CN104603700B - 用于设计分布控制***的方法及其设计工具 - Google Patents

Abstract

按照本发明的一个方面，提供了一种方法，该方法用于设计具有至少一个输入/输出设备和至少一个控制器的分布控制***(DCS)，使得所述至少一个输入/输出设备和至少一个控制器在它们之间或相对于彼此具有通信连接。所述方法包括以下步骤：请求用户输入应用类型并且从一个或多个变形选项中选择变形，从DCS中可用的多个设备中识别至少一个设备，基于用户输入从库中选择包含功能片段的至少一个功能块，考虑到从多个设备中识别的至少一个设备来创建功能片段的实例以及布置功能片段的至少一个实例，以及基于所创建的功能模块的实例来配置识别的至少一个设备。方法涉及对于所选择的解决方案变形选项来分析功能片段的实例的布置，并且做出动态变更以满足一个或多个识别的DCS需要。还基于用于设计的方法提供了设计工具。

Description

用于设计分布控制***的方法及其设计工具

技术领域

本发明涉及分布控制***，并且更具体地涉及用于设计分布控制***的方法。

背景技术

分布控制***(在下文DCS)用于控制加工厂，并且在工厂内实现自动化中起重要作用。通过经由DCS的各种设备设计这些控制和自动化功能来实现对于加工厂的控制和自动化功能。

设计的方法通常基于标准，例如IEC 61499(国际电工委员会)，其规定由设备模型、资源模型和应用模型组成的***模型以用于配置***。设备模型规定表示设备、其过程接口、通信接口以及用于事件的数据流。可对DCS中的资源进行配置、用参数表示、开启(start up)、删除等。资源模型规定预定功能，其配备了功能块规范。应用模型规定高级应用和子应用构建和行为。应用可分布在相同或不同的设备中的若干资源之中。

设计过程包括以下步骤：分析以P&I图表、输入/输出(I/O)点描述和一些附加的用户输入的形式进来的输入以及基于所述输入创建功能块网络，连接功能块以及基于预先设置的设备/控制器来创建应用。

每个设备/控制器类型与其库一起出现，所述库包含能够从控制器使用的功能块的类型。同样，控制器类型与其能力的某些描述一起出现，例如它们支持什么用于通信的接口。这些控制器类型库在设计站工具箱中出现。工程师按照类似下面的原则将这些功能或应用类型拖曳(drag drops)给功能设计者：

1.写入/布线需要和现场输入和输出的物理位置

2.装载控制逻辑然后检查运行时的CPU利用

3.通信逻辑配置为标准接口(通信)块并且连接到控制逻辑并且作为数据或事件表露在控制网络上。

4.I/O的数量及其类型决定分配，并且控制器能够接入有限的I/O，或者I/O直接附连到控制器。

5.当前工程师选择控制器类型，控制器类型将与I/O信息一起工作。

这些应用附有时间约束，并且定义和下载了执行顺序，使得它们在所定义的执行顺序下操作。

在现代设备中，智能能够驻留在传感器、I/O、控制器(通信接口或控制模块)和人机界面(运行方实时部件和非实时部件)的任何地方来创建能够动态计算的***。

在现代***中，所有数据在单一总线上可以是可用的(或能够经由代理/网关进入单一总线)，并且动态连接设备是可能的。

为了利用常规设备的能力并且充分利用与具有用于动态连接的能力和可编程智能的较新设备一起出现的新技术，对于控制***中的设备上的平衡应用分布，存在较动态的方法的需要。

在现代***中，邻近性的考虑可不再是约束，由于用有线宽带/无线网络我们能够跨越足够远的距离交谈。在一个总线上的所有数据的可用性意味着我们能够基于以较分布的方式和较本地的方式上的数据和对数据的响应来采取各种决策。为了有效实现分布并且仍作为***在一起工作，需要传送上的软配齐/软连线和重新连线是动态的。

本发明旨在提供设计DCS的方法，该方法能够在同时代的DCS中考虑所有前面提到的结构的和功能的改进。

发明内容

本发明的一个方面是用于设计DCS的方法。DCS具有包含至少一个输入/输出(I/O)设备和至少一个控制器设备的、在DCS网络上连接的多个设备，使得I/O设备能够与至少一个控制器设备通信。在现代DCS中，I/O设备中的任何一个能够与控制器设备中的任何一个通信，并且与控制器关联的过程控制/监管活动可在控制器或I/O设备自身的任何一个中实现。本发明提供用于设计这种***的方法。该方法包括多个步骤，所述多个步骤包括：请求用户输入应用类型，并且对于所请求的应用类型从设计工具库中可用的一个或多个解决方案变形选项中选择解决方案变形。基于用户输入，从DCS中的多个可用设备中识别用于配置的至少一个设备。同样，对于所请求的应用类型和解决方案变形，识别对应的功能块。

功能块由链接在一起的多个功能片段组成，在一个或多个设备中配置功能片段。功能片段的实例在设计工具中创建，并且考虑识别的至少一个设备(例如I/O设备)被布置。实例的创建包括考虑所涉及的设备规范、过程和通信开销来分析功能片段，使得可根据DCS(过程、设备或交互)需要确定全部的功能性。按照分析所创建的实例和合适的布置用于通过设计工具来配置设备。在分析期间设计工具可动态重新布置功能片段的初始所创建的实例，以满足一个或多个识别的分布控制***需要。

而且，将涉及对于各种解决方案变形选项或设备或(通过算法步骤号的)算法类型的功能片段的所分析的选项进行报告以收集用户输入以找到适合配置的解决方案。设计工具还可由自身选择用于配置的功能片段和设备的最合适的组合。

本发明的另一方面，提供了使用本发明中描述的方法的设计工具。设计工具具有所要求的功能块的库，该库具有与在DCS中使用的通信块类型和设备类型关联的算法类型和算法步骤号和规范。而且，设计工具对于DCS中的设备具有用于创建功能片段的模块并且对于在DCS中使用的设备具有用于分析功能片段的实例的模块。设计工具按照所创建的功能片段的实例来执行设备的配置。

附图说明

为了全面和更完整地理解所要求保护的发明，参照本文下面的附图：

图1按照本发明示出设计的方法的框图。

具体实施方式

参考附图提供了下面的描述以帮助全面理解由权利要求及其等同所定义的本发明的优选的实施例。它包括各种具体细节以帮助理解，但是这些仅当作是示范性的。

用于设计DCS的示范性设计工具使用功能块网络接受包括过程和指令(P&I)图表、I/O点描述和用户输入的输入以基于所述输入来设计DCS。设计工具包括设备/控制库，所述设备/控制库包含关于设备类型、功能块类型和通信块类型的信息。

本发明旨在提供支持动态能力的设计DCS的方法。该工具进一步包括设备/控制库，还包含定义(与过程关联的)算法类型-例如PI或PID以及算法步骤号(基于架构输入的执行顺序步骤)的新的属性。如果存在可作为选项用的多个算法类型，则算法步骤号能够基于算法类型来区分。

图1示出了所述方法[100]。根据目前的发明，该方法包括以下步骤：请求用户输入应用类型并且从一个或多个解决方案变形选项中选择解决方案变形[110]，基于用户输入从对于设计DCS可用的多个设备中识别至少一个设备[120]，基于所述用户输入从在设计工具库中可用的多个功能块中选择至少一个功能块连同其功能片段[130]，考虑从多个设备中识别的至少一个设备来创建功能片段的实例以及布置至少一个功能片段的实例[140]，以及基于所创建的功能片段的实例配置从多个设备中识别的至少一个设备[150]。

这里，在本发明提供的方法中，在对于所选择的解决方案变形选项和关联的/可用的设备分析功能片段的实例的布置之后，执行创建功能片段和布置功能片段的步骤，所述功能片段与对于DCS中的具体设备来指定功能片段关联，使得该布置满足与DCS或过程需要或所使用的设备的功能性关联的设计规范。在本发明中，这样的规范在本文中称作“分布控制***需要”。

分析还包括DCS设计工具内可用的一系列选项，由设计工具用功能块片段布置、算法(基于与可用功能块关联的算法步骤号和算法类型)或解决方案变形的各种组合来尝试可用的设备，以在最佳可能的方式中满足分布控制***需要。工具还建议可用的选项以用于设计DCS中可用资源的最佳使用。可同样处理用户输入以基于所分析(所创建)的功能片段的实例来确认用于设备配置的具体选项。

因此，设计工具提供可与功能片段的初始选择不同的功能片段的动态分布，基于一系列分析以对于所选择的/可用的设备找到最适合的功能片段，并且作为***最佳工作以满足DCS需要。

还借助对于锅炉控制中的应用的示范性说明示出方法和设计工具。在配置期间使用设计工具请求用户规定应用类型，并且用户对于示例锅炉保护选择应用类型。该工具请求用户从多个解决方案变形中选择，为了说明假定解决方案变形1或解决方案变形2，其中，解决方案变形包含下面的信息：

a.时间同步方案

i.来源设备类型和精度

ii.时间同步通信机制和协议方案

b.通信和决策方案

i.用于决策制定的投票协议方案

ii.决策制定者和参加者方案

c.警报方案

i.对于警报传播和协议方案的通信路径的定义

ii.精度描述和定时方案

为了说明，对于锅炉保护应用类型，可考虑下面的解决方案变形作为示范性例子。

解决方案变形1

a.时间同步方案

1.来源设备类型＝控制器，以及精度＝1ms

2.时间同步通信机制和协议方案＝SNMP

b.通信和决策方案

1.用于决策制定的投票协议方案＝ALP(私有协议)

