CN112099444B - 高可靠流程工业先进控制器集群管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高可靠流程工业先进控制器集群管理方法，包括：S1：将特定工业被控单元的基础数据打包成先进控制器镜像；S2：根据先进控制器镜像和先进控制器实例的个数要求，在服务器集群中创建先进控制器实例，其中同一先进控制器镜像的多个实例分布于服务器集群的不同物理主机上；S3：同一镜像的多个先进控制器实例在每一控制周期将计算输出的控制指令集发送到通信网关的同一信道中，由通信网关进行协调后转发至底层SCADA系统执行控制；如无物理故障则重复运行此步骤，如有物理故障则进行下一步骤；S4：故障恢复：创建新的先进控制器实例，同步活动先进控制器的状态参数。本发明提高了可靠性，且便于维护。

Description

高可靠流程工业先进控制器集群管理方法
技术领域
本发明涉及智能制造领域，特别涉及一种高可靠流程工业先进控制器集群管理方法。
背景技术
现代工业生产具有工艺流程长、工序多、多变量耦合严重、生产控制指标分散、生产调度复杂的特点，对工业生产过程的操控具有极高的要求。智能工厂通过大量使用先进控制器解决工业生产变负荷、多工况、高精度的复杂生产控制难题。如公开号CN103970077A的发明公开了一种先进控制技术在工控系统中的一体化实现方法，包括：针对先进控制技术运行在一控制系统中的问题进行数据建模；设计先进控制组态元件的结构，实现先进控制算法；结合先进控制技术的控制应用，在工控系统组态软件中通过先进控制组态元件的特点构建先进控制策略；验证所述控制系统的各项设计的运行情况，同时测试先进控制技术应用在该控制系统前后，控制系统性能指标的变化。
然而，先进控制器在应用过程中存在控制器物理分布散乱，维护工作繁重，难以集中运维的问题。先进控制器在硬件出现单点故障时往往需要很长时间才能恢复正常工作，严重影响生产运行。且一台计算机往往只安装一套先进控制器，计算资源利用率较低。
发明内容
针对现有技术维护困难的问题，本发明提供了一种高可靠流程工业先进控制器集群管理方法，通过设置先进控制器镜像并将先进控制器实例分布于多个物理主机的运作方式，为后续维护提供了便利。
以下是本发明的技术方案。
一种高可靠流程工业先进控制器集群管理方法，包括以下步骤：
S1：将特定工业被控单元的基础数据打包成先进控制器镜像；S2：根据先进控制器镜像和先进控制器实例的个数要求，在服务器集群中创建先进控制器实例，其中同一先进控制器镜像的多个实例分布于服务器集群的不同物理主机上；S3：同一镜像的多个先进控制器实例在每一控制周期将计算输出的控制指令集发送到通信网关的同一信道中，由通信网关进行协调后转发至底层SCADA系统执行控制；如无物理故障则重复运行此步骤，如有物理故障则进行下一步骤；S4：故障恢复：创建新的先进控制器实例，同步活动先进控制器的状态参数。
上述内容中为了便于描述将步骤进行了顺序区分，但实际实施过程中可根据情况进行调整，因此不限于此顺序。本发明通过集群运维的思路，解决原来长流程、多工序的工业生产中，大量工业先进控制器分散部署、管理困难的难题，同时也利于故障后的数据恢复，降低风险和维护成本。
作为优选，所述基础数据包括：控制器元数据、对象模型、IO接口清单和控制算法。
作为优选，步骤S3中，通信网关在先进控制器的控制周期中采取的协调过程包括：CS1：判断信道是否接收到由先进控制器实例发送来的控制指令集，如果在时间窗口内没有接收到控制指令集，则认为发生控制中断事件，立即进行报警提醒，如果在时间窗口内接收到控制指令集，则转至下一步；CS2：判断信道是否接收到活动先进控制器发送来的控制指令集，若判断结果为是，则立即将此控制指令集发送至底层SCADA系统，同时，通信网关保持活动先进控制器记录不变，若判断结果为否则转至下一步；CS3：通信网关继续在信道上进行等待，如果时间窗口内接收到活动先进控制器发送来的控制指令集，则将活动先进控制器发送来的控制指令集发送至底层SCADA系统，结束等待，通信网关保持活动先进控制器记录不变，如果时间窗口没有接收到活动先进控制器发送来的控制指令集，则转至下一步；CS4：通信网关将队列前端的非活动先进控制器控制指令集发送至底层SCADA系统，同时，通信网关将活动先进控制器记录替换为队列前端的控制指令集对应的先进控制器实例。
