CN113189943B - 一种工控系统现场测点模拟数据生成方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于工业控制技术领域，公开了一种工控系统现场测点模拟数据的生成方法，包括：建立分布式通用网络通信架构；读取系统配置文件及各设备测点文件；分布式模拟环境配置；通信模拟配置下发与运行；启动通信模拟；按需产生周期性状态数据、非周期暂态工况事件数据和故障工况通信数据。通过分布式模拟环境配置，有效解决了工业控制系统上位机软件调试对系统环境的依赖问题，提升了网络通信模拟的通用性、批量化与灵活性，灵活实现各类现场设备海量测点数据批量模拟，适用于存在多种模拟环境场合。本发明还公开了一种运用上述方法的系统，通过配置好各功能模块，无障碍地实施多种模拟环境下现场测点数据的模拟生成。
Description
技术领域
本发明属于工业控制技术领域，具体公开了一种工控系统现场测点模拟数据的生成方法及运用上述方法的系统。
背景技术
工控系统网络通信模拟是工控系统设备调试，尤其是系统上位机软件测试与调试的主要方法。工控系统上位机软件通常需要采集全系统健康状态数据，用于界面显示及根据采集健康状态信息下达闭环控制指令。由于上位机需要从全系统各设备采集健康状态数据，对外网络通信接口多，软件测试及系统调试对环境依赖性强，通常只能在全系统底层设备准备工作完成后才能进行上位机软件的测试与调试工作。
传统的解决方案有以下几种：一是用网络调试助手之类的工具软件，模拟单个底层设备向上位机发送网络数据。由于网络调试助手之类的软件每次只能模拟一个设备(IP)，因此上位机软件只能逐个与底层设备进行通信测试与调试。且调试助手模拟生成数据相对固定，无法满足模拟动态变化数据的模拟需求。二是软件开发人员根据应用场景编写专用的通信调试代码，模拟多个设备的IP与上位机通信，编码工作量与底层设备数量成线性关系。在系统规模达到一定数量后，这种方法基本不可行，且模拟设备数量及模拟通信的灵活性非常受限。
以上传统的解决方案会面临以下问题：
通用性问题：针对每个不同的工控应用场景，需要定制化开发不同的通信调试代码，存在大量的重复劳动，无法达到通信调试代码的复用。
批量化问题：使用调试助手无法在单机上模拟多个设备通信；定制化地开发通信调试代码工作量大、时间周期长且不具备通用性。
灵活性问题：以上方法只能满足固定数据通信模拟需求，难以满足灵活变化的数据通信需求，如某个测点值满足一定分布规律，测点值按一定函数值变化，测点之间关系满足一定的数学公式等需求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出了一种工控系统现场测点模拟数据的生成方法，包括以下步骤：
S1，建立分布式通用网络通信架构；
S2，导入测点数据系统的通信模拟环境，生成待模拟的底层设备通信配置信息；
S3，导入所述测点状态数据格式，生成测点数据配置信息；
S4，依分布式环境分配测点数据系统通信模拟任务，设置各测点数据的生成方式；
S5，将所述测点数据配置信息下发至分布式平台的各模拟模块，并启动通信模拟；
S6，分布式平台各模拟模块根据测点数据配置信息，生成现场测点模拟数据并发送。
优选的，步骤S3中以文件的形式导入待模拟设备的常态数据格式和暂态数据格式，生成各型设备的常态数据配置信息和暂态数据配置信息。
优选的，步骤S1中所述架构包括基础支撑模块、核心模拟模块和扩展功能模块，其中基础支撑模块用于系统配置、模拟任务调度、测点数据生成、通信逻辑控制；核心模拟模块提供各类现场数据的模拟服务及数据传输，扩展功能模块提供其他高级扩展功能如真实数据流量回放。
进一步的，数据传输能同时适应TCP/IP、UDP/IP、Modbus、OPC、EIP协议中的一种或多种模拟；
更进一步的，基于硬件平台的现场总线接口，所述数据传输能同时适应CAN、RS232串口、RS422串口、RS485串口、模拟输入、模拟输出、数字输入、数字输出现场总线的一种或多种模拟。
优选的，所述模拟能同时模拟低频周期性状态数据、高频超高频非周期暂态数据一种或多种模拟。
进一步的，所述模拟能以系统真实的历史流量为输入，进行真实流量的回放模拟。
优选的，所述模拟可进行正常通信模拟或异常通信故障模拟。
优选的，步骤S4中可以实现单测点生成方式的灵活配置，支持固定值、值域范围内随机值、上下限内随机值、递增、递减、根据函数规律变化等数据生成方式。
为充分利用分布式计算方法在大数据运算中的优势，优选的，所述步骤S1中分布式通用网络通信架构采用主从节点配置，主节点用于该架构整体配置信息生成与下发、通信模拟任务启停指令下发，从节点用于生成模拟数据或作为通信转接点，所有节点都可以通过修改参数切换成主节点。