2.决策制定者和参加者方案(2/3投票)遵从PRP标准的冗余性

3.大于210MW并且小于1000MW的工厂的能力

c.警报方案

1.用于警报传播和协议方案的通信路径的定义＝基于HMI导向的EEMUA 191标准

2.精度描述＝事件的顺序对于过程保持1ms以及对于功率***事件保持1微秒

解决方案变形2

a.时间同步方案

1.来源设备类型＝外部时间来源，以及精度＝1微秒

2.时间同步通信机制和协议方案＝PTP 1588

b.通信和决策方案

1.用于决策制定的投票协议方案(2/3投票)

2.决策制定者和参加者方案(基于投票或基于混合快速/精度的决策支持)以及基于HSR方案的冗余性

c.警报方案

1.对于警报传播和协议方案的通信路径的定义＝包括所有链接的网络(包括现场和控制器)＝基于SysLog并且更多通过以太网还有无线链路

2.精度描述＝在过程和功率***事件上1微秒

用户从两个选项中选择解决方案，比如用户选择解决方案变形1以完成设计中的第一步骤210。

工具随后基于接口识别设备支持。用于SNTP的接口在设备中表示-比如通过过滤控制器类型中的可用变形来选择控制器1(控制器类型中的变形)。如果I/O是智能I/O，则I/O处理能够在I/O上。随着时间同步精度在毫秒量级，在控制器库中增加了时间同步功能。基于***安全(安全完整性等级标准)等级，选择正确的接口和设备。

接口将包括用于示例CPU的外部和内部接口＝处理器接口，以太网卡＝通信接口，支持具体协议(比如SNTP)被看作支持协议的完整接口。基于设备类型信息这些是可用的。

基于功能的组织的工具当前通过库来浏览以选择功能块，该功能块作为功能片段或逻辑门元件的组是可用的，包括：

·时间同步块

·基于接口类型用于I/O处理的功能块

·负责对等通信的功能块

·负责HMI交互的功能块

·预处理功能块

·基本逻辑功能块

·负责决策或主要功能的功能块

功能块的更多具体例子包括

时间同步块-EXEXEC-与用于功能块的时间同步和时间周期设定使用的扩展执行功能块

I/O有关的功能块

脉冲输入/周期(PIPER)功能块，模拟输入从设备(AIS/FBS-现场总线从设备)

HMI相关的功能块

模拟例外报告功能块(AO/L)。

SOE/S-从设备事件的顺序-32位数字输入的能力，基于所要求的精度将它们附上时间戳作为识别警报和事件和它们的顺序。

基本功能块能够包括AND块、RCM-远程控制存储器块。

与决策制定和执行有关的功能块

能够多状态设备驱动-MSDVDR能够支配马达，并且具有带反馈的四个状态控制。.

在来自过程变量和设置点输入的错误信号上，PID错误能够提供成比例的、完整的以及派生的动作。

在设计***中，***创建功能或逻辑块的实例。在如上所述的来自功能块或逻辑门元件的选择的组合内，基于库中所定义的算法步骤属性从输入到输出布置功能块或逻辑实例。考虑这些组合作为初始的片段，可在设计工具中离线使用。

例如，初始观察片段可以是片段1-包括输入块和时间同步块。片段2-模拟例外报告和事件从设备的顺序一起，以及片段3-决策块PID错误和MSDVDR-能够控制现场装备的多状态设备驱动。

工具执行正向链分析以示解决方案变形定义和功能实例的布置或逻辑块是如何满足这些标准的。

a.***检测开始时间以及事件同步片段的从输入到输出，***分析执行顺序并且检查执行所花费的时间。

b.考虑到片段将进入多个设备来看虚拟设备盒并且考虑到20％的通信开销的因素，将执行时间与锅炉保护解决方案的要求的＜20ms的总反应时间进行比较

c.检查所有片段块它们是否具有来自时间同步片段和周期时间的输入，使得由来自警报和事件的输出生成的它们的时间戳能够保持1ms精度。

d.分析继续迭代，直到解决方案标准的条件得到满足。

e.能够得出分析的结果

i.现有顺序号中的所建议的修改以匹配标准

ii.所建议的片段中的功能块的重新组织要移到另一个

还能够向用户提供输入以及选择解决方案之一，或者设计工具可选择满足标准的第一解决方案。

这种分析将导致这些功能或逻辑的执行顺序号的修改。分析同样能够解决使一些逻辑或功能更好地置于使用通信逻辑连接的另一个功能网络中。分析之后的这些多路径的***到达片段的功能块网络和组织的最佳路径。

