大型分布式控制系统层次型实时数据映射方法

摘要

本发明涉及一种大型分布式控制系统(DCS)实时数据组织、通信和建立数据库的方法，包括：数据采集和测点计算在I/O层实现，I/O层按照不同种类定义最基本的实时数据组织模板，作为DCS系统的数据库映射的最小单元；I/O实时数据包通信给现场控制器(LDPU)层；LDPU的实时数据包直接通过控制网络通信与其它现场控制器(LDPU)、协调控制器(HDPU)共享；DCS系统的主站层(HMI/SCADA)的实时数据库由LDPU层实时数据包直接映射生成，实现HMI/SCADA层不同节点的实时数据同步。这种基于层次型概念的DCS系统实时数据组织方法提高了DCS系统的实时信息采集、挖掘、传输和应用的速度，提升了DCS系统的控制性能。相比于常规的以I/O测点为单位的数据组织方案而言具有巨大的优越性。

说明书

技术领域

本发明涉及大型火力发电厂、石油、化工、冶金、轨道交通等行业的自动化领域，尤其涉及用于自动化系统的内部实时数据组织和高速通信技术。

背景技术

人类历史过去的百年是电气和自动化技术实践的百年，自动化技术的发展为人类进步做了巨大的贡献，分布式控制系统DCS成为实现多个工业行业工厂自动化的基本控制系统。随着IT技术、现场总线技术的发展，新一代的DCS技术正在快速改变现代工厂的生产运行和管理模式，DCS系统的规模也在快速发展。如何实现更好性能的DCS系统的关键技术之一在于DCS系统的高速实时数据组织和内部通信。该项申报技术就是专门用于大型分布式DCS系统的内部实时数据的组织和高速通信的。

分布式自动化系统(以下简称DCS)是现代工业控制的最主要的控制系统，DCS系统广泛用于各个工业行业，包括电力、石油、化工、冶金、造纸、制药、食品、市政等行业，其中在电力和化工行业的应用最复杂，规模最大。DCS系统由I/O模块、现场总线模块、控制器、HMI/SCADA、信息集成技术、通信技术、冗余技术、不同行业的定制功能构成。大型或超大型DCS系统点数为1～10万点。

随着现代工业与IT技术的结合，DCS系统的控制规模正在逐步扩大，逐渐包括大量的常规I/O、现场总线接口的传感器和执行器，并通过通信接口集成辅助车间的监控系统。另一方面，DCS系统越来越分布化，I/O等硬件逐步下放到现场，和位于现场的传感器、执行器在一起，控制器层也越来越分散，整个控制系统的物理分布在半径为几百米或几公里的范围内，高速可靠的通信是DCS系统的关键技术。

随着现代工业制造水平的提高，DCS系统的控制实时性越来越高，从秒级的控制发展为100ms级的控制，目前正在向10ms级的控制发展。对于一个几万点规模的大型控制系统，10ms级的控制实时性要求整个DCS的内部实时数据计算、组织、通信必需要极高的效率和速度。

发明内容

本发明涉及一种大型分布式控制系统DCS实时数据组织、通信和建立自下而上映射数据库的方法和技术。DCS系统包括主站层(HMI/SCADA)、协调控制器(HDPU)和现场控制器(LDPU)以及包括现场总线设备在内的I/O层。实时数据组织和映射技术涉及主站层、控制器层和I/O层的数据库建立和数据通信，其中现场控制器和I/O层的通信采用现场总线网络；控制器层的通信，包括协调控制器和现场控制器之间、现场控制器和现场控制器之间的通信采用现场控制网络；主站层与协调控制器之间通信采用管理网络。

实时数据映射技术的关键是建立层次型实时数据组织方案；数据采集、计算、挖掘在I/O层实现，I/O层按照不同种类定义最基本的实时数据组织模板，作为DCS系统的数据库映射的最小单元；I/O实时数据包通信给现场控制器(LDPU)层，LDPU不解包直接入LDPU的实时数据库，LDPU建立自身的虚测点模板库，也作为LDPU层的数据库映射单元参与上一级数据库的建立；LDPU的实时数据包直接通过控制网络通信与其它现场控制器(LDPU)、协调控制器(HDPU)共享，HDPU不解包即可获得全部LDPU的全部数据，同时获得了全部I/O的实时数据；DCS系统的主站层(HMI/SCADA)经管理网络(O-NET)直接获得协调控制器(HDPU)的实时数据，不解包直接入实时数据库，同时实现HMI/SCADA层不同节点的实时数据同步。

这种基于层次型概念的DCS系统实时数据组织技术能够提高DCS系统的实时信息采集、挖掘、传输和应用的速度，提升了DCS系统的控制性能。相比于常规的以I/O测点为单位的数据组织方案而言具有巨大的优越性。

