器之间的数据共享发送至实际控制器，进而将指令传输至现场执行机构。

进一步地，为了便于实际控制器集群中一个以上的实际控制器和虚拟控制器集群中一个以上的虚拟控制器之间的通信，在一个具体实施例中，实际控制器集群中每一个实际控制器以及虚拟控制器集群中每一个虚拟控制器都被配置对应的IP地址和端口号。在实际控制器和虚拟控制器建立数据传输之前，实际控制器和虚拟控制器分别获取对方的IP地址和端口号，并将自己的IP地址和端口号告知对方，这样，双方基于IP地址以及端口号进行数据交互，关于这一点在图5有详细描述。

如图2所示，所述实际控制器和虚拟控制器混合组网的过程控制系统还包括后台监控服务子系统和逻辑组态调试子系统，后台监控服务子系统、逻辑组态调试子系统、实际控制器集群中一个以上的实际控制器以及虚拟控制器集群中一个以上的虚拟控制器均直接连接至监控网络。

在本申请的过程控制系统中，后台监控服务子系统、逻辑组态调试子系统及虚拟控制器集群可集中部署于同一台服务器，也可自由搭配分布在多台服务器。图3是根据本发明一个实施例的实际控制器和虚拟控制器混合组网的过程控制系统的硬件结构框图。如图3所示，系统配置了一台服务器，即服务器1，服务器1部署后台监控服务子系统的所有模块、逻辑组态调试子系统的所有模块及虚拟控制器集群，即服务器1是本实施例系统中的工程师站、历史站、操作员站及虚拟控制器站；一个以上的实际控制器机柜组成实际控制器集群；监控网络配置为热备用冗余双网；服务器1及实际控制器集群中的所有实际控制器均直接连接到监控冗余网。实际控制器之间、虚拟控制器之间以及实际控制器和虚拟控制器之间的数据共享均通过监控冗余网通讯实现，另外，实际控制器、虚拟控制器与后台监控服务子系统、逻辑组态调试子系统的数据交互也通过监控冗余网实现。

图4是根据本发明另一个实施例的实际控制器和虚拟控制器混合组网的过程控制系统的硬件结构框图。与图3相比，图4的不同之处在于，系统配置了四台服务器，其中服务器1’部署后台监控服务子系统的所有模块及逻辑组态调试子系统的所有模块，包括后台监控服务子系统的画面编辑模块、画面监控模块、报警模块、历史模块、报表模块、趋势模块,逻辑组态调试子系统的逻辑组态模块、逻辑调试模块及文件管理模块，即服务器1’是本实施例系统中的工程师站及历史站；服务器2’部署后台监控服务子系统中的画面监控模块、报警模块、报表模块、趋势模块，即服务器2’是本实施例系统中的操作员站。服务器3’和服务器4’用于部署虚拟控制器集群，其中，服务器3’部署一部分虚拟控制器集群，本集群中的虚拟控制器可以用于运算，例如，高级智能控制逻辑，即服务器3’是本实施例系统中的虚拟控制器站；服务器4’部署另一部分虚拟控制器集群，本集群中的虚拟控制器负责运算，例如，对可靠性要求不高的常规控制逻辑，即服务器4’是本实施例系统中的又一虚拟控制器站。

在图4的实施例中，若干实际控制器机柜组成实际控制器集群；监控网络配置为热备用冗余双网；服务器1’、服务器2’、服务器3’、服务器4’及实际控制器集群中的所有实际控制器均直接连接到监控冗余网；实际控制器之间、虚拟控制器之间以及实际控制器和虚拟控制器之间的数据共享均通过监控冗余网通讯实现；实际控制器、虚拟控制器与后台监控服务子系统、逻辑组态调试子系统的数据交互也通过监控冗余网实现。

需要注意的是，除了图3和图4所示的后台监控服务子系统、逻辑组态调试子系统及虚拟控制器集群在服务器中的部署方式，还可以有其他部署方式，例如，后台监控服务子系统和逻辑组态调试子系统部署于同一台服务器，而虚拟控制器集群部署于一台服务器；再如，后台监控服务子系统和逻辑组态调试子系统部署于同一台服务器，而虚拟控制器集群部署于多台服务器，这些都属于本申请覆盖的范围。

在图3和图4中，实际控制器既可以采集和/或输出硬接点信号，又可以通过通讯板卡采集和/或输出通讯信号，并运算部分常规控制逻辑；虚拟控制器可以通过虚拟板卡采集和/或输出部分通讯信号，并运算部分常规控制逻辑及/或高级智能控制逻辑。对于控制逻辑运算输入信号，通过控制器之间的数据共享由实际控制器中获取，并将运算后的控制信号或调节信号通过控制器之间的数据共享发送至实际控制器，进而将指令传输至现场执行机构。

根据一个实施例，后台监控服务子系统、实际控制器集群与虚拟控制器集群之间支持一种以上的通讯规约，所述通信规约包括IEC61850规约、Modbus规约以及私有规约。

根据一个实施例，虚拟控制器集群中的虚拟控制器用于运算常规控制逻辑以及/或者高级智能控制逻辑，其中，所述高级智能控制逻辑包括模糊控制、预测控制、神经网络控制和支持向量机控制。

根据一个实施例，后台监控服务子系统包括画面编辑模块、画面监控模块、报警模块、历史模块、报表模块和趋势模块。

根据一个实施例，逻辑组态调试子系统包括逻辑组态模块、逻辑调试模块以及文件管理模块，所述逻辑组态调试子系统支持单步、单页、单指令及断点调试功能。

在实际控制器和虚拟控制器混合组网的过程控制系统，实际控制器用于运算部分常规控制逻辑，虚拟控制器运算部分常规控制逻辑及/或高级智能控制逻辑，通过合理分配实际控制器和虚拟控制器执行的控制逻辑，充分利用系统内服务器的资源，应用高级智能控制逻辑，提高系统控制精度，虚拟控制器分担部分常规控制逻辑，减少实际控制器配置数量，从而降低系统成本。

在后台监控服务子系统、逻辑组态调试子系统、实际控制器集群、虚拟控制器集群以及监控网络根据图2、图3或图4所示的结构进行组网后，后台监控服务子系统、逻辑组态调试子系统、实际控制器和虚拟控制器需要知道如何找到对方，然后才能进行后续数据通讯。在本发明所示的实际控制器和虚拟控制器混合组网的过程控制系统中，后台监控服务子系统、逻辑组态调试子系统、实际控制器集群中每一个实际控制器以及虚拟控制器集群中每一个虚拟控制器都会被配置有各自的IP地址和端口号。在进行后续的数据交互之前，实际控制器集群中的实际控制器、虚拟控制器集群中的控制器、后台监控服务子系统以及逻辑组态调试子系统中的任一者作为数据请求端，需要获取目的控制器的IP地址和端口号，获取目的控制器的IP地址和端口号的流程如图5所示。

图5是根据本发明实施例的根据实际控制器和虚拟控制器混合组网的过程控制系统的数据通讯方法的流程图。如图5所示，该方法包括如下步骤：

步骤S501，数据请求端向目标控制器发送广播报文。

其中，所述目标控制器属于所述一个以上的实际控制器以及所述一个以上的虚拟控制器，是所述数据请求端希望进行数据交互的控制器。

目标控制器在接收到广播报文后，向数据请求端发送一个应答报文，该应答报文包括该目标控制器的IP地址以及端口号。对于实际控制器来说，可以为每一个实际控制器分配固定的端口号。然而，对于部署于同一台服务器的多个虚拟控制器来说，它们的IP地址是相同的，服务器的同一个端口只能被一个进程绑定，为解决上述问题，可以为部署于同一台服务器的虚拟控制器配置一个虚拟端口扩展模块，用于接收域内的控制器信息询问报文，并转发给各虚拟控制器，由各虚拟控制器进行直接进行回复，且后续数据交互过程不再经虚拟端口扩展模块中转，以提高数据交互速率。也就是说，同一台服务器的多个虚拟控制器在运行时会被分配或随机分配不同的端口号，这个端口号是进行后续数据交互的端口号。