进一步的，为减少不必要的冗余编程，所述主节点与从节点间的通信可基于分布式消息中间件完成。
本发明的另一方案在于提供一种工控系统现场测点模拟数据生成系统，包括处理电路及与其电性耦接的存储器，所述存储器配置储存至少一程序，所述程序包含多个指令，所述处理电路运行所述程序，能执行上述工控系统现场测点模拟数据生成方法。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的一种工控系统现场测点模拟数据生成方法及系统通过整合设计一种适用于工业控制场景的，基于分布式运算的模拟数据生成步骤，有效地解决了工业控制系统上位机软件调试与测试对系统环境的依赖问题。同时相较现有技术，大幅提升了网络通信模拟的通用化、批量化与灵活性。
附图说明
图1为本发明实施例中一种工控系统现场测点模拟数据生成方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中一种工控系统现场测点模拟数据生成系统架构示意图；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创新劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为完成本发明所述方法，先建立如图2所示工控系统现场测点模拟数据生成系统，整个系统分为上位机通信环境部分和下位机通信环境部分，两个部分通过交换机互连。上位机通信环境指待验证或测试的软硬件环境，下位机通信环境指陪试的模拟环境。通用网络通信模拟软件运行在下位机通信环境部分，基于分布式的计算环境。模拟软件架构主要分为基础支撑模块、核心模拟模块和扩展功能模块三个部分，其中基础支撑模块用于系统配置、模拟任务调度、测点数据生成、逻辑控制等；核心模拟模块提供各类常见工业现场通信的模拟服务，包括普通以太网(TCP/IP、UDP/IP)、工业以太网Modbus、OPC、EIP等的网络类通信模拟和CAN、RS232串口、RS422串口、RS485串口、模拟输入AI、模拟输出AO、数字输入DI、数字输出DO等的现场总线类通信模拟；扩展功能模拟提供通信故障模拟、真实流量数据回放等功能。
随后，再根据图1所示流程图依次执行以下步骤：
E1.在分布式平台各计算节点上启动通用网络通信模拟软件。在全部软件启动后，进行分布式主从节点的配置。主节点负责全系统配置信息生成与下发、通信模拟任务启停指令下发，从节点用于生成模拟数据或作为通信转接点，所有节点都可以通过配置切换成主节点角色。
E2.全系统通信配置文件导入。定义各待测设备的常态为周期性健康状态，而暂态为不具有周期性的状态，在主节点软件界面上以文件的形式导入全系统通信模拟环境，文件内容包括分系统标识、设备标识、传输层协议、源IP、目的IP、源端口号、目的端口号、周期性健康状态数据标识、健康状态数据频率、非周期暂态事件数据标识、事件数据频率。通过导入的全系统配置文件，生成待模拟的底层设备通信配置实例信息。
E3.各设备测点文件导入。在主节点软件界面上以文件的形式导入全系统各型设备的周期性健康状态数据报文结构和非周期暂态事件数据结构，文件以测点为单位，主要包括测点的名称、含义、单位、数据类型、偏移字节、位偏移、原始数据上限、原始数据下限、量程变换比例、报警使能、高报警限、低报警限等信息。通过导入的各型设备测点文件信息，生成各型设备的周期性健康状态数据配置信息和非周期暂态事件数据配置信息。
E4.分布式模拟任务分配。在主节点软件界面上进行网络通信模拟任务的分配，可以支持分系统级和单设备级两种粒度的任务分配形式。主节点软件基于用户设置的通信任务分配需求生成任务分配配置信息。
E5.详细测点信息配置。根据通信模拟任务需求，在主节点软件界面上进行模拟测点的配置。通信模拟软件支持细粒度的、灵活的测点生成方式可支持对任意一个底层设备的任意一个测点进行配置，主要配置方式包括固定值、值域范围内随机值、上下限内随机值、递增、递减、根据函数规律变化等方式。除了支持测点数据在线生成方式外，还支持历史健康状态数据回放，通过读取历史健康状态数据文件生成测点数据。主节点软件根据用户设置生成测点生成方式的配置信息。
E6.通信模拟配置信息下发。基于分布式消息中间件namomsg，主节点将步骤4生成的模拟任务配置信息和步骤5生成的测点配置信息发布给从节点。从节点订阅上述配置信息，生成本机待模拟通信任务实例及对应的测点生成配置信息。
E7.主节点下发全系统通信模拟启动指令。基于分布式消息中间件namomsg，主节点发布全系统通信模拟启动指令。
E8.各从节点订阅通信模拟启动指令，各节点基于测点生成配置信息生成周期性的健康状态数据包，并将健康状态数据包发送至上位机节点。
