（控制科学与工程专业论文）过程控制系统远程维护架构研究.pdf

摘要 传统的过程控制系统远程维护存在着网络延时、不能共享和维护成本高等问题，制 约着过程控制系统远程维护的发展。随着i n t e m e t 网络的普及和面向服务架构( s o a ) 的成熟，在远程维护中应用s o a 已经逐步从理论变成现实，本文提出了一种w e b s e r v i c e s 和数据分布服务( d d s ) 相结合的面向服务架构的过程控制系统远程维护方式， 不仅大幅度的提高了维护效率，使维护服务具有可重用性，而且大大降低了系统的维护 成本，提高了企业的经济效益。 本文将w e bs e r v i c e s 和d d s 相结合，发挥两者的优势构成基于s o a 的实时远程维 护，有效的解决了传统远程维护中存在的问题。w e bs e r v i c e s 的强大在于它能够封装各 种应用程序，d d s 通信技术的优势在于其高效的数据传输能力，能够有效的降低网络延 时，保证远程维护的实时性。 远程维护步骤由d d s 通信过程和实施远程维护组成。首先现场人员通过d d s 通信 将计算的数据传递给远程维护端，更新仿真被控对象模型，然后远程维护人员实施具体 的基于s o a 的维护操作。本文重点开发了四种基于s o a 的过程控制系统远程维护：控 制器的远程更新、远程视频监控控制现场、系统故障邮件发送、补偿器参数的远程更新， 对远程维护中控制现场和远程维护端的d d s 通信进行了设计，并完成了远程维护中维 护服务发布和远程调用的开发与设计。 最后实施基于s o a 的a 3 0 0 0 过程控制系统远程维护。首先完成o p c 客户端的创建， 然后构建下水箱预测控制系统，接着对m a t l a b 调用自定义j a v a 方法进行了介绍，通过 现场测量数据计算出下水箱模型，并建立远程维护端仿真下水箱模型，然后通过d d s 通信将计算出的数据传递给远程维护端，更新仿真下水箱模型。最后实施w e bs e r v i c e s 和d d s 相结合的基于s o a 的远程维护操作：更新现场的预测控制系统，现场过程控制 算法的更新与维护，远程视频监控a 3 0 0 0 系统。通过现场实验证明，过程控制系统采用 w e bs e r v i c e s 和d d s 相结合的面向服务架构的远程维护，能够保证维护的实时性，提高 维护的效率，降低维护的成本。 关键词：过程控制系统；w e bs e r v i c e s ；d d s ；s o a ；远程维护 t h e s t u d yo fr e m o t em a i n t e n a n c e a r c h i t e c t u r ef o r p r o c e s sco n t r o ls y s t e m w a n gg u o q i a n g ( c o n t r o ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f e s s o rw a n gy u h o n g a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a lr e m o t em a i n t e n a n c ef o rp r o c e s sc o n t r o ls y s t e mh a sm a n yp r o b l e m s ，s u c h a sh a v i n gan e t w o r k d e l a y , b e i n gn o ta b l et os h a r em a i n t e n a n c et e c h n o l o g ya n dh a v i n gah i 曲 m a i n t e n a n c ec o s t t h e s ep r o b l e m sr e s t r i c tt h ed e v e l o p m e n to fr e m o t em a i n t e n a n c ef o rp r o c e s s c o n t r o ls y s t e m w i t ht h ep o p u l a r i t yo fi n t e r n e tn e t w o r ka n dt h em a t u r i t yo fs o a a r c h i t e c t u r e ， t h ea p p l i c a t i o no fs o aa r c h i t e c t u r ei nt h er e m o t em a i n t e n a n c ef o rp r o c e s sc o n t r o ls y s t e m sh a s b e e ng r a d u a l l ys h i f t i n gf r o mt h e o r yt or e a l i t y t h i sp a p e rp r e s e n t san e wa r c h i t e c t u r eo f