一种高时间精度分布式控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及分布式控制系统，具体涉及一种高时间精度分布式控制系统及其控制方法。

背景技术

对于涉及水力、风电、石油化工、市政、国防等涉及国计民生领域的大型分布式控制系统，各控制节点往往分布非常广泛，而且要求各控制节点的前端控制设备均能够按照统一、精确的控制指令执行动作，对系统各个控制节点间的指令输入、输出的时间同步精度具有较高要求。

现有的分布式控制系统普遍由上位机、前端工控机以及执行机构构成。其中，前端工控机负责实现具体控制逻辑的指令输出，以及与上位机的通信，执行机构负责执行指令动作。指令输出的时间同步精度取决于前端工控机的通信开销、系统时间精度、任务切换时间不确定度等因素，当控制系统规模较大或者控制节点距离较远时，指令输出的时间同步精度通常在10ms量级。而现有分布式控制系统的同步控制时间精度较低，通常很难满足这个要求，因此，解决大规模、远距离分布式控制系统高时间精度的同步控制问题具有重要现实意义。

发明内容

本发明的目的是解决现有的大规模、远距离分布式控制系统的同步控制时间精度低的技术问题，而提供一种高时间精度分布式控制系统及控制方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种高时间精度分布式控制系统，其特殊之处在于：包括通过网络连接的上位机系统和控制前端定制系统；

所述上位机系统包括相互独立的L个操作员控制台、M个时间服务器和N个数据库服务器，其中，L、M、N均为正整数；

所述操作员控制台用于根据控制需求设置指令时刻表，所述时间服务器用于精确授时，以及实现上位机系统和控制前端定制系统之间的高精度时间同步，所述数据库服务器用于过程数据存储及归档；

每个所述控制前端定制系统包括K个相互独立的前端定制控制设备，其中，K为正整数；

所述前端定制控制设备包括电源模块，以及分别与电源模块连接的CPU模块和T个I/O模块，其中，T为正整数；

每个所述CPU模块与L个操作员控制台、M个时间服务器、N个数据库服务器分别通过网络连接，与T个I/O模块分别通过背板接口连接，用于实现上位机系统与控制前端定制系统的通信；

所述CPU模块用于与上位机系统通信，以及驱动控制I/O模块；所述I/O模块用于获得高精度绝对时间并根据指令时刻表实时输出控制指令。

进一步地，所述电源模块与CPU模块、T个I/O模块之间，以及CPU模块与T个I/O模块之间采用紧耦合结构通过背板接口连接。

进一步地，所述时间服务器支持PTP协议。

进一步地，所述上位机系统和控制前端定制系统通过以太网连接。

一种高时间精度分布式控制系统的控制方法，基于上述的高时间精度分布式控制系统，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1、初始化底层控制系统，所述底层控制系统包括操作员控制台、CPU模块和I/O模块；

步骤2、上位机系统中的每个操作员控制台根据控制需求，设置指令时刻表，并将其下发至每个CPU模块；

步骤3、每个CPU模块接收操作员控制台传输的指令时刻表，并与其对应的T个I/O模块通信，将指令时刻表写入T个I/O模块内对应的寄存器；

步骤4、每个CPU模块读取其对应的T个I/O模块内各数据寄存器或者I/O端子的实时状态，并更新实时数据库内各数据寄存器或I/O端子实时状态对应的取值，之后将其存储至数据库服务器中；

步骤5、每个I/O模块通过时间服务器获取高精度绝对时间T，并将其锁存至I/O模块的系统时间寄存器内；

步骤6、I/O模块将系统时间寄存器内的高精度绝对时间T与指令时刻表进行比对，若高精度绝对时间在指令时刻表的时间范围内，则I/O模块对应的输出端子按指令时刻表的预定时刻实时输出指令，然后执行步骤7；否则不输出指令，直接执行步骤7；