通过控制指令集的发送时机和发送源头等进行判断，从而进行准确协调，有效克服传统工业先进控制器服务器计算资源占用率高，利用率低的问题。
作为优选，步骤S4的过程包括：SS1：新先进控制器实例请求同步活动先进控制器状态参数；SS2：活动先进控制器获取到同步请求，在新控制指令集输出，状态参数更新后，将状态参数数据包发送给新先进控制器实例；SS3：新先进控制器实例接收到活动先进控制器发送的状态参数数据包后判断接收时间是否小于允许时间，如果判断结果为否，则返回SS1继续请求同步状态数据，如果判断结果为是，则将自身状态参数更新为活动先进控制器的最新状态参数，并在数据包中的下一控制周期时间上启动执行控制算法，先进控制器故障恢复结束。
通过时间的判断以验证数据包的时效性，并最终完成新先进控制器实例的部署，有效解决传统工业先进控制器由于计算机单点硬件故障导致先进控制器恢复工作时间较长的问题。
作为优选，所述状态参数数据包由活动先进控制器下一控制周期的时间戳、超时时间窗口和活动先进控制器最新状态参数组成。
作为优选，所述允许时间由状态参数数据包中下一控制周期的时间戳减去超时时间窗口确定。
本发明的实质性效果包括：有效解决传统工业先进控制器由于计算机单点硬件故障导致先进控制器恢复工作时间较长的问题。通过集群运维方法，解决原来长流程、多工序的工业生产中，大量工业先进控制器分散部署、管理困难的难题。有效克服传统工业先进控制器服务器计算资源占用率高，利用率低的问题。
附图说明
图1是本发明实施例的通信网关控制指令协调方法流程图。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本申请的技术方案进行描述。另外，为了更好的说明本发明，在下文中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未做详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
实施例：
一种高可靠流程工业先进控制器集群管理方法，包括以下步骤：
S1：将特定工业被控单元的基础数据打包成先进控制器镜像，基础数据包括：控制器元数据、对象模型、IO接口清单和控制算法；S2：根据先进控制器镜像和先进控制器实例的个数要求，在服务器集群中创建先进控制器实例，其中同一先进控制器镜像的多个实例分布于服务器集群的不同物理主机上；S3：同一镜像的多个先进控制器实例在每一控制周期将计算输出的控制指令集发送到通信网关的同一信道中，由通信网关进行协调后转发至底层SCADA系统执行控制；如无物理故障则重复运行此步骤，如有物理故障则进行下一步骤；S4：故障恢复：创建新的先进控制器实例，同步活动先进控制器的状态参数。
上述内容中为了便于描述将步骤进行了顺序区分，但实际实施过程中可根据情况进行调整，因此不限于此顺序。本实施例通过集群运维的思路，解决原来长流程、多工序的工业生产中，大量工业先进控制器分散部署、管理困难的难题，同时也利于故障后的数据恢复，降低风险和维护成本。
步骤S3中，通信网关在先进控制器的控制周期中采取的协调过程如图1所示，包括：CS1：判断信道是否接收到由先进控制器实例发送来的控制指令集，如果在时间窗口内没有接收到控制指令集，则认为发生控制中断事件，立即进行报警提醒，如果在时间窗口内接收到控制指令集，则转至下一步；CS2：判断信道是否接收到活动先进控制器发送来的控制指令集，若判断结果为是，则立即将此控制指令集发送至底层SCADA系统，同时，通信网关保持活动先进控制器记录不变，若判断结果为否则转至下一步；CS3：通信网关继续在信道上进行等待，如果时间窗口内接收到活动先进控制器发送来的控制指令集，则将活动先进控制器发送来的控制指令集发送至底层SCADA系统，结束等待，通信网关保持活动先进控制器记录不变，如果时间窗口没有接收到活动先进控制器发送来的控制指令集，则转至下一步；CS4：通信网关将队列前端的非活动先进控制器控制指令集发送至底层SCADA系统，同时，通信网关将活动先进控制器记录替换为队列前端的控制指令集对应的先进控制器实例。