附图说明

图1示意了采用层次型实时数据映射技术的DCS系统结构；

图2示意了通过数量不等的AI、DI、DO单元映射生成LDPU的实时数据库；

图3示意了由多个现场控制器(LDPU)映射生成主站层实时数据库；

图4示意了不同LDPU之间交换需要的I/O层实时数据的过程。

具体实施方式

下面根据说明书附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细表述。

本发明的一种大型分布式控制系统DCS实时数据实时数据映射的步骤和方法如下：

1.建立I/O层实时数据模板，并作为层次型实时数据映射的最基础单元

I/O种类定义为基础类模板和现场总线模板，其中基础类模板包括：定义AI、AO、DI、DO、PI实时数据模板；现场总线模板包括：电动机保护测控、厂用变保护测控、线路保护测控、备自投测控等模板。相同类型的I/O具有相同的数据库，只是测点值不同。

I/O单元对自身的测量计算点(实点)、自检和状态判别(虚点)实时写入该I/O的实时数据包(实时数据库)；现场总线I/O与基础类I/O没有区别，现场总线I/O的诊断信息、报警信息都作为测点存在于实时数据模块中。

现场控制器与I/O层通过现场总线通信，通信包括将I/O层实时数据包送给现场控制器，将现场控制器的下行控制命令传递给相应的I/O单元执行。

2.控制器层的实时数据组织

控制器(包括就地控制器LDPU和协调控制器HDPU)的实时数据库由该控制器自己的实时数据模块和该控制器所管辖的I/O层单元的实时数据库组成。控制器按属于它的I/O层单元的地址将这些I/O单元的实时数据库组成控制器的数据库，I/O单元的实时数据库和控制器的实时数据库完全对应，控制器自己的实时数据模块包括控制器的内部状态和诊断信息、控制器与I/O单元的通信状态信息等。

所谓数据映射是指在DCS系统体系中，位于下层的单元向上一层单元发送实时数据信息时，直接把实时数据包发送给上层单元，上层单元无需解包，将收到的数据包直接按下层单元的地址写入该单元的实时数据库。从而实现以数据包为单位的整个数据块搬移，具有最大的速度和效率。

3.控制器层之间的实时数据交换

就地控制器(LDPU)只与属于自己的I/O层通信，并直接获取I/O层设备的实时数据，由于过程控制的需要，LDPU还需要得到部分属于其它LDPU的I/O层设备的实时数据，这就需要LDPU之间存在实时数据交换。LDPU之间通过实时控制网络通信，LDPU可以配置为接收其它LDPU的实时数据包，并只存储本LDPU需要的其它LDPU的实时数据。

4.主站(HMI/SCADA)层实时数据组织

主站层与LDPU之间的实时数据映射与控制器层和I/O层的实时数据映射完全相同。I/O层实时数据库组成了LDPU层的实时数据库，而LDPU的实时数据库组成了主站层的实时数据库。主站层的实时数据库是整个DCS系统的全部实时数据。

采用层次型实时数据映射技术的大型分布式控制系统分为四层组成，如图1所示，分别为：

1)HMI/SCADA监控主站层

2)HDPU协调控制器层

3)LDPU现场控制器层

4)I/O层(包括现场总线I/O)

其中第一层HMI/SCADA对上可与生产过程的信息管理系统接口，第四层I/O层可经现场总线或硬接线接入现场传感器和执行器。至此构成了全厂的信息采集、控制、自动化和管理系统。。

I/O层包括常规I/O单元和现场总线单元，其它常规I/O如下：

■AI模拟量输入单元

■AO模拟量输出单元

■DI开关量输入单元

■DO开关量输出单元

■PI脉冲量输入单元

现场总线I/O如下：

■电动机保护测控单元

■厂用变保护测控单元

■备自投单元

■线路保护测控单元

■变压器差动保护单元

■低压测控单元

分别对以上I/O单元定义实时数据模板，LDPU位于就地，连接I/O单元。LDPU的实时数据由两部分构成，其一是属于这个LDPU的各个I/O单元；其二是LDPU自身的虚点。本项技术采用直接映射LDPU的各个I/O实时数据包入LDPU实时数据库的方式构建快速的LDPU实时数据包。

附图2示意了通过I/O的实时数据包映射生成现场控制器(LDPU)的实时数据库。

LDPU通过控制网络实时通信，使得每个LDPU都可以获得全部LDPU的实时数据。HDPU与LDPU一样从控制网络上获得全部LDPU的实时数据。

HMI/SCADA的实时数据组织完全建立在HDPU的实时数据库的基础上。HMI/SCADA节点通过TCP方式与HDPU通信，每个HMI节点实时订阅HDPU的实时数据，订阅时间周期小于100ms。HDPU的实时数据库直接映射到HMI节点的实时数据库中。