r e m o t em a i n t e n a n c ef o rp r o c e s sc o n t r o ls y s t e mb a s e do ns o aw h i c hc o m b i n e sw e bs e r v i c e s a n dd d s t h i sn e wa r c h i t e c t u r en o to n l yg r e a t l yi m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo fm a i n t e n a n c e ，a n d m a k e sm a i n t e n a n c es e r v i c e sh a v er e u s a b i l i t y , b u ta l s og r e a t l yr e d u c e st h es y s t e mm a i n t e n a n c e c o s t ，t h u ss i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e st h ee c o n o m i cb e n e f i t so fe n t e r p r i s e t h en e wa r c h i t e c t u r eo fr e a l - t i m er e m o t em a i n t e n a n c ef o rp r o c e s sc o n t r o ls y s t e mb a s e d o ns o aw h i c hc o m b i n e sw e bs e r v i c e sa n dd d sc a np l a yt h ea d v a n t a g e so fe a c h t h e m a i n t e n a n c eo fn e wa r c h i t e c t u r es o l v e st h ep r o b l e m so ft r a d i t i o n a lm a i n t e n a n c ee f f e c t i v e l y w e bs e r v i c e sc a np a c k a g ea l lk i n d so fa p p l i c a t i o np r o g r a me a s i l ya n dm a k em a i n t e n a n c e h a v er e p e a t a b i l i t y t h ed d sh a sah i g h l ye f f i c i e n td a t at r a n s m i s s i o nc a p a c i t y , w h i c hc a n r e d u c en e t w o r kd e l a y , g u a r a n t e et h er e a l - t i m en e e do fr e m o t em a i n t e n a n c e t h es t e po fr e m o t em a i n t e n a n c ei sc o n s t i t u t e db yc o m m u n i c a t i n gt h r o u g hd d sa n d i m p l e m e n t i n gr e m o t em a i n t e n a n c eo p e r a t i o n s f i r s to ns i t eo p e r a t o r st r a n s f e rt h ec a l c u l a t e d d a t at ot h er e m o t em a i n t e n a n c et e r m i n a lt h r o u g hd d su p d a t i n gt h es i m u l a t i o nm o d e lo f c o n t r o l l e do b j e c t ，t h e nr e m o t em a i n t e n a n c ep e r s o n si m p l e m e n ts p e c i f i cm a i n t e n a n c e o p e r a t i o n sb a s eo ns o a f o u rr e m o t em a i n t e n a n c eo p e r a t i o n sb a s e do ns o a a r ei n t r o d u c e d ： t h er e m o t eu p d a t i n go fc o n t r o l l e r , r e m o t ev i d e om o n i t o rt h ec o n t r o ls i t e ，s e n d i n ga ne m a i l w h e nc o n t r o ls