CN115061424B - 用软件实现代替plc梯形图的顺序编程模型的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用软件实现代替PLC梯形图的顺序编程模型的方法，包括以下步骤：S1、选择系统、单元和若干设备，并将其依次连接；S2、配置系统、单元和若干设备的关联信号；S3、建立规则，并进行流程编排；S4、检测系统、单元和若干设备之间是否按规则关联，且检测流程是否有误；相比现有技术，本发明使用自定义的轻量级的消息队列作为流程执行的驱动器，内置了贴合自控系统的指示节点、数据节点、转换节点和动作节点，用户可按需自行配置规则，针对特定控制逻辑编排对应的控制流程，配合自研控制柜使用，降低数据中心节能的成本，并且能适配各种复杂的逻辑控制流程和场景，提升自控逻辑处理的灵活性并降低操作的复杂性。

Description

用软件实现代替PLC梯形图的顺序编程模型的方法及装置
技术领域
本发明涉及自动控制领域，具体涉及用软件实现代替PLC梯形图的顺序编程模型的方法及装置。
背景技术
随着信息技术和经济全球化的发展，数据中心的规模在不断扩大，数据中心的能耗问题受到越来越多的关注，并且已经成为制约数据中心行业可持续发展的重要因素，数据中心为了追求更加的高效节能，往往需要配合自控系统对制冷设备进行控制，在成本可控的情况下对数据中心制冷设备进行稳定、高效的自动控制对于数据中心节能的意义重大。
在现有的自控系统中，大多数是基于PLC编程实现的，PLC就是一种可编程逻辑控制器，PLC编程是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系统，它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。客户可根据领域和使用要求的不同进行PLC选型，然后进行相应的编程来实现控制逻辑。PLC具有强大的数据处理能力，但是一般PLC设备的价格都比较昂贵，梯形图语言沿袭了继电器控制电路的形式, 梯形图是从常用的继电器与接触器逻辑控制中演变而来的, 具有简单、直观、形象和实用等特点, 比较容易被电气从业人员接受, 是目前应用得最广泛的PLC的编程语言，但是对于不懂电气相关知识的软件开发人员来说这种编程模式并不容易被接受。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供用软件实现代替PLC梯形图的顺序编程模型的方法及装置。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
用软件实现代替PLC梯形图的顺序编程模型的方法，包括以下步骤：S1、选择系统、单元和若干设备，并将其依次连接；S2、配置系统、单元和若干设备的关联信号；S3、建立规则，并进行流程编排；S4、检测系统、单元和若干设备之间是否按规则关联，且检测流程是否有误；S5、若连接或流程有误差，进行调试；S6、若连接和流程无误差，则流程执行；S7、在触摸控制板上拖拽系统、单元和若干设备的对应控件，并根据S3进行虚拟连接，实现流程可视化。
作为本发明的进一步优选，所述步骤S2中，关联信号包括阈值信号、遥信信号、遥测信号、遥控信号、遥调信号、系统遥信信号、系统遥测信号、系统遥控信号和系统遥调信号；其中，阈值信号、遥信信号、遥测信号、遥控信号和遥调信号为物理信号，系统遥信信号、系统遥测信号、系统遥控信号和系统遥调信号为逻辑信号。
作为本发明的进一步优选，所述步骤S3的具体步骤如下：S3.1、确定系统、单元和若干设备所需的流程节点；S3.2、配置各流程节点关联系统、单元和设备特定的关联信号、执行条件和属性；S3.3、建立规则，并按照规则将各流程节点连接。
作为本发明的进一步优选，所述步骤S3中，流程节点包括：指示节点、数据节点、转换节点和动作节点，所述指示节点包括用于指示流程的开始和结束的开始节点和结束节点，所述开始节点无前置节点，所述结束节点包括正常结束和异常结束，结束节点无后置节点，所述数据节点包括变更检测节点、测量和记录节点、测量和判断节点、测量和比较节点；所述变更检测节点用于系统定时检测流程节点配置的信号是否发生变更，变更检测的频率与系统采集信号的频率一致，若流程节点配置的信号发生变更，则执行后续节点的流程，若流程节点配置的信号没有发生变更，则不执行后续节点；所述测量和记录节点用于配置信号和记录信号值，并作为后置节点的输入；所述测量和判断节点用于设置若干个条件，信号值满足任意条件，流程就流向该条件的后置节点；所述测量和比较节点，可配置若干个信号，选择最大值或最小值，信号值最大的或者最小的作为该节点的输出，流程流向最大值或者最小值的后置节点；所述动作节点包括信号赋值节点、规则触发节点、设备操作节点、设备操作和状态切换节点、设备操作和定量条件节点、生成弹窗节点、生成告警节点、延时器节点、以及计数器节点；所述信号赋值节点用于选择信号对其赋值或者直接采集信号值作为节点的输出，流程根据下发、采集成功或失败流向不同的方向；所述规则触发节点用于配置当前节点，选择一个已创建的规则作为该节点的动作，执行规则对应的流程，规则执行成功或者失败流程将流向不同的方向；所述设备操作节点用于执行的动作与信号赋值相同；所述设备操作和状态切换节点用于选择数字信号，即DO信号，切换该信号的状态；所述设备操作和定量条件节点用于选择模拟信号，即AO信号，定量向上或者向下调节该信号的值，若定量调节的最终值不在取值范围之内，则判断为操作失败，若操作失败，流程结束，即为异常终止；若成功，流程执行到下一个节点；所述生成弹窗节点用于设置弹窗信息和自动取消时间，执行到该节点，系统页面出现对应信息的弹框；所述生成告警节点用于设置告警信息，执行到告警节点，产生一条告警记录，在告警模块会对告警做统一处理；所述延时器节点用于将流程阻塞对应的时间；所述计数器节点用于设置起始值、截止值和计数步长，当节点所设置的所有条件都为真时计数，计数后的结果作为该节点的输出，或作为后置节点的输入。
作为本发明的进一步优选，所述步骤S6中，流程执行的具体步骤如下：S6.1、查找开始节点，并判断查找到的节点的节点类型是否为开始节点；S6.2、若该节点类型不是开始节点，则重复S6.1；S6.3、若是开始节点，则更新节点实例状态；S6.4、查找路由；S6.5、判断路由的前一个节点是否为开始节点；S6.6、若不是，则重复S6.4-S6.5；S6.7、若是，则实例化路由，获取路由的下一个节点；S6.8、向消息队列推送一条消息，消息包括下一个节点和规则的信息；S6.9、监听消息，并判断是否监听到消息；S6.10、若无监听到消息，则重复S6.9；S6.11、若监听到消息，则消费消息，并执行消息中的节点；S6.12、判断是否正常执行流程；S6.13、若不正常执行，则停止；S6.14、若正常执行，则判断节点类型是否为结束节点；S6.15、若是，则结束；S6.16、若不是，则查找路由，并判断路由的前一个节点是否为刚执行的节点；S6.17、若不是，则重复S6.16；S6.18、若是，则重复S6.7-S6.17。
用软件实现代替PLC梯形图的顺序编程模型的装置，包括控制装置和操作设备；所述控制装置包括服务器、控制柜和控制面板，所述服务器内设置有制冷系统、冷冻水系统、冷却水系统和天气环境系统；所述控制柜包括modbus网关、IO板卡、RTU模块、变频器和继电器；所述modbus网关用于设备信号的下发和采集，流程中数据节点设置的信号通过modbus网关进行采集，而动作节点中设置的信号通过modbus网关进行下发；所述控制面板与控制柜连接，通过控制面板进行自定义配置流程，所述控制柜与若干设备连接，通过执行指定的流程编排规则下发控制指令实现对设备的控制逻辑。
