CN113835358A - Dcs半实物全范围仿真系统 - Google Patents

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朱亮
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张光昱
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Abstract

本发明涉及了一种DCS半实物全范围仿真系统，该DCS半实物全范围仿真系统包括DCS控制系统及用于对被控设备进行仿真的被控仿真系统，该DCS控制系统包括：DCS实物部分，所述DCS实物部分包括DCS最小化系统及通讯站，所述DCS最小化系统包括实物控制站，所述实物控制站包括待验证的控制设备；DCS仿真部分，所述DCS仿真部分包括用于对所述DCS控制系统中除所述实物控制站外的其它控制站的功能进行仿真的仿真服务器；而且，所述通讯站分别与所述DCS最小化系统及所述仿真服务器通讯连接，且用于对所述DCS最小系统及所述仿真服务器进行功能耦合。实施本发明的技术方案，实现了多种辅助工具的一体化，而且，提高了工具的通用性和灵活性。

Description

DCS半实物全范围仿真系统
技术领域
本发明涉及工业控制领域，尤其涉及一种DCS半实物全范围仿真系统。
背景技术
对于DCS系统，为提高其设计、制造质量和安装调试效率，以及，降低其运行维护风险和信息安全风险，需要在仿真环境下对DCS系统进行验证、测试或维护。
目前，一般将DCS半实物仿真系统作为DCS系统设计验证、制造测试、安装调试、运行维护及信息安全验证的有效工具。但是，现有的DCS半实物仿真系统存在以下缺陷：
1.虽然现有的DCS半实物仿真系统从系统整体来看属于半实物仿真系统，但其中的控制系统仍然是全实物仿真，半实物仿真的颗粒度比较粗；
2.现有的DCS半实物仿真系统仿真的是单系统的运行状态；
3.现有的DCS半实物仿真系统是针对单一用途设计的工具，需要针对不同用途设计不同的工具，未实现多种用途工具的一体化，通用性不够；
4.即使是针对同一种用途设计的工具产品，其灵活性也不够，例如：对A控制系统的调试装置，不能用于对B控制系统进行调试。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种DCS半实物全范围仿真系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种DCS半实物全范围仿真系统，包括：DCS控制系统及用于对被控设备进行仿真的被控仿真系统，所述DCS控制系统包括：
DCS实物部分，所述DCS实物部分包括DCS最小化系统及通讯站，所述DCS最小化系统包括实物控制站，所述实物控制站包括待验证的控制设备；
DCS仿真部分，所述DCS仿真部分包括用于对所述DCS控制系统中除所述实物控制站外的其它控制站的功能进行仿真的仿真服务器；而且，
所述通讯站分别与所述DCS最小化系统及所述仿真服务器通讯连接，且用于对所述DCS最小系统及所述仿真服务器进行功能耦合。
优选地，所述仿真服务器包括按预设的逻辑关系连接的多个第一功能模块，而且，所述多个第一功能模块及其逻辑关系与所述仿真服务器所仿真的所述其它控制站的功能相关；
所述通讯站包括多个独立设置的第二功能模块，而且，每个第二功能模块均为相应的第一功能模块的镜像模块，且用于代替所述相应的第一功能模块与所述DCS最小化系统进行交互。
优选地，所述第一功能模块，用于将其动态输入信号同步到相应的第二功能模块，而且，还根据其动态输入信号进行功能计算以生成输出信号；
所述第二功能模块，用于根据相应的第一功能模块所同步的动态输入信号进行功能计算，并获取输出信号和/或内部状态信号，以实现与相应的第一功能模块的状态同步。
优选地，所述第二功能模块，还用于将所接收的操控信号同步到相应的第一功能模块，以实现与相应的第一功能模块的状态同步。
优选地，所述通讯站与所述仿真服务器通过网关网络连接。
优选地，所述通讯站与所述DCS最小化系统通过DCS控制系统的内部网络连接。
优选地，所述通讯站的数量为多个。
优选地，所述DCS最小化系统还包括有通讯连接的操作站、服务器，而且，
所述操作站，用于通过所述服务器、所述通讯站监视所述仿真服务器的运行状态，以及，通过所述服务器、所述通讯站操控所述仿真服务器所控制的被控设备的运行状态。
优选地，所述DCS最小化系统还包括有与所述操作站、所述服务器、所述实物控制站及所述仿真服务器通讯连接的工程师站。