y s t e mf a i l u r ea p p e a r s ，t h er e m o t eu p d a t i n go fc o m p e n s a t o rp a r a m e t e r s ，t h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e no ns i t ea n dr e m o t em a i n t e n a n c et e r m i n a li s d e s i g n e d ，a n dt h e d e v e l o p m e n ta n dd e s i g no fp u b l i s h i n ga n dr e m o t ec a l l i n gm a i n t e n a n c es e r v i c e si nr e m o t e m a i n t e n a n c ei sc o m p l e t e d f i n a l l y , r e m o t em a i n t e n a n c e f o rp r o c e s sc o n t r o ls y s t e m si na 3 0 0 0d e v i c e sb a s e do ns o a i si m p l e m e n t e d a tf i r s t ，a no p cc l i e n ti ss e tu p ，a f t e r w a r d sap r e d i c t i v ec o n t r o ls y s t e mf o rt h e u n d e rw a t e rt a n ki sb u i l t ，t h e nt h em e t h o db yw h i c hd o e sm a t l a bc a l lau s e r - d e f i n e dj a v a m e t h o di se x p l a i n e d t h eu n d e rw a t e rt a n km o d e li sc a l c u l a t e db yf i e l dd a t a , t h es i m u l a t i o n m o d e lo ft h eu n d e rw a t e rt a n ko nr e m o t em a i n t e n a n c et e r m i n a li sg i v e nb yt h ec a l c u l a t e d m o d e l ，a f t e r w a r d so ns i t eo p e r a t o r st r a n s f e rt h ec a l c u l a t e dd a t at ot h er e m o t em a i n t e n a n c e t e r m i n a lt h r o u g hd d s u p d a t i n gt h es i m u l a t i o nm o d e lo fu n d e rw a t e rt a n k ，a tl a s tt h er e m o t e m a i n t e n a n c eo p e r a t i o n sb a s e do ns o aw h i c hc o m b i n e sw e bs e r v i c e sa n dd d sa re i m p l e m e n t e d ， s u c ha s u p d a t i n g t h eo ns i t e p r e d i c t i v e c o n t r o l s y s t e m ，u p d a t i n g a n d m a i n t a i n i n gt h eo ns i t ep r o c e s sc o n t r o la l g o r i t h ma n dr e m o t ev i d e om o n i t o r i n gt h ea 3 0 0 0 s y s t e m t h ee x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt h ea r c h i t e c t u r eo fr e m o t em a i n t e n a n c ef o rp r o c e s s c o n t r o ls y s t e mb a s e do ns o aw h i c hc o m b i n e sw e bs e r v i c e sa n dd d sc o u l dg r e a t l yi n c r e a s e t h ee f f i c i e n c yo fm a i n t e n a n c e ， g u a r a n t e et h er e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o n ， a n dr e d u c et h e m a i n t e n a n c ec o s t k e yw o r d s ：p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ；w e bs e r v i c e s ；d d s ；s o a ；r e m o t em a i n t e n a n c e ； 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：至! 