步骤7、重复步骤4-步骤6，直至完成高时间精度分布式控制。

进一步地，所述步骤1具体为：

1.1初始化操作员控制台

L个操作员控制台分别加载人机界面，并分别对其与K个CPU模块间的通信链路进行自检；

1.2初始化CPU模块

1.2.1构建分布式实时数据库运行环境，使其具备过程数据实时访问、修改、监测和存储功能；

1.2.2加载接口驱动模块，建立CPU模块内的实时数据库与其对应的T个I/O模块之间的通信通道；

1.2.3加载分布式实时数据库，根据实际过程控制需求、定义信号量、建立数据库并实现数据装入；

1.3初始化I/O模块

I/O模块对其I/O端子的状态进行初始化。

进一步地，步骤3中，所述指令时刻表包括控制前端定制系统在未来时刻执行的序列动作内容以及对应动作的执行时间；

每个所述动作内容以及对应动作的执行时间通过唯一变量名与CPU模块内的实时数据库具有唯一的映射关系。

进一步地，步骤5和步骤6中，所述I/O模块通过硬件方式实现时统以及指令的输入、输出。

进一步地，步骤4具体为：设定每个CPU模块内实时数据库的更新周期ΔT，然后每个CPU模块按照所述更新周期读取其对应的T个I/O模块内各数据寄存器或者I/O端子的实时状态，并更新实时数据库内各数据寄存器或I/O端子实时状态对应的取值，之后将其存储至数据库服务器中。

与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：

1、本发明提供的一种高时间精度分布式控制系统，由上位机系统及前端定制控制系统构成，指令输出的同步时间精度为I/O模块的时间同步精度，不受控制系统规模和/或控制节点距离的影响，也和上位机系统与前端定制控制系统的通信开销、CPU模块与各I/O模块的通信周期、CPU模块内实时数据库的更新周期无关，系统的时间精度高；

2、本发明提供的一种高时间精度分布式控制系统，将前端工控机与执行机构功能统一整合至前端定制控制设备内，系统结构更加简单可靠，同时不影响系统内其他模块正常工作；

3、本发明提供的一种高时间精度分布式控制系统，对前端定制系统内CPU模块与I/O模块间的通信协议、通信接口类型没有限制和约束，可兼容各类型控制单元，可移植性强，适用于各类型分布式控制系统；

4、本发明提供的一种高时间精度分布式控制系统，前端定制控制设备采用紧耦合设计模式，相比前端工控机+执行机构的设计思路，具有更强的灵活性、可扩展性以及可靠性；

5、本发明提供的一种高时间精度分布式控制系统的控制方法，底层控制逻辑与时间同步任务由位于控制系统最底层的I/O模块通过硬件方式直接实现，可有效提升多控制节点间的指令输出精度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的高时间精度分布式控制系统的结构原理图；

图2为本发明实施例提供的高时间精度分布式控制方法流程图；

附图标记说明如下：

1-上位机系统，2-操作员控制台，3-时间服务器，4-数据库服务器，5-控制前端定制系统，6-电源模块，7-CPU模块，8-I/O模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种高时间精度分布式控制系统及控制方法作进一步详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。

一种高时间精度分布式控制系统，如图1所示，包括通过以太网连接的上位机系统1和控制前端定制系统5。上位机系统1根据功能可细分为：操作员控制台2、时间服务器3和数据库服务器4。上位机系统1包括相互独立的L个操作员控制台2(简称OPI站点)、M个时间服务器3和N个数据库服务器4，其中，L、M、N均为正整数。操作员控制台2用于根据控制需求设置指令时刻表，并且负责流程控制、设备状态监控、应用开发等任务。时间服务器3用于精确授时以及上位机系统1和控制前端定制系统5之间的高精度时间同步，数据库服务器4用于过程数据存储及归档。具有多个时间服务器3时，多个时间服务器3连接同一个根服务器，多个时间服务器3从根服务器中获取时间，从而向控制前端定制系统5授时。

控制前端定制系统5包括K个相互独立的前端定制控制设备，其中，K为正整数。前端定制控制设备包括电源模块6，以及分别与电源模块6连接的CPU模块7和T个I/O模块8，其中，T为正整数。电源模块6、CPU模块7与T个I/O模块8采用紧耦合结构通过背板接口连接，使分布式控制系统具有更强的灵活性、可扩展性以及可靠性。

每个CPU模块7与L个操作员控制台2、M个时间服务器3、N个数据库服务器4分别通过网络连接，与T个I/O模块8分别通过接口连接，用于实现上位机系统1与控制前端定制系统5的通信、分布式数据库的搭建运行，以及I/O模块的驱动控制。任一操作员控制台2与控制前端定制系统5间、各前端定制控制设备间均可通过驻留在各CPU模块7内的分布式数据库实现网络数据共享。各前端定制控制设备运行过程中，CPU模块7只需缓存当前设备的实时运行数据，控制系统历史数据存储于上位机系统的数据库服务器4内，因此，本实施例对CPU模块7存储空间没有特殊要求。

