優(yōu)化控制系統(tǒng)與分散控制系統(tǒng)的通信接口研究與實現(xiàn)

馬淼森，董 澤，何國松，楊 碩，蘇子凡

（1.華北電力大學(xué)自動化系，河北 保定 071003；2.河北省發(fā)電過程仿真與優(yōu)化控制技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 保定 071003）

0 引言

分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）是一種基于通信網(wǎng)絡(luò)的多級計算機(jī)系統(tǒng)，由過程監(jiān)控級與過程控制級組成，基本理念是集中操作、分散控制［1］。隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)滿足不斷提高的標(biāo)準(zhǔn)，不僅要實現(xiàn)常規(guī)實時控制，還要朝著節(jié)能、高效的方向發(fā)展。優(yōu)化控制系統(tǒng)是在分散控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計的擁有先進(jìn)控制仿真算法的輔助式外掛系統(tǒng)。在確保現(xiàn)場正常生產(chǎn)不受影響的前提下，優(yōu)化控制系統(tǒng)通過獲取DCS 中的數(shù)據(jù)，采用先進(jìn)算法進(jìn)行優(yōu)化計算后，將計算結(jié)果返回DCS，從而實現(xiàn)對DCS 控制的優(yōu)化［2］。優(yōu)化算法的先進(jìn)程度直接決定了優(yōu)化控制系統(tǒng)的優(yōu)化效率，通過引入先進(jìn)的算法容器，可以極大地提高優(yōu)化效率，既保證了系統(tǒng)的安全性，又對節(jié)能、環(huán)保具有深遠(yuǎn)影響。

DCS 與優(yōu)化控制系統(tǒng)運行在不同的主機(jī)上，兩個系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信是實現(xiàn)優(yōu)化控制的前提。基于擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的優(yōu)化控制系統(tǒng)，開發(fā)了一套運行在DCS 主機(jī)側(cè)，對DCS 數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)具有讀取與寫入功能并且可以通過網(wǎng)絡(luò)與優(yōu)化控制系統(tǒng)的虛擬優(yōu)化控制站進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)接口與平臺軟件，并進(jìn)行通信測試。測試結(jié)果可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的跨平臺獲取及傳輸，驗證了數(shù)據(jù)接口與通信平臺軟件的有效性。

1 優(yōu)化控制系統(tǒng)

優(yōu)化控制系統(tǒng)一方面可以用于常規(guī)DCS 的實時控制，另一方面還能結(jié)合先進(jìn)控制理論對原DCS的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與優(yōu)化運算，提高控制效率。

優(yōu)化控制平臺運行在win10 系統(tǒng)的主機(jī)中，負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)庫組態(tài)、控制邏輯組態(tài)以及監(jiān)控畫面管理等功能。虛擬優(yōu)化控制站運行在Server 2012 系統(tǒng)的服務(wù)器中，負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)計算、上下位交互以及現(xiàn)場通信等功能。優(yōu)化控制平臺與虛擬優(yōu)化控制站相互配合，完成對DCS 的控制優(yōu)化。

優(yōu)化控制平臺與虛擬優(yōu)化控制站通過局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，包含文件下裝、數(shù)據(jù)廣播和在線命令下發(fā)三部分，每部分采用不同的報文格式和通信協(xié)議。優(yōu)化控制平臺完成數(shù)據(jù)庫組態(tài)和控制邏輯組態(tài)后，通過文件傳輸協(xié)議 （File Transfer Protocol，F(xiàn)TP）將文件下發(fā)到虛擬優(yōu)化控制站。虛擬優(yōu)化控制站作為模塊運算的核心部分，在運行過程中，將實時運算結(jié)果和關(guān)鍵數(shù)據(jù)值通過用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP） 廣播給優(yōu)化控制平臺。現(xiàn)場操作人員在線修改模塊參數(shù)、強(qiáng)制數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)點值和下發(fā)操作命令時，優(yōu)化控制平臺采用傳輸控制協(xié)議 （Transmission Control Protocol，TCP）將報文下發(fā)給虛擬優(yōu)化控制站。

虛擬優(yōu)化控制站通過使用MODBUS、OPC 等通信協(xié)議從DCS 獲取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳入優(yōu)化控制平臺數(shù)據(jù)庫。優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信如圖1所示。

圖1 優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和通信實現(xiàn)方式

2 數(shù)據(jù)通信接口及平臺軟件

2.1 系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)