訇曼亟f 1 期：2 0 l o 年占月髟日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：至! 亟l 强 指导教师签名： 日期：。d 年6 月g 日 日期：z d 年多月驴日 中国油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章前言 过程控制系统远程维护架构的研究能有效地提高远程维护的效率和降低维护的成 本，现在人们已经认识到其重要性，并且投入大量的人力和物力于过程控制系统维护架 构的研究。 1 1 课题背景及研究意义 当过程控制系统出现故障现场的操作人员无法解决时，就需要进行远程维护。而远 程维护采用何种架构将直接关系到维护的效率和成本。全球化的竞争促使企业需要不断 地提高维护效率，降低维护成本，从而促进了远程维护架构的研发。控制理论与智能技 术的发展已经有几十年的历史了，随着作为控制计算机的集散控制系统( d c s ) 的推广， 过程控制系统有了强有力的硬件和软件平台 1 】，这些都为过程控制系统远程维护架构研 究奠定了基础。 目前，i n t e r n e t 网络已经越来越普及，使得过程控制系统远程维护变得越来越方便。 然而，随着新的控制方案和控制器的不断加入应用实施，加之各种现存的控制策略，控 制系统内部暴露出应用系统种类繁多，很难实现共享平台之间的数据，控制系统之间的 信息交互以及协作性困难等缺陷，将过程控制系统变成信息孤岛【2 】，制约了信息和数据 的更新、同步，影响了维护子系统间的复用性和协作性；同时考虑到远程维护维护成本， 企业通常不会将旧系统一次性更换掉。 以前，企业在控制系统远程维护流程中，各个维护模块是严格遵循事先制定好的顺 序运行。改变业务逻辑和数据结构就需要对相应的数据和模块进行修改，这样会花费大 量的人力跟物力，有些维护程序是由以前的维护人员负责的，随着时间的流逝，可能会 发生人事调动再加上以前的编程工具目前可能较少有人熟悉，所以会对现在的维护带来 很大的麻烦 3 j 。企业需要考虑各方面的成本问题，要做到尽可能降低成本的前提下，完 成远程维护，同时还要尽量降低维护工作量，缩短系统维护的时间。 将面向服务架构s o a ( s e r v i c eo r i e n t e da r c h i t e c t u r e ) 应用到过程控制系统远程维护 中，正好解决上述问题，同时实现了各个维护子系统之间的协作。s o a 的所有功能均被 精确定义，s o a 是可调用的、独立的服务，作为松耦合、粗粒度的服务结构，能够被有 序组织的维护流程应用架构【4 】。从本质上讲，s o a 是一种通过发布接e l 为远程维护用户 提供远程维护服务的软件系统设计架构 5 1 。企业可以采用面向服务的体系架构，及时的 1 第1 章前言 构建开放的、模块化的、可使用的软件组件。这种架构现在已经广泛应用于跨地域、跨 企业、跨部门的商务系统和政务系统等广域异构环境，本论文将s o a 应用于过程控制 系统远程维护中，依照s o a 的理论，过程控制系统需要有大量的远程维护服务组成， 服务最明显的特点就是它的可重用性，这是以往任何组件都无法比拟的，因为服务反映 的不是技术，而是业务。 过程控制系统采用基于s o a 的远程维护具有非常现实的意义。s o a 的主要任务之 一就是彻底摆脱面向技术的维护方案的束缚，使系统更加重视维护流程而不是底层的基 础结构，迅速应对过程控制系统的变化和发展【6 j 。从业务层面上讲，s o a 实现了从重复 的业务流程向共享服务和高度利用的低维护成本的应用转变，迅速适应和发布相关的维 护业务服务来满足过程控制系统维护需要，更加高效的转入转出降低了整个维护业务的 复杂性和难度，同时节约了维护的成本和时剐7 1 。对过程控制系统而言，面向服务架构 与点对点的集成相比具有更低的复杂性，同时通过重新开发和部署遗留应用程序使得维 护成本变得更低。 目前，企业总希望以最低的成本来获得最大的经济效益，而服务型企业所取得的骄 人效益有目共睹，因此，实现和研究s o a 是非常具有现实意义的，能够使得企业进入 一个更加深远的发展层次。 1 2 国内外研究现状 远程维护的概念最早是在医疗领域提出来的，当时的医疗领域的远程维护是通过远 程专家会诊、在线检查等部分组成的。其功能是通过i n t e m e t 来进行医疗问题的远程专 家会诊和讨论，并对相关医疗资料进行查询和显示。 对设备的远程维护跟对病人的远程会诊很相似，只是因为以前对其不够重视，所以 在工业领域的发展比较迟缓。直到二十世纪末，斯坦福大学与麻省理工学院举办了一个 工业远程维护讨论会，紧接着推出了首个基于i n t e r n e t 的远程诊断平台后，远程维护在 工业领域的发展才开发迅速起来。 1 2 1 远程维护信息的传输 要实施过程控制系统远程维护首先要实现远程维护信息的传输，远程维护起步阶段 主要研究如何处理异地维护信息的远程传输问题。像d a t a m a n a g e2 0 0 0 ，作为著名的 b e n t l y 公司【8 】研发的计算机在线装备监控系统，能够以网络动态数据交换( n e td d e ) 的方 2 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 法，将过程控制系统设备的运行状态信息发送给远程终端；l a b v i e w ，是由n a t i o n a l i n s t r u m e n t s 公司推出的虚拟仪器产品，采用d a t a s o c k e t 技术保证了实时运行状态数据的 共享，而且能够经由底层协议如t c p 、u d p 等来发送测试数据。日本山崎公司( y a m a z a k i ) 开发的可传输数据的机床，维修工程师根据机床传输来数据进行诊断，指导客户进行相 应的故障维修。 在互联网的起步阶段，e b e c k e r 重点研究了以互联网为基础的i n t e r m a c 远程维护 系统的特点及最近的发展状况。i n t e r m a c 远程维护系统内嵌有i n t e m e t 技术，能够实现 通过自动机发送e m a i l ，从而实现远程维护服务。紧接着虚拟工厂( v i r t u a lp l a n t ，v p ) 的概念由意大利c a t a n i a 大学提出，在此概念里，维护人员能够通过i n t e r n e t 或i n t r a n e t 来访问远程过程控制系统，并能够控制远程生产过程。将平时在本地进行的正常监测和 控制在远程端执行，实现了对生产过程的评估、故障诊断和远程维护。硬件独立的 d e v i c e - t o - b u s i n e s s ( d 2 b ) 和w a t c h d o ga g e n t 是由j a yl e e 所在的i m s 中心推出的产品，能 够作为w 曲远程维护的智能平台。美国惠普公司基于i e e e l 4 5 1 2 标准，将以太网控制 器嵌入传感器、驱动器等现场设备，通过t c p 、h t t p 、f t p 和u d p 协议，进行现场数 据和维护信息的传输。美国w e s t i n g h o u s e 公司在其维护中心能够通过互联网接受控制现 场的实时数据，实现远程监测和维护全美2 0 多个电厂。 此外， v i b r a t i o ni n s t i t u t e 、 m i m o s a ( m a c h i n e r yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n to p e n s y s t e m sa l l i a n c e ) 、m f p t ( s o c i e t yf o rm a c h i n e r yf a i l u r ep r e v e n t i o nt e c h n o l o g y ) 引、 c o m a d e m ( c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n de n g i n e e r i n gm a n a g e m e n t ) 等众多的国家组织，也致 力于过程控制系统远程维护技术和远程信息传输的推广工作，而且制定了大量的远程信 息交换标准和格式。这些都在技术基础上保证了远程维护的实现与实施。 国内，很多高校像西安交大、清华大学等都对基于i n t e r n e t 的过程控制系统远程维 护信息的传输进行了研究，有些已经在工程实践中得到了应用。如西安交大研发出的集 散式监测与诊断系统，就很好的实现了过程控制系统远程维护信息的传输。清华大学研 制的大型电站设备的远程诊断系统实现了将远程故障信息实时传输给监控中心以及将 监控中心维护信息实时传输给电站设备。 1 2 2 远程维护架构的研究 过程控制系统远程维护架构直接关系到维护的效率和成本。远程维护不单纯是“异 地”维护而己，不同的远程维护在维护方法和体系结构上都有着各自的特点。所以远程 3 第l 章前言 维护架构的研究已渐渐地成为远程维护领域的重点。美国费舍柔斯芒特系统股份有限 公司开发出了一种用于过程控制系统远程维护的面向服务架构，建立多个过程控制服务 的服务器用于跟远程客户端传递过程控制维护信息。著名的德国西门子公司研发的实现 全集成自动化的过程控制系统( s i m a t i cp c s 7 ) ，基于最先进的s i m a t i c 技术设计以 及模块化和开放式的架构，使用 p c s7 服务器和相应的w e b ! a g l a n c e i t 客户机，通 过工厂网或因特网实现全局的在线监控。