本发明的有益之处在于：本发明使用顺序编程的模式，运用流程引擎的概念，结合IT和自动化技术，将系统的运行逻辑从传统的昂贵的PLC中剥离到可靠性、性能更好的工控服务器中；使用自定义的轻量级的消息队列作为流程执行的驱动器，内置了贴合自控系统的指示节点、数据节点、转换节点和动作节点，用户可按需自行配置规则，针对特定控制逻辑编排对应的控制流程，配合自研控制柜使用，可以代替价格昂贵的PLC，降低数据中心节能的成本，并且用户可配置逻辑流程，能适配各种复杂的逻辑控制流程和场景，提升自控逻辑处理的灵活性并降低操作的复杂性。
附图说明
图1是本发明的框架示意图；
图2是步骤6的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
具体实施例一：
用软件实现代替PLC梯形图的顺序编程模型的方法，包括以下步骤：
S1、选择系统、单元和若干设备，并将其依次连接。
S2、配置系统、单元和若干设备的关联信号，其中关联信号包括物理信号和逻辑信号。
物理信号和逻辑信号的具体如下表1：
信号分类 信号类型 信号代码 信号代码含义 读写规则
物理信号 阈值信号 TV 阈值告警 读
物理信号 遥信信号 DI 数字输入 读
物理信号 遥测信号 AI 模拟输入 读
物理信号 遥控信号 DO 数字输出 读写
物理信号 遥调信号 AO 模拟输出 读写
逻辑信号 系统遥信信号 SDI 系统数字输入 读
逻辑信号 系统遥测信号 SAI 系统模拟输入 读
逻辑信号 系统遥控信号 SDO 系统数字输出 读写
逻辑信号 系统遥调信号 SAO 系统模拟输出 读写
表1：物理信号和逻辑信号的具体内容
S3、建立规则，并进行流程编排；规则的创建、启动、修改。从触发方式的不同，规则分为主动触发和被动触发，主动触发是指需要收到点击触发的规则，而被动触发则是通过定时任务的方法进行触发的。规则又分为否是系统内置，在创建系统、单元或设备时自动创建的规则就是内置规则，而用户手动创建的规则就不是系统内置规则。
结合图2，步骤S3具体步骤如下：
S3.1、确定系统、单元和若干设备所需的流程节点。
其中，流程节点包括流程节点包括：指示节点、数据节点、转换节点和动作节点，每个节点都是为了某个功能特别设计的，各个节点的属性、执行条件和执行结果都不一样，在节点中可选择系统、单元、设备下对应的信号，并根据需求设置执行条件。
指示节点包括开始节点和结束节点，指示流程的开始和结束，开始节点没有前置节点，结束节点又分为正常结束和异常结束，结束节点没有后置节点。
所述数据节点包括变更检测节点、测量和记录节点、测量和判断节点、测量和比较节点。
变更检测节点，系统会定时去检测节点配置的信号是否发生变更，主要是为了触发后续节点流程的执行，变更检测的频率与系统采集信号的频率一致，若发生变更，会执行后续节点的流程，若没有发生变更，则不会执行后续节点。
测量和记录节点，可配置信号，记录信号值，可作为后置节点的输入。
测量和判断节点，可设置多个条件，信号值满足哪个条件，流程就流向该条件的后置节点。
测量和比较节点，可配置多个信号，选择最大值或最小值，信号值最大的或者最小的就作为该节点的输出，流程流向最大值或者最小值的后置。
所述动作节点包括信号赋值节点、规则触发节点、设备操作节点、设备操作和状态切换节点、设备操作和定量条件节点、生成弹窗节点、生成告警节点、延时器节点、以及计数器节点。
信号赋值节点，选择信号对其赋值或者直接采集信号值作为节点的输出，流程根据下发或采集成功还是失败流向不同的方向。
规则触发节点，配置此节点，相当于一个嵌套的规则，可选择一个已创建的规则作为该节点的动作，执行规则对应的流程，规则执行成功或者失败流程将流向不同的方向。
设备操作节点，执行的动作与信号赋值相同，只是信号赋值的信号是系统信号，而设备操作的信号是设备信号。
设备操作和状态切换节点，选择数字信号，即DO信号，切换该信号的状态。