DCS 由操作員站、工程師站、過程控制站、服務(wù)器、OPC 服務(wù)器組成。控制站A 與A＋下掛載了COM卡件，支持485 串口。OPC 服務(wù)器可以實現(xiàn)與第三方設(shè)備的數(shù)據(jù)交互。DCS 操作員站和工程師站用于完成組態(tài)與監(jiān)控。優(yōu)化控制系統(tǒng)由優(yōu)化控制平臺與虛擬優(yōu)化控制站組成，其中虛擬優(yōu)化控制站的運算程序運行在服務(wù)器B 與B＋上，歷史庫程序運行在DCS的OPC 服務(wù)器中。A、B 網(wǎng)互為冗余，DCS 與優(yōu)化控制系統(tǒng)連到A、B 網(wǎng)上，實現(xiàn)兩個系統(tǒng)內(nèi)部各自的信息交互通信。系統(tǒng)組成及布置結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)接口通信原理

DCS 中的數(shù)據(jù)存儲在實時數(shù)據(jù)庫中，通過調(diào)用數(shù)據(jù)接口訪問數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)值，并使用UDP 通信傳送給各進(jìn)程，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

為保證訪問DCS 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)接口的通用性和開放性，采用C＋＋語言的編譯機(jī)制將接口封裝成動態(tài)鏈接庫 （Dynamic Link Library，DLL） 文件的形式，其他進(jìn)程通過調(diào)用DLL 文件，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)點的讀取與寫入功能。動態(tài)鏈接庫實現(xiàn)了不同程序之間的函數(shù)共享，通常DLL 文件都不能直接運行，也不能接收消息，只有在其他程序調(diào)用DLL中的函數(shù)時才能發(fā)揮作用，其他程序可直接加載DLL 中的函數(shù)，但不會將函數(shù)的實現(xiàn)過程對外暴露。動態(tài)鏈接庫具有節(jié)省空間、訪問安全、便于二次開發(fā)等優(yōu)點［3］。

UDP 是面向無連接的協(xié)議，在通信過程中能最大程度地進(jìn)行數(shù)據(jù)交付。由于沒有擁塞控制，網(wǎng)絡(luò)擁塞不會影響源主機(jī)的發(fā)送速率，傳輸速度快，適合傳送大批量的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。

2.3 數(shù)據(jù)接口結(jié)構(gòu)及方法實現(xiàn)

DCS 數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)點有唯一標(biāo)識的點名。點名是一個string 類型的字符串，通過點名找到該數(shù)據(jù)點在內(nèi)存中的地址，從該地址讀取或者寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù)點的實時值。為了加快尋找數(shù)據(jù)點地址的速度，使用C＋＋標(biāo)準(zhǔn)庫容器中的關(guān)聯(lián)容器Map 建立了點名與地址之間的關(guān)聯(lián)。

Map 是C＋＋標(biāo)準(zhǔn)庫中提供的一種把鍵對象和值對象進(jìn)行關(guān)聯(lián)的容器，可以提供一對一的數(shù)據(jù)處理能力［4］。在實現(xiàn)數(shù)據(jù)接口的過程中，Map 容器以點名作為鍵對象，數(shù)據(jù)點內(nèi)存地址作為值對象，在底層實現(xiàn)中采用紅黑樹的形式進(jìn)行排序和存儲，紅黑樹這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以提高查找的速度，尤其適合本文中DCS 這種數(shù)據(jù)量龐大，數(shù)據(jù)交互頻繁的系統(tǒng)［5］。點名與Map 容器的結(jié)合組成了通信接口的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，既提高了函數(shù)的執(zhí)行速度，又保證了數(shù)據(jù)的開放性和可擴(kuò)展性。

數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)了連接數(shù)據(jù)庫、批量注冊點名、批量注銷點名、批量讀取數(shù)據(jù)點值、批量寫入數(shù)據(jù)點值五種函數(shù)功能。五種函數(shù)名及功能如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)接口提供的5 種函數(shù)

2.4 通信平臺軟件實現(xiàn)

通信平臺軟件與DCS 的監(jiān)控軟件運行在同一臺主機(jī)，優(yōu)化控制系統(tǒng)的虛擬優(yōu)化控制站運行在另一臺服務(wù)器主機(jī)，通信平臺軟件作為DCS 與優(yōu)化控制系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)交互的通信橋梁，起著至關(guān)重要的作用。