b & r ( 贝加莱) 公司开发了一种基于l i n u x 操 作系统的过程控制系统a p r o l ，集成了从现场层到远程维护层完整的功能，确保达到 现代化的，通用的工业自动化要求。美国国家自然科学基会资助的智能维护系统中心 ( c e n t e rf o ri n t e l l i g e n tm a i n t e n a n c es y s t e m s ，i m s ) 、澳大利亚联邦政府投资17 5 0 万美元 建立的工程设备集成管理研究协作中一t 二 ( c o o p e r a t i v er e s e a r c hc e n t r ef o ri n t e g r a t e d e n g i n e e r i n ga s s e tm a n a g e m e n t ，c i e a m ) 以及由欧盟资助的p r o t e u s ( ag e n e t i cp l a t f o r m f o re m a i n t e n a n c e ) 1 0 1 是目前影响较大的远程维护架构研究项目。智能维护( i n t e l l i g e n t m a i n t e n a n c e ) 的概念首先由i m s 中心的j a yl e e 提出，j a yl e e 认为装备庞大的监测数据 量，直接通过网络实现即时传输将非常困难，所以他提出了一种远程服务架构，通过在 本地对原始资料进行预处理后，然后再进行传输。 2 0 0 4 年，澳大利亚联邦政府花费近1 8 0 0 万美元建立的c i e a m ，旨在集成故障信息 传输、远程诊断、e r p ( e n t e r p r i s er e s o u r c ep l a n n i n g ) 与维护管理等相关方法。二十世纪 初启动的由德国、法国和比利时等相关科研院校与公司共同参与的欧盟p r o t e u s 项目 ( d e v e l o p i n gag e n e r i c s o r w a r ep l a t f o r mf o r p o l y v a l e n tr e m o t e t e c h n i c a ls u p p o r tt o o l h a n d l i n gi n f o r m a t i o ne x c h a n g e s v i at h ew e b ) 为过程控制系统e 维护( e m a i m e n a n c e ) 建立起 一种通用的应用平台。伴随着维护模式的转变，远程维护系统或e 维护( e m a i n t e n a n c e ) 等的相关研究中也开始包含远程维护架构的研究。 国内对过程控制系统远程维护架构的研究也越来越重视，华中科技大学在远程维护 方面起步比较早，同时在远程维护架构的研究上也比较深入。其与香港城市大学共同开 发出一种基于w e b 的虚拟仪器和微型服务器的控制系统远程传感、诊断与协同维护架 构。北京理工大学和南京航空航天大学则对f m s 的远程监测和故障诊断系统架构进行 了研究。 1 3 本文研究的主要内容 传统的过程控制系统的远程维护网络延时很大，各个系统之间不能共享维护策略， 4 中围石油大学( 华东) 硕士学位论文 维护都是一次性的，维护完毕后就不能再使用了，不具有可重用性，为了解决上述问题 本文采用w e bs e r v i c e s 和d d s 相结合的实时维护架构，w e bs e r v i c e s 的可重用性和共享 性，降低了维护成本，实现了维护服务共享，同时d d s 通信技术又保证了w e bs e r v i c e s 实时性，减少了网络延迟造成的影响。 本文进行的研究的内容是： 1 设计过程控制系统远程维护面向服务架构，给出了远程维护面向服务的架构图， 并对各个部分进行了分析； 2 开发了四种w e bs e r v i c e s 和d d s 结合的基于s o a 的远程维护操作：控制器的远 程更新、远程视频监控控制现场、系统故障邮件发送和补偿器参数的远程更新。并对这 四种维护操作中现场端和远程端数据的d d s 通信，以及各种子维护系统做成服务发布 并由远程端调用等进行了详细的设计： 3 考虑到i n t e r n e t 网络延时对实时数据造成的影响，采用分布式数据服务d d s 通 信方式来完成现场端和远程维护端之间的数据通信，以减少网络延时对远程维护造成的 影响。 4 实施基于s o a 的a 3 0 0 0 过程控制系统远程维护，首先完成o p c 客户端的创建， 然后构建下水箱预测控制系统，接着对m a t l a b 调用白定义j a v a 方法进行了介绍，通过 现场测量数据计算出下水箱模型，并建立远程维护端仿真下水箱模型，然后通过d d s 通信将计算出的数据传递给远程维护端，更新仿真下水箱模型。最后实施w e bs e r v i c e s 和d d s 相结合的面向服务架构的远程维护：更新现场的预测控制系统、现场过程控制 算法的更新与替换和远程视频监控a 3 0 0 0 系统。 1 4 本文的结构安排 根据上述研究内容，全文共分为五章，章节安排如下： 第一章介绍了本文课题背景及研究意义，国内外研究现状和论文研究的主要内容。 