IAP技术体系

异构控制器的控制组态中间件技术—数据引擎

 IAP控制平台的核心技术是数据引擎,它是一种不同于传统的控制算法执行的新机制。该技术将图形化或模块化的组态元件及其连接关系自动地转化为数据形态的模型,将组态元件算法的执行过程转化为了实时数据库的数据更新过程。这种转换机制具有统一的技术规范,能够适应不同的计算环境(即不同的硬件资源和不同的操作系统)。数据引擎中的数据结构设计是按照组态元件可观测、可复用和可动态重构的需求进行设计的。数据引擎也是一种特殊的软件中间件,它不仅能够嵌入在可编程控制器、工业PC等自动化系统的控制装备中,而且还能够以集群的模式嵌入在大型服务器中,使其成为具有多数据引擎的虚拟控制器系统,构成分布式并行计算环境。将这一技术与云计算技术、物联网技术结合在一起,将会形成巨大的最终用户可控的计算能力,从而构成平台化的控制技术服务环境。

 通常情况下,应用程序经编译成执行程序,下载到硬件供应商的控制器执行运算。如果控制器中装载了“数据引擎”中间件,将图形语言经编译映射成数对数据结构,就可以运行通用的数据结构,完全摆脱了原控制器的适用范围。

 在控制器体系架构中,都存在基本的算法指令和内存空间,因此都具备部署数据引擎的技术环境。这就是数据引擎技术能够实现控制算法组态跨硬件平台的技术基础。上图是数据引擎的原理示意图。其中,实时数据库在结构上符合特定的技术标准。数据处理机将根据指定控制器的特性进行设计,以满足控制器各种技术资源的实时管理需求。


图形化元件组态技术

IAP控制系统由特定的硬件、软件和元件构成,其中元件是构成IAP系统的核心元素,图形化的元件族为IAP控制策略、人机界面以及系统结构的设计提供了直观且操作便捷的组态环境。

组合元件技术,可以使用户避免使用技术难度大且风险高的编程模式来完成特定控制策略的工程实现,通过将各种不同的控制算法封装为控制组态元件后,用户只需要安装一定的规律排列组合就能够实现各种功能,对一些计算过程复杂且重复度很高的重要元件,为了避免资源浪费,可采用组合元件技术,使得一个元件能代表一组元件的计算过程。凭借对组态元件的优化、追加升级、IAP控制系统技术能将满足所有工业用户的需求。

多重冗余实时控制技术

多重冗余实时控制技术是基于异构PLC的多重化的冗余模块,实现同一项任务,由多数表决器负责选取系统的输出的基本思想。对控制系统的输入、输出、处理器、总线系统等硬件模块都进行多重化冗余。保证系统在单条支路出现故障的情况下,自动屏蔽故障支路的数据,保证系统仍能正常运行,以满足高安全性、高可靠性的要求。

(1)多重冗余表决技术

多重冗余系统的多个支路之间的关系采取对等机制,系统需对多个支路的数据进行选择、比较和修正,从而最后确定结论,它可满足在系统出现故障的情况下,能够屏蔽错误的数据并维持表决系统的正常运行。

(2)异构控制站集成技术

将不同厂家生产的控制站集成在一个控制网络中,运行相同格式的控制组态,并能实现控制元件之间的互联互通。

(3)多重冗余控制组态技术

本技术指在组态软件中建立故障检测机制,让系统中的控制器相互测试,通过图形化的组态方式可以很方便的检测控制器与链路是否发生故障。

(4)冗余状态跟踪切换技术

为确保控制站的安全性,冗余状态跟踪切换技术也是重点解决的关键技术。该技术主要通过可视化的人机界面,实时显示控制站的执行状态,包含控制站CPU工作负荷、控制站执行周期以及冗余控制站的工作状态、数据同步状态等,可实现系统状态的跟踪、实时反馈、故障诊断以及冗余切换的控制。通过这一技术,可防止错误控制逻辑下传到控制器中。


控制策略动态重构技术

控制系统的发展趋势是大规模、复杂化和智能化。所以,控制系统的设计和开发已不再是一种相对静止的状态。随着控制系统的运行,控制需求、环境条件的变化,控制策略持续的动态变化将成为一种常态。福州大学先进控制技术研究中心研发的控制策略动态重构技术,完美地解决了如何在控制系统维持正常运行的前提下,动态改变其控制策略的算法,使得控制系统在这种变化的前后仍然能够满足特定的一致性条件的问题。通过改变控制器中的运算数据,实现在线更新控制软件功能,这种动态重构技术将给制造业带来深远变革。

控制策略动态重构技术的机理是基于数据引擎的运行特点,即控制策略的变化等同于数据引擎实时数据库的相应变化。新的控制策略导入过程只涉及到实时数据库的读写,数据引擎的软件进程没有因此发生任何改变。这就是IAP控制系统能够实现动态重构无扰动导入的主要原因。应用动态重构技术还能实现系统的移动控制,即控制系统的功能配置将随着动态需求而自动适应。

