CN113050556B - 一种支持dsl的rtu设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种支持DSL的RTU设备，主要包括支持多仪表自动化测控采集的DSL专门语言定义及其系统数据结构模型抽象，以及一套用以支持该DSL的RTU运行环境。通过DSL，本发明所述RTU具备与IEC61131‑3可编程规范相似的编程能力，尤其是对多仪表协同采集，复杂事件检测，以及控制执行的编程能力，同时避免引入通用编程语言的复杂性，便于工程技术普及。通过运行环境设计，本发明所述RTU可以使DSL适配多种不同仪表设备和不同接入协议，使RTU在多种不同应用场景中发挥价值。

Description

一种支持DSL的RTU设备

技术领域

本发明属于物联网数据采集控制技术领域，尤其是基于开放型可编程逻辑的RTU自动化仪表数据采集与测控技术领域。

背景技术

RTU称为远程终端单元，典型应用于工厂SCADA(监督控制与数据采集)系统。一般而言，RTU部署在远离SCADA的现场，需要通过某种通信链路实现RTU与SCADA之间的连接。为了应对条件恶劣的工业现场和通信链路的不确定性，RTU一般具有相当的智能，使之能完成数据采集，存储，事件检测，处理，以及过程控制等诸多功能。从“智能”的实现方式看，可以粗略的将RTU分为封闭型系统和开放型系统。在封闭型系统中，RTU的智能是按应用场景需求预先设计并固化的。比如，锅炉控制RTU通过监测汽包蒸汽压力实现锅炉启停和燃烧负荷控制。虽然封闭型系统一般会通过过程变量参数化使其控制过程具有一定的灵活性，但是这种灵活性难以应对应用场景需求变化，一般只能服务于特定用途。相比之下，开放型RTU系统支持通过某种形式的二次编程以应对不同应用场景。一种典型的开放型RTU系统支持基于可编程逻辑控制器规范IEC 61131-3进行编程。IEC 61131-3定义了基于图形化表达和结构化文本表达的多种编程方式，这种支持IEC 61131-3规范的RTU目前正广泛应用于工业制造和过程控制领域。另外，随着互联网和开源软件的影响力向传统的控制领域渗透，也出现了一些以支持流行脚本语言(如Python或JavaScript)和Web交互为特征的开放型RTU。比较而言，开放型RTU系统比封闭型RTU系统更加灵活性，可以通过重新编程来适应使用场景需求变化，但是要求使用者具备一定的二次开发能力。一般而言，功能越灵活，对使用者的开发能力要求越高。对于类似IEC 61131-3的结构化文本和Python脚本这种功能强大的编程方式，使用者必须经过大量的编程训练才能掌握。而相对容易上手的如IEC 61131-3梯形图编程，则在复杂逻辑表达方面欠佳，有时候需要绘制非常冗长的图形来表达一个中等复杂度的控制逻辑，这种图形往往难以维护和理解。另一方面，从我们的大量工程实践看，对于许多接入多种仪表数据的RTU系统而言，虽然其使用场景貌似差异巨大，但是我们可以将RTU的测控需求归纳为仪表协同，事件监测，控制执行等几个方面。进一步，在这一归纳的基础上，我们自然而然的可以设计一套专门指令，使用户可以简单的对RTU进行编程。这一套指令即本说明书所述之RTU DSL(Domain Specific Language)。同时，本发明还允许在远程对RTU DSL进行编辑和模拟调试，方便用户在云端对RTU设备进行集中管理。借助RTU DSL，本发明所述的RTU还引入了事件机制，使得RTU的控制执行比基于轮询模型的IEC 61131-3和脚本语言模型更加有效，从而允许提高控制实时性或者降低硬件成本。以下本发明说明书部分将分别对RTU支持的DSL，以及RTU的DSL运行环境进行说明。

发明内容

(一)发明目的

为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种支持DSL的RTU设备。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提出了一种支持DSL的RTU设备，定义一套专门化的RTUDSL，以及用以支持该DSL的运行环境和远程开发调试环境。

如上所述，对于一个接入多种仪表的RTU来说，其测控需求可以归纳为仪表协同，事件检测，控制执行三个方面。这里所说的仪表，既包括直接以数字IO或模拟IO相连的简单仪表(或传感器)，也包括采用某种协议(如Modbus RTU/TCP)连接的智能化仪表(或仪器设备)。

仪表协同属于数据采集的范畴，体现了RTU多个物理数据源之间存在业务上的关联，它要求RTU具备根据A仪表测控数据动态生成B仪表测控指令的能力，构成RTU系统的基础。事件检测属于数据理解的范畴，它要求RTU对仪表数据具备较强的理解力，是RTU系统中最难实现的部分。控制执行要求RTU具备对特定事件进行某种反应的能力，是RTU系统的关键。

与测控需求相适应，本发明将数据模型抽象为仪表，寄存器和窗口，参考图1。一个RTU包含多个仪表；寄存器代表被采集的数据，仪表配置或控制参数，寄存器被映射到仪表上，可以被读取或写入；一个寄存器可以定义一个或多个窗口，窗口用于对数据采集样本进行聚合和跟踪。基于该模型抽象，RTU将所有对仪表的测控操作抽象为寄存器读写。