在一个具体实施例中，目标控制器的端口号的数量为一个，发送数据时和接收数据时都采用这个端口号。在一个优选的实施例中，目标控制器的端口号可以包括发送端口号和接收端口号，即发送数据时和接收数据时分别采用的端口号。这样，目标控制器在发送应答报文的过程中，该应答报文包含的端口号可以是表示与发送端口号的差值，数据请求端通过该差值计算出接收端口号，或者直接是接收端口号。

另外，目标控制器在接收到广播报文后，可以通过该广播报文解析数据请求端的IP地址和端口号。

步骤S502，接收所述目标控制器发送的应答报文。

数据请求端在接收到应答报文后，从该应答报文中获得该目标控制器的IP地址以及端口号。

步骤S503，根据所接收的所述目标控制器的IP地址以及端口号与所述目标控制器进行后续的数据交互。

在获得目标控制器的IP地址以及端口号，数据请求端就可以通过IP地址以及端口号直接与目标控制器进行数据交互。

通过为后台监控服务子系统、逻辑组态调试子系统、实际控制器和虚拟控制器分配IP地址和端口号，并且获知相互之间的IP地址和端口号，后台监控服务子系统、逻辑组态调试子系统、实际控制器和虚拟控制器可以依据IP地址和端口号进行数据通讯。这样，后台监控服务子系统及逻辑组态调试子系统不区分实际控制器和虚拟控制器，实际控制器之间、虚拟控制器之间以及实际控制器和虚拟控制器之间的数据共享机制完全一致。从而，实际控制器和虚拟控制器在数据交互一致，能够同时共网运行。

另外，对于控制逻辑运算输入信号，通过控制器之间的数据共享由实际控制器中获取，并将运算后的控制信号或调节信号通过控制器之间的数据共享发送至实际控制器，进而将指令传输至现场执行机构。具体来说，虚拟控制器向目标实际控制器请求控制逻辑运算输入信号；接收来自目标实际控制器的所述信号；以及基于所接收的信号执行控制逻辑运算。然后，虚拟控制器将所述控制逻辑运算的结果发送到所述目标实际控制器，由所述目标实际控制器进行输出。

根据本发明的一种实际控制器和虚拟控制器混合组网系统及其数据通讯的方法，将实际控制器和虚拟控制器一起进行混合组网，实际控制器采集和/或输出硬接点信号和通讯信号，并运算部分常规控制逻辑，虚拟控制器运算高级智能控制逻辑和对可靠性要求不高的常规控制逻辑，充分利用系统内服务器的资源，减少对实际控制器的投入。通过利用实际控制器和虚拟控制器各自的特点并合理分配实际控制器和虚拟控制器执行的控制逻辑，能够提高系统控制精度，减少实际控制器配置数量，降低系统成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种实际控制器和虚拟控制器混合组网的过程控制系统，包括：

实际控制器集群，其包括一个以上带有实际I/O单元的实际控制器；

虚拟控制器集群，其包括一个以上带有虚拟I/O板卡的虚拟控制器；以及

监控网络，所述实际控制器集群中一个以上的实际控制器以及所述虚拟控制器集群中一个以上的虚拟控制器均直接连接至所述监控网络；

其中，所述一个以上的虚拟控制器中的任一者用于向所述一个以上的实际控制器中的任一者请求控制逻辑运算输入信号，接收所述控制逻辑运算输入信号，基于所接收的控制逻辑运算输入信号执行控制逻辑运算，并将运算结果发送至所述一个以上的实际控制器中的任一者进行输出。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述实际控制器集群中每一个实际控制器以及所述虚拟控制器集群中每一个虚拟控制器都被配置对应的IP地址和端口号。