第二章首先对过程控制系统的分类、采用到的预测控制系统，以及过程控制系统的 远程维护问题进行了介绍。然后提出了w e bs e r v i c e s 和d d s 相结合的s o a 实时架构， 并对s o a 体系结构、w e bs e r v i c e s 和d d s 通信技术分别进行了介绍。 第三章描述了过程控制系统远程维护功能模型，然后介绍基于s o a 的过程控制系 统远程维护架构图以及各部分实现的功能，最后描述了基于s o a 的过程控制系统远程 维护步骤。 5 第l 章前言 第四章首先给出了过程控制系统远程维护架构的开发平台，然后详细的介绍了控制 器的远程更新、远程视频监控控制现场、系统故障邮件发送、补偿器参数的远程更新等 远程维护。 第五章首先完成o p c 客户端的创建，然后构建下水箱预测控制系统，接着对m a t l a b 调用自定义j a v a 方法进行了介绍，通过现场测量数据计算出下水箱模型，并建立远程维 护端仿真下水箱模型，然后通过d d s 通信将计算出的数据传递给远程维护端，更新仿 真下水箱模型。最后实施w e bs e r v i c e s 和d d s 相结合的面向服务架构的远程维护：更 新现场的预测控制系统、现场过程控制算法的更新与替换和远程视频监控a 3 0 0 0 系统。 6 中图石油大学( 华东) 硕上学位论文 第2 章过程控制系统远程维护技术基础 本章首先对过程控制系统进行了概述，并对使用到的预测控制进行了介绍，接着描 述了过程控制系统中的远程维护问题。然后提出了w e bs e r v i c e s 和d d s 相结合的面向 服务架构，并对其进行了阐述。 2 1过程控制系统及其远程维护问题 2 1 1 过程控制系统 过程控制分为常规控制和先进控制，下面对这两种控制进行简单介绍。 所谓常规控制是指采用经典的p i d 控制算法或其他简单的控制算法，如双位控制、 比例控制以及比较复杂的前馈控制、串级控制、比值控制等，使工业生产过程的被控变 量，如温度、液位、压力、流量等，在遭受到外来扰动情况下，稳定地维持在预先的给 定值上。这种控制系统最经典的是单回路的反馈控制系统。工业上8 0 以上的控制回路 都采用这种简单的p i d 控制系统 1 l 】。 先进控制( a p c ) 是对那些不同于常规单回路p i d 控制，并具有比常规p i d 控制更 好控制效果的控制策略的统称，而非指某种计算机控制算法。由于先进控制的内涵丰富， 同时带有较好的时代特征，即用来处理那些采用常规控制效果不好，甚至无法控制的复 杂工业过程控制的问题。先进控制应用得当可带来显著的经济效益。以石油化工行业为 例，一个先进控制项目的效益在百万以上，其投资回收期一般在1 年以内【“】。 先进控制是基于计算机的各种控制算法。其中在工业界上已有应用的算法包括模型 预测控制、内模控制、自适应控制、推断控制、非线性过程控制以及智能控制方法等。 先进控制系统与常规p i d 控制系统相比有着更好的控制性能，它改善了被控过程的动态 特性，降低了被控变量的波动，达到了最优化控制，提高了产品的质量，减少了运行成 本，实现了被控过程的稳定、安全运行。 2 1 2 预测控制 在本文中采用到了常规控制和先进控制中的预测控制，下面将预测控制进行简单的 描述。d m c 预测控制由预测模型、反馈校正和滚动优化三部分组成。 预测模型：采样的先进控制系统是d m c 的预测控制模型，通过对控制对象的进行 单位阶跃响应离散数据采样。从t = 0 到t 时刻，采样有限个系统数据i a j i ( ，= 1 , 2 ，n ) ， 7 第2 章过程控制系统远程维护技术基础 用这些采样来的数据来表现出系统的动态特性，l 口爪= 1 ，2 ，) 是d m c 预测控制中的 模型参数。 预测模型输出值在未来p 个时刻的值为： ( 后+ f ) 2 y 。( 足+ f ) + 毛口州a “( j | + 一1 ) 江1 ，2 ，p ( 2 - 1 ) 式中a u ( k + j - 1 ) = u ( k + 一1 ) 一u ( k + j - 2 ) 反馈校正：受误差和外界干扰的影响，系统需要用实际输出误差来进行反馈校正， 以达到更加准确的闭环预测控制，即 y 。( 尼+ 1 ) = y 。( 尼+ 1 ) + g o y ( 七) 一y 。( 七) = a a u ( k ) + a o a u ( k 一1 ) + g o e ( k )( 2 - 2 ) 式中y 。( 七+ 1 ) 一预测输出； y 。( 尼+ 1 ) 一经过反馈校正后的预测输出。 滚动优化：d m c 控制算法滚动优化目的是从k 时刻开始的m 个控制增量a u ( k ) ， a u ( k + 1 ) ，a u ( k + m 一1 ) 实施在被控过程时，使预测的将来时刻的输出值 y p ( 尼+ 1 ) ，y p ( 后+ 2 ) y p ( 尼+ 即尽量的接近y p ( j | + 1 ) ，y p ( 后+ 2 ) y p ( 七+ 尸) ，性能指标 表达式是： pm 厂= 五 y ，( 七+ f ) 一y o ( 七+ f ) 2 9 i + 互 l l ( 豇+ 一1 ) 2 0 ( 2 3 ) j = 11 5 i 。 