基于测控需求和数据模型抽象，本发明定义一套RTU DSL，通过该DSL将物理仪表描述为抽象数据模型的仪表、寄存器和窗口。进一步，仪表间的物理数据采集过程可能存在相互依赖，通过DSL，这种依赖被表达为仪表间寄存器读写操作之间的关联。进一步，基于所采集的实时数据和窗口的数据聚合能力，DSL允许定义复杂事件检测，并支持在特定事件发生时执行特殊控制动作。进一步，为支持所述DSL，本发明还设计了对应的运行时支持环境，使DSL所定义的抽象计算可以支持多种不同接入协议的物理仪表。

附图说明

图1为本发明提出的支持DSL的RTU设备的基本数据模型抽象。

图2为本发明提出的支持DSL的RTU设备中DSL窗口类型。

图3为本发明提出的支持DSL的RTU设备中支持DSL的RTU运行环境。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

以上述基本数据模型抽象为基础，RTU DSL包含仪表定义指令meter。仪表定义指令meter为仪表声明一个名称(以方便其他指令引用该仪表)，和其它必要的与特定协议相关的参数，如协议相关的仪表ID和访问地址等。

示例：定义gongtu和diancan两个仪表，分别通过Modbus协议Slave Address 1和2进行访问。

meter gongtu at modbus slave 1；

meter diancan at modbus slave 2；

基于仪表定义和基本数据模型，RTU DSL进一步定义数据采集指令sample，sample指令包含被采集的仪表名称，寄存器范围，以及数据采集周期。

示例：每10分钟仪表gongtu进行一次采集，采集范围为寄存器3001-3100：

sample gongtu read R3001-R3100 every 10m；

当需要在多个仪表间协同时，在协同源仪表的sample指令上嵌入trigger指令完成协同。协同指令包含协同的目标仪表名称，协同动作，协同寄存器列表。协同动作read表示读取协同目标仪表上一个或多个寄存器，协同动作write表示依据协同源仪表寄存器对目标仪表寄存器进行写入操作。

示例：每次采集仪表gongtu后，根据3001和3002寄存器对仪表diancan寄存器3401和3402写入，然后读取仪表diancan的寄存器3411-3420：

在数据采集基础上，RTU DSL定义Window，一个Window与一个寄存器对应，用于实现对复杂事件进行检测。Window包含固定数量的Slot，每个Slot记录寄存器一个取值。RTU运行环境支持多种Window类型，不同Window类型的差异在于Slot记录的更新方式。参考图2。

基本的Window类型把Slot当做一个FIFO队列，记录寄存器最近N次取值情况。对于聚合Window类型，RTU运行环境内建一个时间缓存，寄存器取值首先进入时间缓存，并在设定时间到达时对时间缓存内缓存的样本值按某个聚合函数进行聚合后更新到Window中。RTU运行环境支持常见的max/min/avg等聚合函数，并且可以扩展支持更多其他聚合函数。

Window还可以级联。级联的典型场景是避免聚合计算受到采样频率影响。例如，要计算30分钟内的平均温度，为了避免短时间内密集采样影响结果，可以先设置一个WindowA对原始温度采样按1分钟取平均值，然后设置一个Window B对Window A的取值再平均。

示例：窗口w1记录寄存器3001最近3次取值，窗口w2每10分钟取寄存器3002平均值，窗口w3每30分钟取窗口w2的最大值。

window w1 on R3001 size 3；

window w2 on R3002 size 3 avg every 10m；

window w3 on w2 size 3 max every 30m；

基于基本数据模型，包括寄存器和窗口，DSL定义事件检测指令event。事件是基于寄存器当前值或者窗口值计算的一种特定条件，条件满足时即认为事件发生。

示例：假设寄存器3001代表温度，w2为前述示例定义的窗口，以下指令检测温度大于25度为事件toohot，30分钟内温差超过10度为事件unstable。

event toohot if R3001>25；

event unstable if max(w2)-min(w2)>10；

在事件检测的基础上，DSL定义控制执行指令exec，exec指令包含事件名称，执行动作以及动作参数。一种执行动作为寄存器写入(write)，其参数为被写入寄存器列表。底层驱动会将此寄存器写入映射为物理设备操作，例如控制继电器动作，调整输出的控制电流大小等等。

示例：当检测到事件unstable时，写入寄存器0001 0。

exec event unstable write R0001 0；

以上DSL构成了本发明所述RTU的设计基础。进一步，RTU为上述DSL提供运行环境，该环境分为3层：底层为仪表驱动与协议映射；中间为数据模型；上层为DSL执行引擎，负责完成DSL所有测控功能。参考图3。

基于以上运行环境，RTU通过数据模型抽象层使RTU DSL与具体仪表细节解耦。RTU通过底层的仪表驱动和协议映射实现对设备接入和相关协议细节的封装。例如，不论仪表是通过本地IO端口直连的简单传感器，还是通过Modbus TCP协议接入的智能化设备，RTUDSL执行引擎只需要按寄存器读写方式进行访问即可。