通信平臺軟件作為一個獨立運行的進(jìn)程，具有獨立的內(nèi)存單元，是對運行時程序的封裝，不受其他進(jìn)程的影響，同時軟件內(nèi)部采用了多線程技術(shù)，開辟了多個線程用于數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，保證了程序的實時性，實現(xiàn)了進(jìn)程內(nèi)部的并發(fā)，并且多個線程可以共享進(jìn)程的內(nèi)存，使線程間的同步和通信更加容易實現(xiàn)［6］。通信平臺軟件調(diào)用通信接口函數(shù)實現(xiàn)對DCS數(shù)據(jù)庫的初始化、數(shù)據(jù)的讀寫注冊以及數(shù)值的讀取與寫入操作，采用UDP 協(xié)議與優(yōu)化控制系統(tǒng)的虛擬優(yōu)化控制站完成文件打包發(fā)送、數(shù)據(jù)交互等操作。UDP 報文格式中包含了特定的報文、報尾、報文長度、數(shù)據(jù)點數(shù)量及數(shù)值等信息，當(dāng)接收方收到數(shù)據(jù)包后會向發(fā)送方發(fā)送應(yīng)答報文，若發(fā)送方未收到應(yīng)答報文會重新發(fā)送之前的數(shù)據(jù)包，從而保證通信的可靠性。各部分通信結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 通信結(jié)構(gòu)

3 通信平臺軟件仿真試驗

3.1 通信平臺軟件架構(gòu)

通信平臺軟件是在win10 操作系統(tǒng)上基于微軟提供的Visual Studio 2017 開發(fā)平臺使用C＋＋語言在微軟基礎(chǔ)類庫（Microsoft Foundation Classes，MFC）框架下進(jìn)行的設(shè)計與開發(fā)。通過調(diào)用數(shù)據(jù)接口動態(tài)鏈接庫實現(xiàn)通信平臺軟件與DCS 之間的數(shù)據(jù)交互，使用基于UDP 的進(jìn)程間的網(wǎng)絡(luò)通信方式實現(xiàn)通信平臺軟件與虛擬優(yōu)化控制站間的數(shù)據(jù)交互。

優(yōu)化控制平臺數(shù)據(jù)庫增加了一類特殊的通信數(shù)據(jù)點類型用于實現(xiàn)與通信平臺軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，該類型數(shù)據(jù)點在組態(tài)時應(yīng)與現(xiàn)場DCS 數(shù)據(jù)庫中需要通信的數(shù)據(jù)點相匹配，數(shù)據(jù)庫文件組態(tài)完畢后下裝到虛擬優(yōu)化控制站中，優(yōu)化控制站采用UDP 將數(shù)據(jù)庫中該類卡件的數(shù)據(jù)點打包發(fā)送到通信平臺軟件。通信平臺軟件完成數(shù)據(jù)點注冊后，開辟通信線程，完成優(yōu)化控制系統(tǒng)與DCS 系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，并且將實時值顯示在窗口列表中，在完成通信后注銷數(shù)據(jù)點結(jié)束通信進(jìn)程。通信平臺軟件程序執(zhí)行流程如圖4 所示。

圖4 通信平臺軟件程序執(zhí)行流程

3.2 通信測試模式及結(jié)果

圖5 優(yōu)化控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫組態(tài)界面

為了驗證通信平臺軟件和數(shù)據(jù)接口的有效性，依據(jù)DCS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中提供的數(shù)據(jù)點進(jìn)行組態(tài)，在優(yōu)化控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中添加了專用類型數(shù)據(jù)點進(jìn)行通信。采用爐膛溫度測點進(jìn)行測試，對點名為520_W2_MA 和415_N1_MA 兩個數(shù)據(jù)點進(jìn)行通信測試。優(yōu)化控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫組態(tài)如圖5 所示。DCS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)點值如圖6、圖7 所示。通信平臺軟件界面如圖8 所示。通信測試驗證了DCS 與優(yōu)化控制系統(tǒng)可通過通信平臺軟件成功進(jìn)行了數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的跨平臺共享。

圖6 DCS 系統(tǒng)520_W2_MA 數(shù)據(jù)點值

圖7 DCS 系統(tǒng)415_N1_MA 數(shù)據(jù)點值

圖8 通信平臺軟件界面

4 結(jié)語

基于優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計了一套通信平臺及對外數(shù)據(jù)接口軟件用于與DCS 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。通信平臺軟件通過使用數(shù)據(jù)接口從DCS 數(shù)據(jù)庫讀取和寫入數(shù)據(jù)并且使用基于UDP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信將實時值傳到優(yōu)化控制系統(tǒng)的控制站中。結(jié)果表明，通信平臺軟件可以通過數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)與DCS 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互及與優(yōu)化控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享。通信平臺軟件作為一個獨立的進(jìn)程，不會依賴和影響原系統(tǒng)的運行，有效地增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的開放性，為控制系統(tǒng)的可擴(kuò)展能力提供了幫助。