在本发明所提供的技术方案中，在仿真服务器中对DCS控制系统中除实物控制站外的其它控制站的功能进行仿真，而且，通过在DCS实物部分中增配通讯站将仿真服务器以第三方系统的形式接入到DCS实物部分的网络中，并实现DCS实物部分与仿真服务器的功能耦合。因此，该DCS半实物全范围仿真系统可同时作为DCS控制系统设计验证、测试、安装调试、维护验证、信息安全验证及检查的工具，实现了多种辅助工具的一体化，而且，提高了工具的通用性和灵活性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：
图1是本发明DCS半实物全范围仿真系统实施例一的逻辑结构图；
图2是图1中DCS实物部分的逻辑结构图；
图3是本发明DCS半实物全范围仿真系统实施例二的逻辑结构图；
图4是本发明DCS半实物全范围仿真系统实施例三的逻辑结构图；
图5是本发明通讯站中的第二功能模块与仿真服务器中的第一功能模块进行状态同步的示意图。
具体实施方式
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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性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。
图1是本发明DCS半实物全范围仿真系统实施例一的逻辑结构图，该实施例的DCS半实物全范围仿真系统包括DCS控制系统10及被控仿真系统20。其中，被控仿真系统20用于对被控设备进行仿真。DCS控制系统10包括DCS实物部分11和DCS仿真部分12，即，DCS实物部分11和DCS仿真部分12共同实现完整的DCS控制系统的功能。
该DCS实物部分11包括DCS最小化系统111及通讯站112，其中，该DCS最小化系统111为由数量最简配的物理设备组成的DCS最小化系统，且包括实物控制站1111，该实物控制站1111包括待验证的控制设备(未示出)。
该DCS仿真部分12包括仿真服务器(虚拟控制站)121，该仿真服务器121用于对该DCS控制系统10中除该实物控制站1111外的其它控制站的功能进行仿真。
通讯站112分别与DCS最小化系统111及仿真服务器121通讯连接，且用于对该DCS最小系统111及仿真服务器121进行功能耦合。
在该实施例的技术方案中，在仿真服务器中对该DCS控制系统中除该实物控制站外的其它控制站的功能进行仿真，而且，通过在DCS实物部分中增配通讯站将仿真服务器以第三方系统的形式接入到DCS实物部分的网络中，并实现DCS实物部分与仿真服务器的功能耦合。因此，该DCS半实物全范围仿真系统可同时作为DCS控制系统设计验证、测试、安装调试、维护验证、信息安全验证及检查的工具，实现了多种辅助工具的一体化，而且，具有以下有益效果：
1.仅有待验证系统(DCS最小化系统)是实物的，除了被控设备，还有DCS控制系统中除待验证系统外的剩余部分均是通过仿真实现，即，验证环境(被控设备及控制系统中除待验证系统外的剩余部分)是虚拟的，所以属于真正意义的半实物仿真。在这样的仿真环境下对待验证系统进行的验证、测试或维护，可达到与生产环境相同的作业效果，可作为生产系统的替代，进行DCS系统的设计验证、预测试、及维护方案验证、信息安全测试及实施方案验证，提高DCS系统设计和制造质量及安装调试效率，降低DCS系统的运行维护风险和信息安全风险。
2.该DCS半实物全范围仿真系统仿真的不是单系统的运行状态，而是整个集成系统的运行状态，例如，DCS控制系统包含了对A、B、C三个生产子系统的控制，如果要验证A系统的功能，需要在该仿真系统中对B和C系统进行仿真，然后与A系统结合，就是一套完整的DCS控制系统。相应地，如果要验证B系统的功能，需要在该仿真系统中对A和C系统进行仿真。
3.由于可对除待验证系统外的剩余部分进行仿真，所以，对于不同的待验证系统，仅需设置不同的验证环境即可，实现了DCS系统的全范围仿真，也就是说，通过该DCS半实物全范围仿真系统可对所有生产子系统的控制功能进行验证，提高了工具的通用性和灵活性。同样地，假如DCS控制系统包含了对A、B、C三个生产子系统的控制，如果要验证A系统的功能，只需要在该仿真系统中对B和C系统进行仿真，然后与A系统结合，就是一套完整的DCS控制系统。相应地，如果要验证B系统的功能，只需要在该仿真系统中对A和C系统进行仿真。
