專利名稱：分布式控制系統(tǒng)dcs控制器實時數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于大型火力發(fā)電廠、石油、化工、冶金、軌道交通等行業(yè)的工業(yè)自動化領(lǐng) 域，具體涉及自動化系統(tǒng)控制器的軟件設(shè)計的方法。
技術(shù)背景分布式自動化系統(tǒng)(以下簡稱DCS)是現(xiàn)代工業(yè)控制的最主要的控制系統(tǒng)，DCS系 統(tǒng)廣泛用于各個工業(yè)行業(yè)，包括電力、石油、化工、冶金、造紙、制藥、食品、市政等 行業(yè)，其中在電力和化工行業(yè)的應(yīng)用最復(fù)雜，規(guī)模最大?？刂破魇钦麄€DCS系統(tǒng)的核心 大腦，起到上傳下達(dá)，邏輯運算的功能。隨著計算機技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技 術(shù)的發(fā)展，以及工業(yè)現(xiàn)場對控制器的實時性、信息化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、開放性要求的 提高，要求實時數(shù)據(jù)庫具有速度快、數(shù)據(jù)抽象合理、通用性、配置靈活和維護(hù)工作量低。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明涉及一種DCS系統(tǒng)控制器的實時數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)方法。DCS系統(tǒng)要求控制器的 1/0插件可以熱插拔，即當(dāng)新插入I/0板卡時，控制器夠自動識別該I/0板卡，與該1/0 板卡建立通訊，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；當(dāng)拔掉I/0板卡時，控制器能夠檢測到該板卡被拔掉， 不刷新該板卡數(shù)據(jù)，向主站HMI發(fā)送告警信息，這些操作均要求不得重新啟動控制器。 DCS系統(tǒng)要求控制器的不同類型1/0板卡插槽位置無關(guān)性，也就是機箱的某個插槽無論 是接什么類型的1/0板卡，如數(shù)字量輸入單元DI、模擬量輸入單元AI、數(shù)字量輸出單 元DO、模擬量輸出單元AO、脈沖量輸入單元PI等，控制器均能識別，與板卡交換數(shù)據(jù)。 雖然協(xié)調(diào)控制器HDPU和現(xiàn)場控制器LDPU位于DCS系統(tǒng)的不同層次，HDPU負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制， 控制范圍大，LDPU負(fù)責(zé)現(xiàn)場控制，但是控制器的硬件均相同，軟件也要求同一套軟件， 便于維護(hù)。本發(fā)明釆用以下技術(shù)方案滿足以上要求一種分布式控制系統(tǒng)控制器實時數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)方法，該方法通過建立層次型實時數(shù) 據(jù)庫，實現(xiàn)控制器I/O插件的熱插拔、插件的插槽位置無關(guān)性、以及控制器快速地 與I/O板卡和HMI進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；該方法包括(1) 采用層次型實時數(shù)據(jù)庫，表與表關(guān)系通過指針關(guān)聯(lián)，以I/O插件作為最小容器 單元，I/O插件在該實時庫中映射為一個具有獨立意義的最小實體；(2) 不同類型的I/0插件采用通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的抽象方法；(3) 控制器在啟動時分配系統(tǒng)最大I/O容量，避免由于熱插拔形成內(nèi)存碎片造成的 系統(tǒng)不穩(wěn)定；(4) 采用I/O板卡的邏輯地址作為板卡的唯一標(biāo)識，物理地址由機箱背板插槽位置跳線決定的方法實現(xiàn)I/O插件插槽位置無關(guān)性；(5) 控制器與I/O和HMI交換數(shù)據(jù)采用塊拷貝方式；(6) 協(xié)調(diào)控制器HDPU和現(xiàn)場控制器LDPU采用相同的實時數(shù)據(jù)庫，通過配置的不同 來區(qū)分。協(xié)調(diào)控制器HDPU和現(xiàn)場控制器LDPU的實時數(shù)據(jù)庫組織方式相同，只是內(nèi)部存 放數(shù)據(jù)不同，同一套代碼在HDPU和LDPU上可以直接運行，通過配置、啟動文件來 區(qū)分。利用上述方法實現(xiàn)的控制器，能夠快速的采集I/0板卡數(shù)據(jù)，快速的與HMI交換數(shù) 據(jù)，PLC邏輯運算實時性好，能夠達(dá)到工業(yè)控制系統(tǒng)的要求。


圖l示意了DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；圖2.1、圖2.2、圖2.3示意了控制器層次型實時數(shù)據(jù)庫中幾個層次的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中圖2.1控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；圖2.2為單個控制器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；圖2.3為I/0板卡數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；圖3示意了控制器中實時數(shù)據(jù)庫與PLC數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)關(guān)系。
具體實施方式
下面通過具體實施方式