设备操作和定量条件节点，选择模拟信号，即AO信号，可定量向上或者向下调节该信号的值，若定量调节的最终值不在取值范围之内，则判断为操作失败，若操作失败，流程结束（异常终止），若成功，流程执行到下一个节点。
生成弹窗节点，可设置弹窗信息和自动取消时间，执行到该节点，系统页面会出现对应信息的弹框。
生成告警节点，可设置告警信息，执行到告警节点，会产生一条告警记录，在告警模块会对告警做统一处理。
延时器节点，可将流程阻塞对应的时间。
计数器节点，可设置起始值、截止值和计数步长，当节点所设置的所有条件都为真时计数，计数后的结果作为该节点的输出，可作为后置节点的输入。
S3.2、配置各流程节点关联系统、单元和设备特定的关联信号、执行条件和属性。
S3.3、建立规则，并按照规则将各流程节点连接。
S4、检测系统、单元和若干设备之间是否按规则关联，且检测流程是否有误。
S5、若连接或流程有误差，进行调试。
S6、若连接和流程无误差，则流程执行；即使用消息队列作为流程执行的驱动，分离节点本身和节点的执行，将节点之间的事务进行隔离。编排好一个规则流程，会保存对应的节点定义和路由定义的数据，节点定义包括节点名称、类型、执行状态、节点所属的规则和一个唯一表示节点的UID字段，路由的定义包括路由的前一个节点（节点的UID）、后一个节点、路由条件的ID和所属的规则ID等，流程执行时，会先执行开始节点，然后根据开始节点的UID找到它的路由，根据路由的下一个节点的UID找到下一个节点，并向消息队列发送一条消息，监听器监听到消息就会消费该消息调执行该节点，若是多路由的节点，根据条件找到对应的路由并实例化，执行路由，找到下一个节点，又向消息队列发送一条消息，不断重复这个过程，直到流程执行完成。
流程执行的具体步骤如下：
S6.1、查找开始节点，并判断查找到的节点的节点类型是否为开始节点。
S6.2、若该节点类型不是开始节点，则重复S6.1。
S6.3、若是开始节点，则更新节点实例状态。
S6.4、查找路由。
S6.5、判断路由的前一个节点是否为开始节点。
S6.6、若不是，则重复S6.4-S6.5。
S6.7、若是，则实例化路由，获取路由的下一个节点。
S6.8、向消息队列推送一条消息，消息包括下一个节点和规则的信息。
S6.9、监听消息，并判断是否监听到消息。
S6.10、若无监听到消息，则重复S6.9。
S6.11、若监听到消息，则消费消息，并执行消息中的节点。
S6.12、判断是否正常执行流程。
S6.13、若不正常执行，则停止。
S6.14、若正常执行，则判断节点类型是否为结束节点。
S6.15、若是，则结束。
S6.16、若不是，则查找路由，并判断路由的前一个节点是否为刚执行的节点。
S6.17、若不是，则重复S6.16。
S6.18、若是，则重复S6.7-S6.17。
S7、在触摸控制板上拖拽系统、单元和若干设备的对应控件，并根据S3进行虚拟连接，实现流程可视化。
将流程相关控件可视化到触摸控制板，用户可自行创建规则或者在系统内置规则下自定义规则流程编排，同时流程节点都可以进行自由组合连接，节点根据不同的执行结果或者不同的条件连接不同的后置节点，可选流程要关联的系统、单元或者设备信号。
具体实施例二：
结合图1、用软件实现代替PLC梯形图的顺序编程模型的装置，包括控制装置和操作设备；所述控制装置包括服务器、控制柜和控制面板，所述服务器内设置有制冷系统、冷冻水系统、冷却水系统和天气环境系统；所述控制柜包括modbus网关、IO板卡、RTU模块、变频器和继电器；所述modbus网关用于设备信号的下发和采集，流程中数据节点设置的信号通过modbus网关进行采集，而动作节点中设置的信号通过modbus网关进行下发；所述控制面板与控制柜连接，通过控制面板进行自定义配置流程，所述控制柜与若干设备连接，通过执行指定的流程编排规则下发控制指令实现对设备的控制逻辑。