另外，由于该DCS半实物全范围仿真系统提供了DCS实物部分作为用户使用的人机交互环境，不仅逼真度高(使用的是真实的物理设备)，而且可以实现全仿真方式的DCS仿真系统无法实现的功能。例如，假如需要验证控制站的某个板卡是否工作正常，可直接将待验证的板卡插入到实物控制站的机笼中，然后运行该DCS半实物全范围仿真系统进行检查，而在全仿真的DCS仿真系统中，不具备这种人机交互环境。
结合图2，DCS最小化系统包括有通讯连接的操作站(例如，操作站#1、操作站#2)、服务器(例如，服务器A、服务器B)、工程师站、实物控制站，应理解，以上只是本发明的一个实施例，在其它实施例中，操作站、服务器的数量可仅为一个，工程师站也可省去。而且，DCS最小化系统的各个设备之间通过DCS控制系统的内部网络连接，具体地，操作站、工程师站与服务器通过监视层网络连接，实物控制站与服务器、工程师站通过系统层网络连接。另外，操作站作为人机交互接口，可用于通过服务器、通讯站监视仿真服务器的运行状态，以及，通过服务器、通讯站操控仿真服务器所控制的被控设备的运行状态。
图3是本发明DCS半实物全范围仿真系统实施例二的逻辑结构图，该实施例的DCS半实物全范围仿真系统包括DCS控制系统及被控仿真系统(未示出)。其中，DCS控制系统包括DCS实物部分和DCS仿真部分，而且，该DCS实物部分包括DCS最小化系统及通讯站112。考虑到单个通讯站的通讯性能和容量的限制，可在DCS实物部分增配多个通讯站(例如，通讯站#1、通讯站#2、通讯站#3)。
该DCS最小化系统为图2所示的DCS最小化系统，而且，包括有实物控制站1111，该实物控制站1111包括待验证的控制设备(未示出)。该DCS仿真部分包括仿真服务器121，该仿真服务器121用于对该DCS控制系统中除该实物控制站1111外的其它控制站的功能进行仿真。而且，通讯站112分别与DCS最小化系统(包括实物控制站1111)及仿真服务器121通讯连接，且用于对该DCS最小系统及仿真服务器进行功能耦合。
另外，通讯站112与仿真服务器121通过网关网络连接。通讯站112与DCS最小化系统通过DCS控制系统的内部网络连接。具体地，在仿真服务器121与通讯站112之间建立专门的网关通讯网络，并以工业标准的通讯协议(例如：Modbus RTU/TCP等)进行数据通讯，具体协议由DCS厂商提供的通讯站所支持的协议来定。通讯站112与DCS实物部分内部网络之间，通过DCS控制系统的内部协议进行通讯。
图4是本发明DCS半实物全范围仿真系统实施例三的逻辑结构图，该实施例的DCS半实物全范围仿真系统包括DCS控制系统及被控仿真系统20。其中，被控仿真系统20用于对被控设备进行仿真。DCS控制系统包括DCS实物部分11和DCS仿真部分12，而且，该DCS实物部分11包括DCS最小化系统及通讯站112，该DCS最小化系统包括操作站(操作站#1、操作站#2)、服务器(服务器A、服务器B)、工程师站、实物控制站1111，该实物控制站1111包括待验证的控制设备(未示出)及控制组态功能块(功能块#10、功能块#11、功能块#12)软件。该DCS仿真部分12包括仿真服务器121，该仿真服务器121包括按预设的逻辑关系连接的多个第一功能模块1211(功能块#1、功能块#2、功能块#3)软件，而且，该多个第一功能模块1211及其逻辑关系与仿真服务器121所仿真的其它控制站的功能相关。通讯站112包括多个独立设置的第二功能模块1121(功能块#1镜像、功能块#2镜像、功能块#3镜像)，而且，每个第二功能模块1121均为相应的第一功能模块1211的镜像模块，且用于代替该相应的第一功能模块1211与DCS最小化系统进行交互。
进一步地，结合图5，假如通讯站112中的第二功能模块1121为仿真服务器121中的第一功能模块1211的镜像模块，那么，该第一功能模块1211用于将其动态输入信号(可为上一级的第一功能模块的输出信号或内部状态信号)同步到该第二功能模块1121，例如，将该动态输入信号同步到该第二功能模块1121的输入缓冲区，而且，还根据其动态输入信号进行功能计算以生成输出信号。该第二功能模块1121用于根据该第一功能模块1211所同步的动态输入信号进行功能计算，并获取输出信号和/或内部状态信号，以实现与相应的第一功能模块的状态同步。另外，该第二功能模块1121还用于将所接收的操控信号同步到该第一功能模块1211，例如，将该操控信号通过输出缓冲区同步到该第一功能模块1211，以实现与相应的第一功能模块的状态同步。
在该实施例中，在通讯站中创建仿真服务器(虚拟控制站)的第一功能模块的镜像，即，创建第二功能模块，具体实现方式为：把虚拟控制站的各个第一功能模块分组定义到不同的通讯站中(分组的目的是因为通讯站通讯容量和计算性能的限制)，而且，通讯站的组态只定义虚拟控制站与实物控制站的站间网络通讯组态，不定义虚拟控制站的控制策略组态，即，仅创建与第一功能模块所实现功能相同(使用相同的方法进行功能计算)的第二功能模块，不创建各个第二功能模块之间的逻辑关系。这样便可使用通讯站中的各个镜像模块(第二功能模块)代替虚拟控制站在DCS控制系统内部进行交互，具体包括：在监视层(操作站的HMI)显示虚拟控制站中部分或全部的第一功能模块的运行状态；接收监视层对虚拟控制站的手动操作指令，实现虚拟控制站与实物控制站的站间网络通讯。
下面具体说明通讯站与虚拟控制站间状态同步的实现方式：在虚拟控制站中，除了各第一功能模块进行数据组态自身状态的计算外，还会根据控制策略(各个第一功能模块之间的逻辑关系)进行控制策略计算，例如，两个第一功能模块的输出信号分别送入第三个功能模块，以作为该第三个功能模块的输入信号。而在通讯站中，各个第二功能模块只负责数据组态自身状态的计算，不进行控制策略计算。所以，在进行通讯站与虚拟控制站间的状态同步时，虚拟控制站只同步各个第一功能模块的动态输入信号到其镜像模块，而由通讯站中的镜像模块自己根据输入信号来计算其输出信号和内部状态信号，从而实现镜像模块整体状态(包括输入信号、输出信号及内部状态信号)的同步。镜像模块的静态输入信号由数据库初始化。这样同步方法，可以在实现状态同步的前提下，大大减少同步的数据通讯量。另外，通讯站向虚拟控制站同步手动操作指令信号，实现了状态的双向同步，保证了DCS控制系统功能的实现。
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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何纂改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种DCS半实物全范围仿真系统，包括DCS控制系统及用于对被控设备进行仿真的被控仿真系统，其特征在于，所述DCS控制系统包括：
DCS实物部分，所述DCS实物部分包括DCS最小化系统及通讯站，所述DCS最小化系统包括实物控制站，所述实物控制站包括待验证的控制设备；
DCS仿真部分，所述DCS仿真部分包括用于对所述DCS控制系统中除所述实物控制站外的其它控制站的功能进行仿真的仿真服务器；而且，
所述通讯站分别与所述DCS最小化系统及所述仿真服务器通讯连接，且用于对所述DCS最小系统及所述仿真服务器进行功能耦合。
2.根据权利要求1所述的DCS半实物全范围仿真系统，其特征在于，
所述仿真服务器包括按预设的逻辑关系连接的多个第一功能模块，而且，所述多个第一功能模块及其逻辑关系与所述仿真服务器所仿真的所述其它控制站的功能相关；
所述通讯站包括多个独立设置的第二功能模块，而且，每个第二功能模块均为相应的第一功能模块的镜像模块，且用于代替所述相应的第一功能模块与所述DCS最小化系统进行交互。
3.根据权利要求2所述的DCS半实物全范围仿真系统，其特征在于，
所述第一功能模块，用于将其动态输入信号同步到相应的第二功能模块，而且，还根据其动态输入信号进行功能计算以生成输出信号；
所述第二功能模块，用于根据相应的第一功能模块所同步的动态输入信号进行功能计算，并获取输出信号和/或内部状态信号，以实现与相应的第一功能模块的状态同步。
4.根据权利要求2所述的DCS半实物全范围仿真系统，其特征在于，
所述第二功能模块，还用于将所接收的操控信号同步到相应的第一功能模块，以实现与相应的第一功能模块的状态同步。
5.根据权利要求1所述的DCS半实物全范围仿真系统，其特征在于，
所述通讯站与所述仿真服务器通过网关网络连接。
6.根据权利要求1所述的DCS半实物全范围仿真系统，其特征在于，
所述通讯站与所述DCS最小化系统通过DCS控制系统的内部网络连接。
7.根据权利要求1所述的DCS半实物全范围仿真系统，其特征在于，
所述通讯站的数量为多个。
8.根据权利要求1所述的DCS半实物全范围仿真系统，其特征在于，所述DCS最小化系统还包括有通讯连接的操作站、服务器，而且，
所述操作站，用于通过所述服务器、所述通讯站监视所述仿真服务器的运行状态，以及，通过所述服务器、所述通讯站操控所述仿真服务器所控制的被控设备的运行状态。
9.根据权利要求8所述的DCS半实物全范围仿真系统，其特征在于，所述DCS最小化系统还包括有与所述操作站、所述服务器、所述实物控制站及所述仿真服务器通讯连接的工程师站。
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