，對本發(fā)明的技術(shù)方案做詳細(xì)闡述。 本發(fā)明采用以下技術(shù)方案-(1) 如圖l所示，DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為層次型結(jié)構(gòu)，控制器釆用層次型數(shù)據(jù)庫，也叫樹 型結(jié)構(gòu)，能真實反映系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型。表與表關(guān)系通過指針關(guān)聯(lián)，表與表關(guān)系緊密，定位 快速，使用內(nèi)存較少，效率較高。以I/O插件作為我們的最小容器(數(shù)據(jù))單元。I/O 插件在實時庫中映射為一個具有獨立意義的最小實體。如圖2. 1、圖2.2、圖2.3為控 制器各個層次的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。圖2.1中，狀態(tài)點結(jié)構(gòu)表示系統(tǒng)屬性數(shù)據(jù)，系統(tǒng)有多個DPU 映射區(qū)，其中一個為本DPU數(shù)據(jù)，其它為通過通訊交換數(shù)據(jù)的DPU的數(shù)據(jù)映像，有幾個 DPU映射區(qū)以及表示哪些DPU的映射可通過配置文件配置。圖2. 2表示圖2. 1中每個DPU 映射區(qū)的結(jié)構(gòu)定義，其中狀態(tài)點結(jié)構(gòu)表示DPU屬性數(shù)據(jù)，1/0板映射區(qū)為DPU所帶I/0 的數(shù)據(jù)映射，有幾個I/O板映射區(qū)通過配置文件配置。圖2.3表示圖2.2種每個I/O數(shù)據(jù) 的結(jié)構(gòu)定義，其中狀態(tài)點信息為I/0屬性數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表區(qū)表示I/0數(shù)據(jù)區(qū)。(2) 充分采用自描述方式，抽象出不同I/O的共性，即屬性區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)。不同的 1/0板卡采用相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述，根據(jù)屬性區(qū)字段值的不同來區(qū)分不同的板卡，不同 類型的I/O板卡的屬性數(shù)據(jù)由板卡通訊上送的自描述數(shù)據(jù)和控制器中的模版文件初始 化。(3) 控制器在啟動時分配系統(tǒng)最大1/0容量，避免了由于熱插拔形成內(nèi)存碎片造 成的系統(tǒng)不穩(wěn)定。(4) 通過采用I/O板卡的邏輯地址作為板卡的唯一標(biāo)識，物理地址由機箱背板插 槽位置跳線決定的方法實現(xiàn)1/0插件插槽位置無關(guān)性。(5) 1/0板卡的各個點值采用數(shù)據(jù)區(qū)的描述方法，在內(nèi)存中連續(xù)排列，當(dāng)從板卡接 入和上送HMI數(shù)據(jù)時可采用內(nèi)存塊拷貝的方式，速度快，效率高。(6) 控制器的一個重要的功能是邏輯運算，DCS系統(tǒng)要求邏輯運算的速度快，執(zhí)行 效率高，遵循IEC61131國際標(biāo)準(zhǔn)，通過采用內(nèi)存塊拷貝和內(nèi)存地址映射共享兩種方式 與PLC運算引擎交換數(shù)據(jù)。實時數(shù)據(jù)庫和PLC數(shù)據(jù)關(guān)系如圖3所示。當(dāng)邏輯任務(wù)開始執(zhí) 行時，通過內(nèi)存塊拷貝方式將板卡數(shù)據(jù)讀取到PLC輸入數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行邏輯運算；當(dāng)邏輯 任務(wù)執(zhí)行結(jié)束時，通過內(nèi)存塊拷貝方式將在PLC輸出數(shù)據(jù)區(qū)的邏輯運算結(jié)果輸出到板 卡；共享數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)為實時數(shù)據(jù)庫和PLC數(shù)據(jù)的公用數(shù)據(jù)，采用內(nèi)存地址映射方式與 系統(tǒng)共享。控制器的CPU采用摩托羅拉的MPC885,實時操作系統(tǒng)采用美國風(fēng)河公司的VxWorks， 充分利用操作系統(tǒng)的多任務(wù)特點，使用同步量(如信號燈、同步鎖、消息隊列等)進(jìn)行 任務(wù)間通訊。對操作系統(tǒng)接口進(jìn)行封裝，使上層應(yīng)用可以不涉及操作系統(tǒng)接口，便于跨 平臺移植。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)充分利用指針描述數(shù)據(jù)區(qū)，考慮字節(jié)對齊。提供訪問實時數(shù)據(jù)的接 口API函數(shù)，保護(hù)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，同時方便上層應(yīng)用調(diào)用。接入1/0有(1) DI開關(guān)量輸入單元(2) AI模擬量輸入單元(3) AO模擬量輸出單元(4) DO數(shù)字量輸出單元(5) PI脈沖量輸入單元(6) 智能終端保護(hù)測控設(shè)備建立不同類型I/O的模板文件放在控制器中，控制器初始化時讀取文件內(nèi)容，初 始化I/O模版庫，當(dāng)I/O板卡建立通訊時完成板卡初始化過程。PLC運算引擎采用德國kw公司ProConOS內(nèi)核，通過編寫I/O驅(qū)動程序，在邏輯任 務(wù)開始運行時把實時數(shù)據(jù)庫中該I/O的數(shù)據(jù)讀取到PLC內(nèi)核的輸入?yún)^(qū)，邏輯運算結(jié)束時 把出口數(shù)據(jù)寫到輸出區(qū)，通過通訊下發(fā)命令給i/o板卡。