E9.在周期性健康状态数据模拟的过程中，用户还可按需进行其它工况下底层设备通信模拟，具体包括非周期暂态工况下高频事件数据模拟和故障通信模拟。在非周期暂态工况下，模拟软件可根据步骤2的配置信息生成高频事件数据并发送给上位机。用户可配置非周期暂态工况的持续时间和非周期暂态工况数据的生成方式，通信模拟软件支持细粒度的、灵活的测点生成方式。可支持对任意一个底层设备的任意一个测点进行配置，主要配置方式包括固定值、值域范围内随机值、上下限内随机值、递增、递减、根据函数规律变化等方式。除了支持测点数据在线生成方式外，还支持历史非周期暂态工况数据回放，通过读取历史非周期暂态工况数据文件生成测点数据。在故障通信情况下，模拟软件可按用户需求模拟指定底层设备的通信故障。
E10.在用户完成所需的底层设备通信模拟任务后，可以在主节点发布停止通信模拟的指令，主节点直接停止本机运行的模拟通信实例；各从节点订阅到停止通信模拟的指令后，停止本机运行的通信模拟实例。
E11.本次通信模拟任务完成后，如果需要进行本应用场景下的下次通信模拟任务，则可跳转至E4开始实施。
E12.本次通信模拟任务完成后，如果需要切换到其它应用场景进行通信模拟任务，则可跳转至E2，导入其它应用场景的配置文件，重新开始实施。
本领域技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储在计算设备可读存储介质中，该程序在执行时，运行包括上述方法实施例的步骤。
通过以上实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可通过软件编程加上通用计算机硬件设备方式来实现，也可以全部通过硬件实现。基于该理解，上述技术方案对现有技术贡献的内容可以通过软件产品的形式实现，改软件产品可以存储在计算设备可读介质中，例如硬盘、光盘等，包含若干指令用来让一台计算设备执行实施例或其中部分方法。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种工控系统现场测点模拟数据生成方法，其特征在于包括以下步骤：
S1，建立分布式通用网络通信架构，包括基础支撑模块、核心模拟模块和扩展功能模块，其中基础支撑模块用于系统配置、模拟任务调度、测点数据生成、通信逻辑控制；核心模拟模块提供各类现场数据的模拟服务及数据传输，扩展功能模块提供包括真实数据流量回放的其他扩展功能，所述分布式通用网络通信架构采用主从节点配置，主节点用于该架构整体配置信息生成与下发、通信模拟任务启停指令下发，从节点用于生成模拟数据或作为通信转接点，所有节点都能够通过修改参数切换成主节点；
S2，导入测点数据系统的通信模拟环境，生成待模拟的底层设备通信配置信息；
S3，导入测点状态数据格式，生成测点数据配置信息；
S4，依分布式环境分配测点数据系统通信模拟任务，设置各测点数据的生成方式；
S5，将所述测点数据配置信息下发至分布式平台的各模拟模块，并启动通信模拟；
S6，分布式平台各模拟模块根据测点数据配置信息，生成现场测点模拟数据并发送。
2.根据权利要求1所述的一种工控系统现场测点模拟数据生成方法，其特征在于，所述步骤S3以文件的形式导入待模拟设备的常态数据格式和暂态数据格式，生成各型设备的常态数据配置信息和暂态数据配置信息。
3.根据权利要求2所述的一种工控系统现场测点模拟数据生成方法，其特征在于，所述数据传输能同时适应TCP/IP、UDP/IP、Modbus、OPC、EIP协议中的一种或多种模拟。
4.根据权利要求2所述的一种工控系统现场测点模拟数据生成方法，其特征在于，基于硬件平台的现场总线接口，所述数据传输能同时适应CAN、RS232串口、RS422串口、RS485串口、模拟输入、模拟输出、数字输入、数字输出现场总线的一种或多种模拟。
5.根据权利要求2所述的一种工控系统现场测点模拟数据生成方法，其特征在于，所述模拟能同时模拟低频周期性状态数据、高频超高频非周期暂态数据、一种或多种模拟。
6.根据权利要求2所述的一种工控系统现场测点模拟数据生成方法，其特征在于，所述模拟能以系统真实的历史流量为输入，进行真实流量的回放模拟。
7.根据权利要求3或4中任一项所述的一种工控系统现场测点模拟数据生成方法，其特征在于，所述模拟能够进行正常通信模拟或异常通信故障模拟。
8.根据权利要求1所述的一种工控系统现场测点模拟数据生成方法，其特征在于，所述主节点与从节点间的通信基于分布式消息中间件完成。
9.一种工控系统现场测点模拟数据生成系统，包括处理电路及与其电性耦接的存储器，其特征在于，所述存储器配置储存至少一程序，所述程序包含多个指令，所述处理电路运行所述程序，能执行权利要求1-6中任一项所述的一种工控系统现场测点模拟数据生成方法。
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