PTP(IEEE 1588)协议是一种基于网络的精密时钟授时协议，采用软件与硬件相结合方式进行时钟同步，各分布式节点与主时钟间通过交换网络数据报文，实现各节点间的时间同步、频率同步，同步精度能够达到亚微秒量级，因此，本实施例中，时间服务器3支持PTP协议。上位机系统1和控制前端定制系统5通过以太网连接。

I/O模块8用于获得高精度绝对时间并根据指令时刻表实时输出控制指令，即实现底层控制逻辑、精确时钟同步以及高时间精度指令输入输出等功能。I/O模块8通过硬件方式实现时统功能以及控制逻辑输入输出，相比于软件方式，采用硬件方式实现时统功能以及控制逻辑输入输出，使指令的输入输出具有时间确定性，系统各控制节点的指令输出同步精度为I/O模块8的时间同步精度S。

本实施例提供的分布式控制系统对系统的规模数量和各前端定制控制设备之间的距离没有限制，其指令输出同步精度为I/O模块8的时间同步精度S，和上位机系统1与前端定制控制系统5的通信开销、CPU模块7与各I/O模块8的通信周期、CPU模块7内实时数据库的更新周期无关。

本实施例提供的分布式控制系统内部采用分布式实时数据库结构，系统内的任一操作员控制台2与控制前端定制系统5间、各前端定制控制设备间均可通过驻留在各CPU模块7内的分布式数据库实现网络数据共享；前端定制控制设备采用紧耦合设计模式，相比前端工控机+执行机构的设计思路，具有更强的灵活性、可扩展性以及可靠性；底层控制逻辑与时间同步任务由位于控制系统最底层的I/O模块8内部的硬件直接实现，可有效提升多控制节点间指令输出的同步时间精度。

本实施例还提供一种高时间精度分布式控制系统的控制方法，基于上述的高时间精度分布式控制系统，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1、初始化底层控制系统，所述底层控制系统包括操作员控制台2、CPU模块7和I/O模块8，具体为：

1.1初始化操作员控制台2

操作员控制台2加载人机界面，并对其与CPU模块7间的通信链路进行自检；

1.2初始化CPU模块7

1.2.1构建分布式实时数据库运行环境，使其具备过程数据实时访问、修改、监测和存储功能；

1.2.3加载接口驱动模块，建立实时数据库与I/O模块8的通信通道；

1.2.3加载分布式实时数据库，根据实际过程控制需求、定义信号量、建立数据库并实现数据装入；

1.3初始化I/O模块8

I/O模块8对其I/O端子的状态进行初始化。

步骤2、上位机系统1中的每个操作员控制台2根据控制需求，设置指令时刻表，并将其下发至每个CPU模块7。指令时刻表中包括控制前端定制系统5在未来时刻执行的序列动作内容以及对应动作的执行时间，每个所述动作内容对应动作的执行时间通过唯一变量名与CPU模块7内运行的实时数据库具有唯一的映射关系。当对操作员控制台2的指令时刻表内容进行更改或设置，CPU模块7内实时数据库对应的数据也随之改变。

步骤3、每个CPU模块7通过以太网接收操作员控制台2传输的指令时刻表，并与其对应的T个I/O模块8通信，将指令时刻表写入I/O模块8内对应的寄存器。CPU模块7与各I/O模块8之间的通信协议不限。

步骤4、将每个CPU模块7实时数据库的更新周期设定为ΔT，每个CPU模块7按照更新周期读取其对应的T个I/O模块8内各数据寄存器或者I/O端子的实时状态，并更新实时数据库内各数据寄存器或I/O端子实时状态对应的取值，之后将其存储至数据库服务器4中。

步骤5、每个I/O模块8通过时间服务器3获取高精度绝对时间T，并将其锁存至I/O模块8的系统时间寄存器内，I/O模块8的绝对时间精度为S。

步骤6、I/O模块8将系统时间寄存器内的高精度绝对时间T与指令时刻表进行比对，若高精度绝对时间在指令时刻表的时间范围内，I/O模块8对应的输出端子按指令时刻表的预定时刻实时输出指令，然后执行步骤7；否则不输出指令，直接执行步骤7；

步骤7、重复步骤4-步骤6，直至完成高时间精度分布式控制。