權(quán)利要求
1、分布式控制系統(tǒng)控制器實時數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)方法，該方法通過建立層次型實時數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)控制器I/O插件的熱插拔、插件的插槽位置無關(guān)性、以及控制器快速地與I/O板卡和主站HMI進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；其特征在于，該方法包括(1)采用層次型實時數(shù)據(jù)庫，表與表關(guān)系通過指針關(guān)聯(lián)，以I/O插件作為最小容器單元，I/O插件在該實時庫中映射為一個具有獨立意義的最小實體；(2)不同類型的I/O插件采用通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的抽象方法；(3)控制器在啟動時分配系統(tǒng)最大I/O容量，避免由于熱插拔形成內(nèi)存碎片造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定；(4)采用I/O板卡的邏輯地址作為板卡的唯一標(biāo)識，物理地址由機箱背板插槽位置跳線決定的方法實現(xiàn)I/O插件插槽位置無關(guān)性；(5)控制器與I/O和HMI交換數(shù)據(jù)采用塊拷貝方式；(6)協(xié)調(diào)控制器HDPU和現(xiàn)場控制器LDPU采用相同的實時數(shù)據(jù)庫，通過配置的不同來區(qū)分。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式控制系統(tǒng)控制器實時數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)方法，其特 征在于，所述不同類型的1/0插件采用通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的抽象方法是指采用自描述方式， 抽象出不同1/0的共性，即屬性區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)，不同的1/0板卡采用相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述， 根據(jù)屬性區(qū)字段值的不同來區(qū)分不同的板卡，不同類型的1/0板卡的屬性數(shù)據(jù)由板卡通 訊上送的自描述數(shù)據(jù)和控制器中的模版文件初始化。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式控制系統(tǒng)控制器實時數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)方法，其特 征在于，所述VO板卡的各個點值采用數(shù)據(jù)區(qū)的描述方法，在內(nèi)存中連續(xù)排列，當(dāng)控制 器從板卡接入和上送HMI數(shù)據(jù)時采用內(nèi)存塊拷貝的方式。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式控制系統(tǒng)控制器實時數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)方法，其特征 在于，所述控制器通過采用內(nèi)存塊拷貝和內(nèi)存地址映射共享兩種方式與PLC運算引擎交 換數(shù)據(jù)，當(dāng)邏輯任務(wù)開始執(zhí)行時，通過內(nèi)存塊拷貝方式讀取板卡數(shù)據(jù)進(jìn)行運算；當(dāng)邏輯 任務(wù)執(zhí)行結(jié)束時，通過內(nèi)存塊拷貝方式輸出計算結(jié)果；邏輯運算中間結(jié)果采用內(nèi)存地址 映射方式與系統(tǒng)共享。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式控制系統(tǒng)控制器實時數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)方法，其特征 在于，在DCS系統(tǒng)中位于不同層次的HDPU和LDPU采用相同的程序代碼實現(xiàn)，根據(jù) 配置不同來區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)和屬性功能的不同。
全文摘要
本發(fā)明涉及分布式控制系統(tǒng)DCS中控制器的實時數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)方法，該方法通過建立層次型實時數(shù)據(jù)庫，滿足I/O插件的熱插拔，插件的插槽位置無關(guān)性，快速地與I/O板卡和HMI進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；抽象出通用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對于不同類型(如DI、DO、AI、AO、PI等)、不同協(xié)議、不同插槽位置的I/O插件，采用相同數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)處理；與PLC運算引擎采用內(nèi)存映射和塊拷貝的交換數(shù)據(jù)方式，配置靈活，速度快，執(zhí)行效率高。
文檔編號G05B19/418GK101231525SQ20081005792
公開日2008年7月30日 申請日期2008年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月21日
發(fā)明者劉靜芳, 奚志江, 張海棠, 磊 朱, 焦邵華 申請人:四方電氣(集團)有限公司;北京四方博能自動化設(shè)備有限公司