具体实施例三：
S001：当需要对指定设备配置特定的自控逻辑时，运维人员将指定设备连接到S4中的控制柜。
S002：在S3中提到的触摸控制板上创建特定规则，通过拖拽S1中定义的节点配置该规则的执行流程。
S003：配置各节点关联系统、单元和设备特定的信号、执行条件和属性。
S004：设置S002中规则的执行方式，执行规则即可完成控制逻辑。
具体实施例四：
本发明与西门子PLC方案从成本上进行比较，具体装置配置见表2和表3。
项目 数量 单价 小计
PLC自身电源 3 750 2250
CPU 317-2 DP 1 6000 6000
接口模块IM 3 920 2760
开关量32点输入 7 1500 10500
开关量32点输出 4 850 3400
模拟量16点输入 9 1500 13500
模拟量8点输出 5 1200 6000
直流电源 12 260 3120
电源冗余模块 6 125 750
网关机 0 85 0
工业交换机 1 550 550
合计 48838元
表2：西门子PLC装置成本明细
项目 数量 单价 小计
远程IO-16DI 14 483 6762
远程IO-8DO(继电器输出) 14 299 4186
远程IO-8AI 20 225 4500
远程IO-8AO 7 1180 8260
直流电源 12 260 3120
电源冗余模块 6 125 750
网关机 19 85 1615
工业交换机 3 550 1650
合计 30843元
表3：本发明装置成本明细
通过表2和表3的对比，本发明明显比常规的PLC方案在成本上有明显的减少。
本发明的有益之处在于：本发明使用顺序编程的模式，运用流程引擎的概念，结合IT和自动化技术，将系统的运行逻辑从传统的昂贵的PLC中剥离到可靠性、性能更好的工控服务器中；使用自定义的轻量级的消息队列作为流程执行的驱动器，内置了贴合自控系统的指示节点、数据节点、转换节点和动作节点，用户可按需自行配置规则，针对特定控制逻辑编排对应的控制流程，配合自研控制柜使用，可以代替价格昂贵的PLC，降低数据中心节能的成本，并且用户可配置逻辑流程，能适配各种复杂的逻辑控制流程和场景，提升自控逻辑处理的灵活性并降低操作的复杂性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.用软件实现代替PLC梯形图的顺序编程模型的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、选择系统、单元和若干设备，并将其依次连接；S2、配置系统、单元和若干设备的关联信号，关联信号包括阈值信号、遥信信号、遥测信号、遥控信号、遥调信号、系统遥信信号、系统遥测信号、系统遥控信号和系统遥调信号；S3、建立规则，并进行流程编排；具体步骤如下：S3.1、确定系统、单元和若干设备所需的流程节点；其中，流程节点包括：指示节点、数据节点、转换节点和动作节点；S3.2、配置各流程节点关联系统、单元和设备特定的关联信号、执行条件和属性；S3.3、建立规则，并按照规则将各流程节点连接；S4、检测系统、单元和若干设备之间是否按规则关联，且检测流程是否有误；S5、若连接或流程有误差，进行调试；S6、若连接和流程无误差，则流程执行；流程执行的具体步骤如下：S6.1、查找开始节点，并判断查找到的节点的节点类型是否为开始节点；S6.2、若该节点类型不是开始节点，则重复S6.1；S6.3、若是开始节点，则更新节点实例状态；S6.4、查找路由；S6.5、判断路由的前一个节点是否为开始节点；S6.6、若不是，则重复S6.4-S6.5；S6.7、若是，则实例化路由，获取路由的下一个节点；S6.8、向消息队列推送一条消息，消息包括下一个节点和规则的信息；S6.9、监听消息，并判断是否监听到消息；S6.10、若无监听到消息，则重复S6.9；S6.11、若监听到消息，则消费消息，并执行消息中的节点；S6.12、判断是否正常执行流程；S6.13、若不正常执行，则停止；S6.14、若正常执行，则判断节点类型是否为结束节点；S6.15、若是，则结束；S6.16、若不是，则查找路由，并判断路由的前一个节点是否为刚执行的节点；S6.17、若不是，则重复S6.16；S6.18、若是，则重复S6.7-S6.17；S7、在触摸控制板上拖拽系统、单元和若干设备的对应控件，并根据S3进行虚拟连接，实现流程可视化。