3.如权利要求1所述的系统，还包括后台监控服务子系统和逻辑组态调试子系统，其中，所述后台监控服务子系统、所述逻辑组态调试子系统、所述实际控制器集群中一个以上的实际控制器以及所述虚拟控制器集群中一个以上的虚拟控制器均直接连接至所述监控网络。

4.如权利要求3所述的系统，其中，所述后台监控服务子系统、所述逻辑组态调试子系统以及所述虚拟控制器集群集中部署于同一台服务器或者分布部署于多台服务器。

5.如权利要求4所述的系统，其中，所述后台监控服务子系统和所述逻辑组态调试子系统部署于第一服务器，所述虚拟控制器集群分布部署于不同于所述第一服务器的一台或多台第二服务器。

6.如权利要求3所述的系统，其中，所述后台监控服务子系统、所述实际控制器集群与所述虚拟控制器集群之间支持一种以上的通讯规约，所述通信规约包括IEC61850规约、Modbus规约以及私有规约。

7.如权利要求3所述的系统，其中，所述虚拟控制器集群中的虚拟控制器用于运算高级智能控制逻辑，其中，所述高级智能控制逻辑包括模糊控制、预测控制、神经网络控制和支持向量机控制。

8.如权利要求3至7任一者所述的系统，其中，所述后台监控服务子系统包括画面编辑模块、画面监控模块、报警模块、历史模块、报表模块和/或趋势模块。

9.如权利要求3至7任一者所述的系统，其中，所述逻辑组态调试子系统包括逻辑组态模块、逻辑调试模块以及文件管理模块。

10.如权利要求1至7任一者所述的系统，其中，所述监控网络被配置为热备用冗余双网。

11.一种在实际控制器和虚拟控制器混合组网的过程控制系统中进行数据通讯的方法，所述实际控制器和虚拟控制器混合组网的过程控制系统包括后台监控服务子系统、逻辑组态调试子系统、实际控制器集群、虚拟控制器集群以及监控网络，其中：所述实际控制器集群包括一个以上带有实际I/O单元的实际控制器，所述虚拟控制器集群包括一个以上带有虚拟I/O板卡的虚拟控制器，所述后台监控服务子系统、所述逻辑组态调试子系统、所述实际控制器集群中一个以上的实际控制器以及所述虚拟控制器集群中一个以上的虚拟控制器均直接连接至所述监控网络，所述一个以上的实际控制器、所述一个以上的虚拟控制器、所述后台监控服务子系统以及所述逻辑组态调试子系统中的任一者作为数据请求端，所述方法包括：

所述数据请求端向目标控制器发送广播报文，其中，所述目标控制器为所述一个以上的实际控制器以及所述一个以上的虚拟控制器中不同于所述数据请求端的任一者；

所述数据请求端接收所述目标控制器发送的应答报文，所述应答报文包括所述目标控制器的IP地址以及端口号；

所述数据请求端根据所接收的所述目标控制器的IP地址以及端口号与所述目标控制器进行数据交互。

12.如权利要求11所述的方法，其中，部署于同一台服务器的多个虚拟控制器被配置相同的IP地址和彼此不同的端口号。

13.如权利要求11或12所述的方法，其中，所述端口号为所述目标控制器接收数据时所采用的端口号。

14.如权利要求11或12所述的方法，对于所述一个以上的虚拟控制器的任一者来说，所述方法还包括：

向目标实际控制器请求控制逻辑运算输入信号；

接收所述信号；以及

基于所接收的信号执行控制逻辑运算。

15.如权利要求14所述的方法，还包括：

将所述控制逻辑运算的结果发送到所述目标实际控制器，由所述目标实际控制器进行输出。

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