通过控制指令集的发送时机和发送源头等进行判断，从而进行准确协调，有效克服传统工业先进控制器服务器计算资源占用率高，利用率低的问题。
步骤S4的过程包括：SS1：新先进控制器实例请求同步活动先进控制器状态参数；SS2：活动先进控制器获取到同步请求，在新控制指令集输出，状态参数更新后，将状态参数数据包发送给新先进控制器实例；SS3：新先进控制器实例接收到活动先进控制器发送的状态参数数据包后判断接收时间是否小于允许时间，如果判断结果为否，则返回SS1继续请求同步状态数据，如果判断结果为是，则将自身状态参数更新为活动先进控制器的最新状态参数，并在数据包中的下一控制周期时间上启动执行控制算法，先进控制器故障恢复结束。
通过时间的判断以验证数据包的时效性，并最终完成新先进控制器实例的部署，有效解决传统工业先进控制器由于计算机单点硬件故障导致先进控制器恢复工作时间较长的问题。
状态参数数据包由活动先进控制器下一控制周期的时间戳、超时时间窗口和活动先进控制器最新状态参数组成。
允许时间由状态参数数据包中下一控制周期的时间戳减去超时时间窗口确定。
本实施例的实质性效果包括：有效解决传统工业先进控制器由于计算机单点硬件故障导致先进控制器恢复工作时间较长的问题。通过集群运维方法，解决原来长流程、多工序的工业生产中，大量工业先进控制器分散部署、管理困难的难题。有效克服传统工业先进控制器服务器计算资源占用率高，利用率低的问题。
另外，本实施例而以有色行业氧化铝智能工厂为例，氧化铝智能工厂生产控制系统共使用六套采用预测控制算法的先进控制器。其中，两套用于锅炉燃烧优化的先进控制器、一套用于母管协调的先进控制器、一套用于氧化铝溶出控制的先进控制器、一套用于氧化铝蒸发控制的先进控制器、一套氧化铝焙烧先进控制器。控制策略使用预测控制算法。本实施例使用四台计算服务器构建控制器集群，镜像构建采用Docker容器模型。通信网关与底层SCADA系统采用OPC协议进行通信。
S1、遵循Docker容器规范将氧化铝各被控单元的控制器元数据、对象模型、IO接口清单和控制算法打包成先进控制器静态镜像备用。
S2、先进控制器启用前，将氧化铝行业先进控制器实例个数设置为2并要求分布于不同的物理主机上，用以避免单点硬件故障。先进控制器启用时，根据目标先进控制器镜像在服务器集群中创建先进控制器实例。
S3、以氧化铝蒸发工序先进控制器为例，控制器集群中的两个蒸发先进控制器实例在每一控制周期将计算输出的控制指令集发送到通信网关的同一信道中，由通信网关进行协调后转送至底层SCADA系统执行控制。通信网关协调流程如下：
CS1：判断信道是否接收到由氧化铝蒸发工序先进控制器实例发送来的控制指令集。如果在2000毫秒时间窗口内没有接收到任何控制指令集，则认为发生控制中断事件，立即进行报警提醒。如果在2000毫秒时间窗口内接收到控制指令集，则转至CS2。
CS2：判断信道是否接收到活动先进控制器发送来的控制指令集。若判断结果为是则立即将当前控制指令集发送至底层SCADA系统，结束等待。通信网关保持活动先进控制器记录不变。若判断结果为否则转至CS3。
CS3：通信网关继续在信道上进行等待，如果2000毫秒时间窗口内接收到活动先进控制器发送来的控制指令集，则将该控制指令集发送至底层SCADA系统，结束等待。通信网关保持活动先进控制器记录不变。如果2000毫秒时间窗口没有接收到活动先进控制器发送来的控制指令集，则转至CS4。
CS4：通信网关将非活动先进控制器输出的控制指令集发送至底层SCADA系统。通信网关将活动先进控制器记录置为非活动先进控制器实例。
S4、转至S3，直到先进控制器运行结束，如有故障则进行故障修复。
氧化铝智能工厂先进控制器采用预测控制算法。预测控制算法在执行过程中的在线状态参数由未来预测初值和偏差校正系数构成，这些状态参数在每次控制指令计算中会发生更新。如果两个氧化铝先进控制器实例在某一时刻状态参数不一致，会导致计算结果发生极大偏差。这种输出偏差在活动先进控制器切换时会造成最终控制指令输出异常，严重危害工业生产。
故本实施例在故障恢复时使用以下方法同步先进控制器状态参数：
SS1：新创建的氧化铝蒸发环节先进控制器实例请求同步氧化铝蒸发工序活动先进控制器状态数据。