2.根据权利要求1所述的用软件实现代替PLC梯形图的顺序编程模型的方法，其特征在于，所述步骤S2中，阈值信号、遥信信号、遥测信号、遥控信号和遥调信号为物理信号。
3.根据权利要求1所述的用软件实现代替PLC梯形图的顺序编程模型的方法，其特征在于，所述步骤S3中，流程节点包括：指示节点、数据节点、转换节点和动作节点，所述指示节点包括用于指示流程的开始和结束的开始节点和结束节点，所述开始节点无前置节点，所述结束节点包括正常结束和异常结束，结束节点无后置节点，所述数据节点包括变更检测节点、测量和记录节点、测量和判断节点、测量和比较节点；所述变更检测节点用于系统定时检测流程节点配置的信号是否发生变更，变更检测的频率与系统采集信号的频率一致，若流程节点配置的信号发生变更，则执行后续节点的流程，若流程节点配置的信号没有发生变更，则不执行后续节点；所述测量和记录节点用于配置信号和记录信号值，并作为后置节点的输入；所述测量和判断节点用于设置若干个条件，信号值满足任意条件，流程就流向该条件的后置节点；所述测量和比较节点，可配置若干个信号，选择最大值或最小值，信号值最大的或者最小的作为该节点的输出，流程流向最大值或者最小值的后置节点；所述动作节点包括信号赋值节点、规则触发节点、设备操作节点、设备操作和状态切换节点、设备操作和定量条件节点、生成弹窗节点、生成告警节点、延时器节点、以及计数器节点；所述信号赋值节点用于选择信号对其赋值或者直接采集信号值作为节点的输出，流程根据下发、采集成功或失败流向不同的方向；所述规则触发节点用于配置当前节点，选择一个已创建的规则作为该节点的动作，执行规则对应的流程，规则执行成功或者失败流程将流向不同的方向；所述设备操作节点用于执行的动作与信号赋值相同；所述设备操作和状态切换节点用于选择数字信号，切换该信号的状态；所述设备操作和定量条件节点用于选择模拟信号，定量向上或者向下调节该信号的值，若定量调节的最终值不在取值范围之内，则判断为操作失败，若操作失败，流程结束，即为异常终止；若成功，流程执行到下一个节点；所述生成弹窗节点用于设置弹窗信息和自动取消时间，执行到该节点，系统页面出现对应信息的弹框；所述生成告警节点用于设置告警信息，执行到告警节点，产生一条告警记录，在告警模块会对告警做统一处理；所述延时器节点用于将流程阻塞对应的时间；所述计数器节点用于设置起始值、截止值和计数步长，当节点所设置的所有条件都为真时计数，计数后的结果作为该节点的输出，或作为后置节点的输入。
4.采用权利要求1-3中任意一项所述的用软件实现代替PLC梯形图的顺序编程模型的方法的装置，其特征在于，包括控制装置和操作设备；所述控制装置包括服务器、控制柜和控制面板，所述服务器内设置有制冷系统、冷冻水系统、冷却水系统和天气环境系统；所述控制柜包括modbus网关、IO板卡、RTU模块、变频器和继电器；所述modbus网关用于设备信号的下发和采集，流程中数据节点设置的信号通过modbus网关进行采集，而动作节点中设置的信号通过modbus网关进行下发；所述控制面板与控制柜连接，通过控制面板进行自定义配置流程，所述控制柜与若干设备连接，通过执行指定的流程编排规则下发控制指令实现对设备的控制逻辑。
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