工具随后基于驻留在多个设备上的片段，创建通信功能或逻辑实例以将片段连接在一起。因此，将这些块添加到片段输入和输出。当前每个片段将具有清晰的输入和输出或所定义的结果。一旦组织了通信块，则执行考虑到这些块的如上描述的正向链的另一个迭代。

当前每个片段具有其自己的输入和输出点。当前***从所预期的结果中止，对于每个片段所预期的停止，它们将一起满足所期待的标准以均匀跨设备的负载并且使处理接口更密切合作。例如为实现20ms总反应时间，片段1能够在10ms中动作，片段2在另一个5ms中，片段3在10ms中，并且考虑到一些附加的通信负载(5ms)。当前基于这种中止，分析每个片段它是否满足中止，并且因此能够用处理接口能力工作。例如，设备类型具有更高的处理功率，能够在那里关联更大的片段(类似片段1)。

会注意到，在片段中模拟例外报告甚至未来能够以所定义的能力驻留在I/O中并且能够在别处定义事件的顺序等等。同样能够更类似于I/O来处理PID错误。

虽然本文仅示出并且描述了本发明的某些特征，但是对于本领域的技术人员将发生许多修改和变更。因此，要理解，所附权利要求旨在覆盖落入本发明的实质精神内的所有这些修改和变更。

Claims (9)

1.一种用于设计分布控制***的方法，所述分布控制***具有包含至少一个输入/输出设备和至少一个控制器设备的多个设备，使得所述至少一个输入/输出设备和所述至少一个控制器设备具有通信连接，所述方法包括以下步骤：

a. 请求用户输入应用类型，并且从一个或多个解决方案变形选项中选择解决方案变形；

b. 基于所述用户输入，从所述多个设备中识别至少一个设备；

c. 基于所请求的应用类型和所选择的解决方案变形，从库中可用的多个功能块中选择至少一个功能块连同其功能片段，各功能块由链接在一起的多个功能片段组成；

d. 考虑从所述多个设备中所识别的至少一个设备，创建功能片段的实例以及布置功能片段的至少一个实例；

e. 考虑所涉及的设备规范、过程和通信开销来分析所述功能片段，以根据与所述至少一个设备或过程或所述分布控制***的功能性关联的设计规范来确定全部的功能性；

f. 在所述多个设备的任意中动态重新布置功能片段的至少一个实例，以找到满足与所述至少一个设备或过程或所述分布控制***的功能性关联的所述设计规范的解决方案；

g. 基于功能片段的所创建实例，配置从所述多个设备中所识别的至少一个设备。

2.如权利要求1所述的方法，其中，对于所选择的解决方案变形选项以及所识别的至少一个设备，分析功能片段的实例的所述布置以找到满足与所述至少一个设备或过程或所述分布控制***的功能性关联的所述设计规范的解决方案的所述步骤，还包括以下步骤：报告所述分析结果以收集用户输入，以找到满足与所述至少一个设备或过程或所述分布控制***的功能性关联的所述设计规范的所述解决方案。

3.如权利要求2所述的方法，其中，报告所述分析结果以收集用户输入的所述步骤包括：从所述一个或多个解决方案变形选项中重新选择解决方案变形。

4.如权利要求2或权利要求3所述的方法，其中，报告所述分析结果以收集用户输入的所述步骤包括：基于所重新选择的解决方案变形来重新选择所述至少一个功能块连同其功能片段。

5.如权利要求1所述的方法，其中，基于所请求的应用类型和选择的解决方案变形，从库中可用的所述多个功能块中选择至少一个功能块连同其功能片段的所述步骤还包括：基于与多个可用功能块关联的算法类型和算法步骤号来选择所述至少一个功能块连同其功能片段。

6.如权利要求5所述的方法，其中，基于与所述多个可用功能块关联的算法类型和算法步骤号来选择所述至少一个功能块连同其功能片段的所述步骤由设计工具来执行，以找到适合的功能块连同其功能片段来满足与所述至少一个设备或过程或所述分布控制***的功能性关联的所述设计规范。

7.一种用于分布控制***的设计工具，所述设计工具执行如权利要求1-6中的任一项所述的方法，所述设计工具包括功能块连同其功能片段的库、在所述分布控制***中使用的设备和通信类型的库、用于对于在所述分布控制***中使用的至少一个设备来创建功能片段的模块、以及用于对于在所述分布控制***中使用的至少一个设备来分析功能片段的实例的模块。

8.如权利要求7所述的用于分布控制***的设计工具，其中，用于分析功能片段的实例的所述模块包括与在所述分布控制***中使用的设备类型和通信块类型关联的规范库。

9.一种分布控制***，所述分布控制***具有包含至少一个输入/输出设备和至少一个控制器设备的多个设备，使得所述至少一个输入/输出设备和所述至少一个控制器设备具有通信连接，并且其中，使用权利要求7所述的设计工具来配置所述多个设备中的至少一个设备。