RTU运行环境的中间层为数据模型层，其核心是一张寄存器表，该表跟踪记录从仪表读取和写入的寄存器当前取值。RTU运行环境另外维护多个Window用于跟踪记录寄存器历史采样，对于每个Window，RTU运行环境根据DSL定义的Window属性进行寄存器采样析取。

RTU运行环境的最上层为DSL指令执行引擎，在数据模型层和底层驱动层支持下，执行引擎实现包括数据采样与协同，事件检测，以及控制执行在内的所有功能。

进一步，RTU运行环境建立到云端的连接，并支持通过云端对DSL进行在线编辑，编译，调试模拟，以及下载运行。

支持DSL的RTU设备的硬件，既可以是采用通用微控制器、微处理器或应用处理器(MCU，MPU或AP)实现的嵌入式硬件专用设备，也可以是采用通用的中央处理器或应用处理器(CPU或AP)的通用计算平台，如PC或工控计算机。根据硬件平台，支持DSL的RTU设备可以运行嵌入式实时操作系统，也可以运行通用的商用操作系统，如打过实时内核补丁的Linux系统。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (13)

1.一种支持DSL的RTU设备，其特征在于，定义一套专门化的RTU DSL，以及用以支持该DSL的运行环境和远程开发调试环境；

RTU通过DSL实现对仪表数据采集和测控的定制控制，包括对仪表协同采集的定制控制，对事件检测的定制控制，和对控制执行的定制控制；

RTU将数据模型抽象为仪表、寄存器和窗口(Window)；一个RTU包含多个仪表；寄存器代表采集的数据或者设备控制参数，寄存器被映射到仪表上，可以被读取或写入；一个寄存器可以定义一个或多个窗口。

2.根据权利要求1所述的支持DSL的RTU设备，其特征在于，RTU将所有仪表测控操作抽象为寄存器读写。

3.根据权利要求1所述的支持DSL的RTU设备，其特征在于，RTU通过多种类型的窗口数据模型对寄存器历史采样进行跟踪，包括简单的基本窗口类型，复杂的聚合窗口类型，以及级联窗口类型；一个Window包含固定数量的Slot。

4.根据权利要求3所述的支持DSL的RTU设备，其特征在于，基本的Window类型把Slot当做一个FIFO队列，记录寄存器最近N次取值情况。

5.根据权利要求3所述的支持DSL的RTU设备，其特征在于，RTU运行环境支持聚合Window类型；RTU运行环境内建一个时间缓存，寄存器取值首先进入时间缓存，并在设定时间到达时对时间缓存内的缓存采样按一个聚合函数进行聚合后更新到Window中；常见的聚合函数包括计算最大值、最小值，平均值；RTU运行环境可以扩展支持更多其他聚合函数。

6.根据权利要求3所述的支持DSL的RTU设备，其特征在于，还通过串联两个Window构成级联窗口。

7.根据权利要求1所述的支持DSL的RTU设备，其特征在于，RTU DSL包含仪表定义指令meter；仪表定义指令为仪表声明一个名称以方便其他指令引用该仪表，同时定义其他与特定协议相关的仪表参数，协议相关的仪表ID和访问地址。

8.根据权利要求1所述的支持DSL的RTU设备，其特征在于，基于仪表定义和基本数据模型，RTU DSL定义数据采集指令sample，sample指令包含被采集的仪表名称，寄存器范围，以及数据采集周期。

9.根据权利要求1或8所述的支持DSL的RTU设备，其特征在于，RTU DSL定义在协同源仪表的sample指令上嵌入仪表协同指令trigger；协同指令包含协同的目标仪表名称，协同动作，协同寄存器列表；通过协同动作读或写目标仪表上的一个或多个寄存器。

10.根据权利要求3所述的支持DSL的RTU设备，其特征在于，RTU DSL定义事件检测指令event；事件是基于寄存器当前值或者窗口值计算的一种特定条件，条件满足时即认为事件发生。

11.根据权利要求10所述的支持DSL的RTU设备，其特征在于，在事件检测的基础上，RTUDSL定义控制执行指令exec，exec指令包含事件名称，执行动作以及动作参数；通过本指令对目标寄存器进行读写操作。

12.根据权利要求1所述的支持DSL的RTU设备，其特征在于，RTU为DSL提供运行环境，该环境分为3层：底层为仪表驱动与协议映射，用于实现对设备接入和相关协议细节的封装；中间为数据模型，用于使RTU DSL与具体仪表细节解耦，其核心是一张寄存器表，以及所有Window状态信息；上层为DSL执行引擎，负责完成包括数据采样与协同，事件检测，以及控制执行在内的所有测控功能。

13.根据权利要求1或12所述的支持DSL的RTU设备，其特征在于，RTU运行环境建立到云端的连接，并支持通过云端对DSL进行在线编辑，编译，调试模拟，以及下载运行。

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