SS2：氧化铝蒸发工序活动先进控制器获取同步请求，并在新控制指令集输出，状态参数更新后将状态参数数据包发送给新创建的氧化铝蒸发环节先进控制器。状态参数数据包由活动先进控制器下一控制周期的时间戳、超时时间和氧化铝蒸发工序活动先进控制器最新状态参数组成。
SS3：新创建的氧化铝蒸发环节先进控制器接收到氧化铝蒸发工序活动先进控制器发送的状态参数数据包后，判断是否接收超时，如果数据包接收超时则返回SS1继续请求同步状态数据。如果数据包接收未超时，则将自身状态参数更新为氧化铝蒸发工序活动先进控制器的最新状态参数，并在数据包中的下一控制周期时间上启动执行控制算法。至此两个氧化铝蒸发环节先进控制器状态参数同步完成，故障恢复结束。
本申请实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(read only memory，ROM)、随机存取存储器(random access memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上内容，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种高可靠流程工业先进控制器集群管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将特定工业被控单元的基础数据打包成先进控制器镜像；
S2：根据先进控制器镜像和先进控制器实例的个数要求，在服务器集群中创建先进控制器实例，其中同一先进控制器镜像的多个实例分布于服务器集群的不同物理主机上；
S3：同一镜像的多个先进控制器实例在每一控制周期将计算输出的控制指令集发送到通信网关的同一信道中，由通信网关进行协调后转发至底层SCADA系统执行控制；如无物理故障则重复运行此步骤，如有物理故障则进行下一步骤；通信网关在先进控制器的控制周期中采取的协调过程包括：
CS1：判断信道是否接收到由先进控制器实例发送来的控制指令集，如果在时间窗口内没有接收到控制指令集，则认为发生控制中断事件，立即进行报警提醒，如果在时间窗口内接收到控制指令集，则转至下一步；
CS2：判断信道是否接收到活动先进控制器发送来的控制指令集，若判断结果为是，则立即将此控制指令集发送至底层SCADA系统，同时，通信网关保持活动先进控制器记录不变，若判断结果为否则转至下一步；
CS3：通信网关继续在信道上进行等待，如果时间窗口内接收到活动先进控制器发送来的控制指令集，则将活动先进控制器发送来的控制指令集发送至底层SCADA系统，结束等待，通信网关保持活动先进控制器记录不变，如果时间窗口没有接收到活动先进控制器发送来的控制指令集，则转至下一步；
CS4：通信网关将队列前端的非活动先进控制器控制指令集发送至底层SCADA系统，同时，通信网关将活动先进控制器记录替换为队列前端的控制指令集对应的先进控制器实例；
S4：故障恢复：创建新的先进控制器实例，同步活动先进控制器的状态参数，具体包括：
SS1：新先进控制器实例请求同步活动先进控制器状态参数；
SS2：活动先进控制器获取到同步请求，在新控制指令集输出，状态参数更新后，将状态参数数据包发送给新先进控制器实例；
SS3：新先进控制器实例接收到活动先进控制器发送的状态参数数据包后判断接收时间是否小于允许时间，如果判断结果为否，则返回SS1继续请求同步状态数据，如果判断结果为是，则将自身状态参数更新为活动先进控制器的最新状态参数，并在数据包中的下一控制周期时间上启动执行控制算法，先进控制器故障恢复结束。
2.根据权利要求1所述的一种高可靠流程工业先进控制器集群管理方法，其特征在于，所述基础数据包括：控制器元数据、对象模型、IO接口清单和控制算法。
3.根据权利要求1所述的一种高可靠流程工业先进控制器集群管理方法，其特征在于，所述状态参数数据包由活动先进控制器下一控制周期的时间戳、超时时间窗口和活动先进控制器最新状态参数组成。
4.根据权利要求1所述的一种高可靠流程工业先进控制器集群管理方法，其特征在于，所述允许时间由状态参数数据包中下一控制周期的时间戳减去超时时间窗口确定。
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