上式中，表达式的第二项是约束控制增量，以免控制量的变化过于激烈。加权系数 g ，是对跟踪误差的抑制，加权系数0 是对控制增量变化的抑制。性能指标的向量表达式 为： ，三：葛：芝：二yp(后+，1)一12 q + h u ( k ) y a a u ( k a o a u ( k - 1 ，8 - 2 尺g 。g 。尼川：q + i i a u ( a ) i i ：r c 2 4 ， = l l ，( 七+ 1 ) 一 ) 一) o g ( 尼) 旷 式中q 一误差权矩阵； r - 一控制权矩阵； 令o j o a u ( k ) = 0 有： a u ( k ) = ( 彳7 q a + r ) 一a r g y ，( 尼+ 1 ) 一a o a u ( k - 1 ) - g o p ( 尼) 】 ( 2 5 ) 8 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 控制参数向量d t = ( 10 0 ) ( 爿7 姒+ r ) 。a t q = d 。d 2 d p 。q 、r 、m 和p 确定后， 就可求出d t ，从而得到a u ( k ) 。如图2 1 所示为预测控制结构图【l o 】。 图2 - 1 预测控制系统结构图 f i 9 2 - 1 t h es t r u c t u r ed i a g r a mo fp r e d i c t i v ec o n t r o ls y s t e m 2 1 3 过程控制系统远程维护问题 过程控制系统远程维护需要解决的问题： ( 1 ) 因为过程控制远程维护是通过i n t e r n e t 来实现的，因此网络延时就成为影响远程 维护效果的重要因素，需要一种实时通信方式来降低网络的延时性。 ( 2 ) 远程维护需要各个系统之间共享维护策略，这样就不需要再开发新的维护方案， 其他系统直接调用该维护服务即可； ( 3 ) 以前的维护都是一次性的，维护完毕后就不能再使用了，需要建立可重用性的 维护服务，这样出现类似故障的时候，就不用再重新设计，降低了维护的成本； 为了解决上述问题，本文采用w e bs e r v i c e s 和d d s 相结合的面向服务架构，w e b s e r v i c e s 的可重用性和共享性，降低了维护成本，实现了维护服务共享，同时d d s 通信 技术又保证了w 曲s e r v i c e s 的实时性，降低了网络延迟的影响。 2 2w e bs e r v i c e s 和d d s 相结合的面向服务架构 w 曲s e r v i c e s 的强大在于它能够封装各种应用程序【3 0 】【3 1 ，但是实时性却是它的瓶 颈；d d s 在实时数据传输上具有强大的优势，但是对于复杂的应用程序的传输，d d s 就很难实现。w e bs e r v i c e s 和d d s 的结合可以充分发挥两者的优势，弥补两者的劣势， 组成一个实时的面向服务架构。具体的结合办法就是先通过d d s 实时通信，将要封装 9 第2 章过程控制系统远程维护技术基础 的各种服务里面的信息都更新为实时数据信息，然后再将服务发布。这样就能最大能力 的提高w e bs e r v i c e s 的实时性。下图2 2 中可以看出d d s 在实时消息传输方面的优势。 实 时 性 l o 譬 o 曷。 曼 f 曼 5 置 o 2 葛。 窑 摹 o - 一夏 为 至 罢 + 信息传输技术标准 图2 - 2 各种信息传输技术在实时性上的对比 f i 9 2 2 t h ec o m p a r i s o no fa l lk i n d so fi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o ni nr e a l - t i m e 2 2 1s o a 体系结构 远程维护采用面向服务架构( s o a ) 可以避免完全更新现存的系统，现存系统可以 通过w e b 服务接口接入，节省了巨大的成本投资。s o a 可以看成是各种基础服务的集 合，它们之间的通信可以是简单的数据传递，也可以实现高层次性能要求的服务的传输。 s o a 作为组件模型，通过应用程序的不同功能单元即服务之间定义良好的接口和契约将 服务联系起来，采用中立的方式对接口进行定义，具有跨平台性、跨系统性、跨语言性， 独立于硬件平台、操作系统和编程语言，使得可以通过采用统一和通用的方式构建各种 系统中的服务。 面向服务的体系架构分为三部分，它们分别是服务提供者、服务调用者和服务注册 中心。其中服务提供者负责提供实现的具体服纠1 3 】，然后通过注册服务操作，将服务发 布到服务注册中心，当服务注册中心接收到服务调用者的服务请求时，执行服务调用者 所请求的服务。服务调用者则是调用服务的请求者，首先到服务注册中心中查找满足条 件的服务；然后根据服务信息绑定调用服务，来获取所需要的服务。服务注册中心注 册服务提供者提供的服务，实现服务的分类和查找，使服务调用者能够查找所需要的服 1 0 中国石油人学( 华东) 硕卜学位论文 务【1 4 】【15