工业控制信息安全技术

从上世纪90年代开始,工业控制系统的信息安全就已成为全球关注的一项热点问题。但是20年过去了,此类问题的威胁不仅没有消除的趋势,反而由于工业生产过程系统日趋复杂化、精细化和规模化,使得工业控制的信息安全问题更加突出。为解决日益严重的工业控制系统信息安全问题,福州大学先进控制技术研究中心暨中海创集团研究院开展了相关领域的研究与开发,并取得丰硕的成果:

获得了工信部电子发展资金立项,开展安全可控双引擎控制器的研究;

获得国家发改委国家信息安全专项立项,开展分布式控制系统异常状态实时监测的技术开发;

公司的ADS信息安全产品通过了中国软件测评中心的测试,获得销售许可证;

公司获得福建省科技厅的授牌,成立了我省首个“工业控制系统信息安全技术企业重点实验室”。

中国信息安全测评中心认证书     国家公安部销售许可证书


工业控制信息安全技术是一项面向电力、化工、供气、供水等流程性与公共服务性工业过程DCS的异常状态监测技术,监测对象包括DCS控制站,工程师站,人机界面操作站和DCS网络。用户可可实时监控DCS异常分析算法的运行情况,根据实际情况做出灵活适宜的调整。工业控制信息安全技术还提供多种调试工具,如在线修改参数、强制、时间趋势图、关系趋势图等。

该技术根据DCS异常状态分析算法,对收集到的DCS系统运行状态信息进行计算、分析,发现异常事件,并提供分析数据。可分析的异常事件包括但不限于:

工程师站组态变更                          操作员站数据与操控指令变更

现场总线网络负载变更                   现场总线网络异常通信行为

现场总线网络异常流量                   过程状态参数阈值报警

控制信号阈值报警                          控制站负荷率异常

控制站冗余/主备状态异常              控制站元件数量异常

控制站执行周期异常                      控制站看门狗信号异常

工业以太网实时通信状态异常        工业以太网实时通信流量异常

工业以太网实时通信协议异常        TOE各组件自我状态监测分析

本技术针对工业控制系统长期存在的信息安全问题,为用户解决工业控制系统的DCS工程师站组态变更、DCS操作站数据与操控指令变更、现场总线访问、负载变更、通信行为、异常流量等的安全监测与报警问题,根据需要帮助用户搭建完善的集散控制系统(DCS)的异常监测产品测试环境,形成集散控制系统(DCS)的异常监测解决方案。


云端控制技术

云端控制技术融合了自主研发的工业自动化通用平台(IAP)技术、互联网技术以及云控制技术,致力于解决中小型企业控制系统技术改造过程中异构系统集成、 跨平台数据整合以及复杂系统协同控制的问题。云控制平台可提供控制策略云端托管、控制系统远程维护等服务,从而有效规避控制站与网络设施的故障风险,显著降低企业生产技术智能化转型升级的成本与风险。

在云端控制模式下,接受服务的用户无需进行控制系统的维护,可自动规避控制站与网络设施的故障风险,并分享云端技术升级所带来的长期受益。云端控制与物联网技术融合,便于构成数字城市、智慧园区和智能企业的信息化应用系统。


复合代理技术

IAP的数据引擎能适应不同硬件供应商提供的计算环境,要消除其差异性必然会增加相关技术的复杂度。然而,与传统的自动化控制系统相比,IAP软件架构完全采用复合代理技术(多代理的信息控制软件技术),即把整个大型复杂系统的业务流程分解为大量功能单一的计算相对简单的服务代理,形成业务信息分布的多代理软件执行机制。这种软件架构的优点在于将复杂的信息控制系统简化为大量简单且独立的软件组织的集合,有利于系统的设计、开发、部署、以及标准化体系建设效率的提升。

此外,复合代理技术的另一优势在于所有服务代理的计算过程均可在IAP 控制平台的软件工具窗口上得到监控,甚至强制操作。为此,整个过程是透明的和可控的,将极大地降低系统调试的成本。

先进控制算法可视化技术

先进控制技术是当前控制领域的前沿技术,其应用的难点在于算法组态模式和调试的可视化(输入、输出对用户都是透明的),IAP系统的先进控制解决方案与DCS系统完全一体化,不再像传统的先进控制技术那样单独安装,配置一个软件包或计算站。IAP系统中,先进控制策略利用数据建模和数据引擎技术,以组态元件的形式,直接将先进控制的计算过程下载至PLC控制站中进行处理,系统运行过程互不干扰、互不影响,先进控制元件的使用与传统元件完全一致,组态图形化、计算可视化,并且支持在线重构,极大提升先进控制的应用水平,降低先进控制技术的投入成本。

目前,IAP系统提供的具有代表性的先进控制元件有:

神经网络控制元件

状态预测控制元件

模糊PID控制元件


信息来源: 先进控制研究所 发布日期: 2016-12-13 浏览次数: