用于硬件組件的遙控的控制系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種控制系統(tǒng)和方法，并且更具體地涉及供基于云的服務(wù)器使用的控 制系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 大約在1960年，在控制系統(tǒng)中首先使用了數(shù)字計(jì)算機(jī)。自那以后，控制系統(tǒng)的演 進(jìn)已與計(jì)算裝置的進(jìn)步相關(guān)。現(xiàn)今，自動(dòng)化系統(tǒng)是需要計(jì)算和通信的幾個(gè)分層的層的多層 架構(gòu)。由于自動(dòng)化除了提供直接自動(dòng)控制以外，還提供其他高級(jí)功能，諸如監(jiān)測(cè)、監(jiān)督控制、 警報(bào)管理、歷史化、工廠級(jí)管理以及企業(yè)級(jí)應(yīng)用，自動(dòng)化的含義現(xiàn)在已超出了自動(dòng)控制。
[0003] 使用現(xiàn)有技術(shù)的大規(guī)模的自動(dòng)化項(xiàng)目成本高昂并且耗時(shí)竭力。除了相當(dāng)大的人事 管理工作量外，還需要大量硬件和軟件。自動(dòng)化的原始成本通常合計(jì)達(dá)數(shù)千萬(wàn)美元。此外， 由于對(duì)現(xiàn)有自動(dòng)化系統(tǒng)投資較大，通常避免換至另一自動(dòng)化供應(yīng)商。除成本之外，對(duì)整個(gè)自 動(dòng)化系統(tǒng)的重新部署是繁瑣的，對(duì)于那些運(yùn)行中的工廠來(lái)說(shuō)尤其如此。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明試圖提供一種改善的控制系統(tǒng)和方法。
[0005] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種控制系統(tǒng)，包括：第一硬件組件、第二硬件組 件、遠(yuǎn)離硬件組件的服務(wù)器、以及主要控制模塊，其中，硬件組件與服務(wù)器通信使得可以在 硬件組件和服務(wù)器之間傳送數(shù)據(jù)，主要控制模塊實(shí)施為在服務(wù)器上運(yùn)行的服務(wù)，主要控制 模塊可操作為與硬件組件通信以控制至少一個(gè)硬件組件。
[0006] 優(yōu)選地，硬件組件之一是傳感器。
[0007] 方便地，硬件組件之一是致動(dòng)器。
[0008] 有利地，第一硬件組件和第二硬件組件集成在單個(gè)硬件單元中。
[0009] 優(yōu)選地，主要控制模塊構(gòu)成控制系統(tǒng)中的直接控制層的部件。
[0010] 方便地，主要控制模塊包括作為服務(wù)在服務(wù)器運(yùn)行的算法。
[0011] 有利地，硬件組件使用在傳輸控制協(xié)議（TCP)上運(yùn)行的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)協(xié)議，與服務(wù)器通 ?目。
[0012] 優(yōu)選地，硬件組件使用由Modbus/TCP和Profibus/TCP組成的組中的協(xié)議與服務(wù) 器通信。
[0013] 方便地，硬件組件經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)器通信。
[0014] 有利地，服務(wù)器是構(gòu)成云的部件的服務(wù)器。
[0015] 優(yōu)選地，硬件組件中的至少一個(gè)直接連接到云。
[0016] 方便地，硬件組件中的至少一個(gè)經(jīng)由局域網(wǎng)連接至云。
[0017] 有利地，硬件組件中的至少一個(gè)經(jīng)由網(wǎng)關(guān)服務(wù)器連接至云。
[0018] 優(yōu)選地，網(wǎng)關(guān)服務(wù)器與硬件組件定位在同一建筑中。
[0019] 方便地，系統(tǒng)進(jìn)一步包括與服務(wù)器通信的用戶(hù)界面，以使得用戶(hù)與服務(wù)器交互來(lái) 監(jiān)視和控制主要控制模塊。
[0020] 有利地，用戶(hù)界面實(shí)施為平臺(tái)即服務(wù)（PaaS)或系統(tǒng)即服務(wù)（SaaS)。
[0021] 優(yōu)選地，硬件組件輸出過(guò)程變量（process variable，生產(chǎn)變量）并且系統(tǒng)包括將 過(guò)程變量傳送至主要控制模塊的輸入的反饋環(huán)路，其中，系統(tǒng)進(jìn)一步包括延遲補(bǔ)償器模塊， 其通過(guò)延遲補(bǔ)償值修改過(guò)程變量以補(bǔ)償主要控制模塊與硬件組件之間的通信中的延遲。
[0022] 方便地，系統(tǒng)進(jìn)一步包括比較器單元，其包含接收過(guò)程變量的第一輸入和接收參 考值的第二輸入，其中，比較器單元將過(guò)程變量與參考值進(jìn)行比較并且將比較值輸出至主 要控制模塊的輸入，并且其中，延遲補(bǔ)償器模塊通過(guò)延遲補(bǔ)償值修改過(guò)程變量或誤差值。
[0023] 有利地，延遲補(bǔ)償器模塊選擇延遲補(bǔ)償值為與主要控制模塊與硬件組件中的至少 一個(gè)之間的通信中的往返時(shí)間延遲相符合。
[0024] 優(yōu)選地，延遲補(bǔ)償器模塊選擇延遲補(bǔ)償值為與主要控制模塊與硬件組件中的至少 一個(gè)之間的通信中的往返時(shí)間延遲相等。
[0025] 方便地，延遲補(bǔ)償器模塊是史密斯預(yù)測(cè)器。
[0026] 有利地，史密斯預(yù)測(cè)器通過(guò)延遲補(bǔ)償值修改過(guò)程誤差而非過(guò)程變量以補(bǔ)償主要控 制模塊與硬件組件之間的傳送的延遲。
[0027] 優(yōu)選地，系統(tǒng)進(jìn)一步包括延遲估計(jì)器模塊，其可操作為估計(jì)主要控制模塊與硬件 組件中的至少一個(gè)之間的通信中的往返時(shí)間延遲。
[0028] 方便地，延遲估計(jì)器模塊使用指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均計(jì)算來(lái)估計(jì)延遲。
[0029] 有利地，延遲估計(jì)模塊使用指數(shù)加權(quán)移動(dòng)方差計(jì)算來(lái)估計(jì)延遲方差。
[0030] 優(yōu)選地，延遲補(bǔ)償器模塊在預(yù)定時(shí)間段逐漸地修改過(guò)程變量。
[0031] 方便地，系統(tǒng)進(jìn)一步包括二級(jí)控制模塊，其實(shí)施為在服務(wù)器上運(yùn)行的服務(wù)，二級(jí)控 制模塊可操作為與硬件組件通信以控制硬件組件中至少一個(gè)，其中，每個(gè)控制模塊配置為 以待機(jī)模式和占用模式操作，在待機(jī)模式中控制模塊不向硬件組件發(fā)送控制動(dòng)作，在占用 模式中控制模塊向硬件組件發(fā)送控制動(dòng)作，其中，每個(gè)控制模塊可操作成通信以檢查另外 的控制模塊的操作模式，并且其中，如果另外的控制模塊沒(méi)有操作在占用模式中，則一個(gè)控 制模塊可操作為切換到占用模式。
[0032] 有利地，在系統(tǒng)初始化時(shí)，主要制模塊操作在占用模式中并且二級(jí)控制模塊操作 在待機(jī)模式中。
[0033] 優(yōu)選地，系統(tǒng)包括輸入/輸出（I/O)接口并且每個(gè)控制模塊連接成與I/O接口進(jìn) 行通信。
[0034] 方便地，I/O接口包含時(shí)間記錄模塊，該時(shí)間記錄模塊可操作為記錄指示出自每個(gè) 控制模件最后被占用并將控制數(shù)據(jù)傳送至硬件組件中至少一個(gè)的時(shí)間的時(shí)間值。
[0035] 有利地，每個(gè)控制模塊可操作為在預(yù)定采樣周期輪詢(xún)接口 I/O接口以確定另外的 控制模塊的時(shí)間記錄模塊記錄的時(shí)間值。
[0036] 優(yōu)選地，為主要控制模塊分配第一 ID號(hào)并且為二級(jí)控制模塊分配大于第一 ID號(hào) 的第二ID號(hào)。
[0037] 方便地，具有最低的ID號(hào)的控制模塊配置為操作在占用模式中。
[0038] 有利地，系統(tǒng)進(jìn)一步包括至少一個(gè)另外的控制模塊，其實(shí)施為在服務(wù)器上運(yùn)行的 服務(wù)（service)，每個(gè)另外的控制模塊可操作為與硬件組件通信以控制至少一個(gè)硬件組件， 其中，每個(gè)另外的控制模塊配置為以待機(jī)模式和占用模式下操作，在待機(jī)模式中，另外的控 制模塊不會(huì)向硬件組件發(fā)送控制動(dòng)作，并且在占用模式中另外的控制模塊會(huì)向硬件組件發(fā) 送控制動(dòng)作，其中，每個(gè)另外的控制模塊可操作為與I/O接口通信以確定另外的控制模塊 的操作模式。
[0039] 優(yōu)選地，至少一個(gè)控制模塊實(shí)施為相對(duì)至少一個(gè)其他控制模塊在不同的服務(wù)器上 運(yùn)行的服務(wù)。
[0040] 方便地，服務(wù)器彼此在不同的地理位置。
[0041 ] 有利地，每個(gè)控制模塊包含積分器并且每個(gè)控制模塊可操作為將其積分器的值傳 送至其他控制模塊，其中，在待機(jī)模式中操作的每個(gè)控制模件配置為將其積分值設(shè)置為與 在占用模式中操作的控制模塊的積分值相符合，使得在待機(jī)模式中操作的每個(gè)控制模塊準(zhǔn) 備平穩(wěn)地切換至占用模式。
[0042] 優(yōu)選地，每個(gè)控制模塊是比例積分微分（PID)控制器。
[0043] 方便地，在待機(jī)模式中操作的每個(gè)控制模塊可操作為將其設(shè)定點(diǎn)設(shè)置為與在占用 模式中操作的控制模塊的設(shè)定點(diǎn)的值相同的值。有利地，主要控制模塊實(shí)施為在服務(wù)器上 運(yùn)行的虛擬機(jī)中運(yùn)行的服務(wù)。
[0044] 優(yōu)選地，每一個(gè)其他控制模塊實(shí)施為在服務(wù)器上運(yùn)行的虛擬機(jī)中運(yùn)行的服務(wù)。
[0045] 方便地，每一個(gè)其他控制模塊實(shí)施為在服務(wù)器上運(yùn)行的各個(gè)單獨(dú)的虛擬機(jī)中運(yùn)行 的服務(wù)。
[0046] 有利地，每一個(gè)其他控制模塊實(shí)施為在一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的服務(wù)器上運(yùn)行的單獨(dú)的 虛擬機(jī)中運(yùn)行的服務(wù)。
[0047] 優(yōu)選地，每個(gè)服務(wù)器位于與其他服務(wù)器不同的地理位置。
[0048] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種控制第一硬件組件和第二硬件組件的方法，方 法包括在遠(yuǎn)離硬件組件的服務(wù)器上運(yùn)行主要控制模塊即服務(wù)，硬件組件與服務(wù)器通信，并 且使用主要控制模塊，通過(guò)在硬件組件與主要控制模塊之間傳送數(shù)據(jù)來(lái)控制至少一個(gè)硬件 組件。
[0049] 優(yōu)選地，硬件組件之一是傳感器。
[0050] 方便地，硬件組件之一是致動(dòng)器。
[0051] 有利地，第一硬件組件和第二硬件組件集成在單個(gè)硬件單元中。
[0052] 優(yōu)選地，主要控制模塊構(gòu)成控制系統(tǒng)中的直接控制層的部件。
[0053] 方便地，主要控制模塊包括作為服務(wù)在服務(wù)器上運(yùn)行的算法。
[0054] 有利地，硬件組件使用在傳輸控制協(xié)議（TCP)上運(yùn)行的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)協(xié)議與服務(wù)器通 ?目。
[0055] 優(yōu)選地，硬件組件使用由Modbus/TCP和Prof ibus/TCP組成的組中的協(xié)議與服務(wù) 器通信。
[0056] 方便地，硬件組件經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)器通信。
[0057] 有利地，服務(wù)器是構(gòu)成云的部件的服務(wù)器。
[0058] 優(yōu)選地，硬件組件中至少一個(gè)直接連接至云。
[0059] 方便地，硬件組件中的至少一個(gè)經(jīng)由局域網(wǎng)連接至云。
[0060] 有利地，硬件組件中的至少一個(gè)經(jīng)由網(wǎng)關(guān)服務(wù)器連接至云。
[0061] 優(yōu)選地，網(wǎng)關(guān)服務(wù)器與硬件組件放置在同一建筑中。
[0062] 方便地，方法進(jìn)一步包括提供與服務(wù)器通信的用戶(hù)界面并且使用用戶(hù)界面與服務(wù) 器交互以監(jiān)視和控制主要控制模塊。
[0063] 有利地，用戶(hù)界面實(shí)施為平臺(tái)即服務(wù)（PaaS)或系統(tǒng)即服務(wù)（SaaS)。
[0064] 優(yōu)選地，硬件組件輸出過(guò)程變量并且方法包括經(jīng)由反饋環(huán)路將過(guò)程變量傳送至主 要控制模塊的輸入，其中，方法進(jìn)一步包括通過(guò)延遲補(bǔ)償值修改過(guò)程變量以補(bǔ)償主要控制 模塊與硬件組件之間的通信中的延遲。
[0065] 方便地，方法進(jìn)一步包括將過(guò)程變量與參考值進(jìn)行比較并且將比較值輸出至主要 控制模塊的輸入，并且通過(guò)延遲補(bǔ)償值修改過(guò)程變量或誤差值。
[0066] 有利地，方法包括選擇選擇延遲補(bǔ)償值為與主控制模塊和至少一個(gè)硬件組件之間 的通信中的往返時(shí)間延遲相符合。
[0067] 優(yōu)選地，方法包括選擇延遲補(bǔ)償值為與主要控制模塊和至少一個(gè)硬件組件之間的 通信中的往返時(shí)間延遲相等。
[0068] 方便地，方法包括使用史密斯預(yù)測(cè)器修改過(guò)程變量。
[0069] 有利地，方法包括使用史密斯預(yù)測(cè)器通過(guò)延遲補(bǔ)償值修改過(guò)程誤差而非過(guò)程變量 來(lái)補(bǔ)償主要控制模塊與硬件組件之間的通信中的延遲。
[0070] 優(yōu)選地，方法進(jìn)一步包括估計(jì)主要控制模塊與至少一個(gè)硬件組件之間的往返通信 中的時(shí)間延遲。
[0071] 方便地，方法包括使用指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均計(jì)算來(lái)估計(jì)延遲。
[0072] 有利地，方法包括使用指數(shù)加權(quán)移動(dòng)方差計(jì)算來(lái)估計(jì)延遲方差。
[0073] 優(yōu)選地，方法包括在預(yù)定時(shí)間段逐漸地修改過(guò)程變量。
[0074] 方便地，方法進(jìn)一步包括在服務(wù)器上運(yùn)行二級(jí)控制模塊即服務(wù)，硬件組件與服務(wù) 器通信，并且其中，每個(gè)控制模塊配置為在待機(jī)模式和占用模式中操作，在待機(jī)模式中控制 模塊不向硬件組件發(fā)送控制動(dòng)作，并且在占用模式中控制模塊向硬件組件發(fā)送控制動(dòng)作， 其中，方法包括激活每個(gè)控制模塊以檢查另外的控制模塊的操作模式，并且其中方法包括 如果另外的控制模塊沒(méi)有操作在占用模式中，則將一個(gè)控制模塊切換至占用模式。
[0075] 有利地，最初，方法操作在占用模式中的主要控制模塊并且二級(jí)控制模塊操作在 待機(jī)模式中。
[0076] 優(yōu)選地，每個(gè)控制模塊與I/O接口通信。
[0077] 方便地，I/O接口包含時(shí)間記錄模塊，該時(shí)間記錄模塊可操作為記錄指示出自每個(gè) 控制模件最后被占用和將控制數(shù)據(jù)傳送至至少一個(gè)硬件組件的時(shí)間的時(shí)間值。
[0078] 有利地，每個(gè)控制模塊在預(yù)定采樣周期輪詢(xún)接口 I/O接口以確定另外的控制模塊 的時(shí)間記錄模塊記錄的時(shí)間值。
[0079] 優(yōu)選地，方法包括為主要控制模塊分配第一 ID號(hào)并且為二級(jí)控制模塊分配大于 第一 ID號(hào)的第二ID號(hào)。
[0080] 方便地，方法包括以占用模式操作具有最低ID號(hào)的控制模塊。
[0081] 有利地，方法進(jìn)一步包括在服務(wù)器上運(yùn)行至少一個(gè)另外的控制模塊即服務(wù)，每個(gè) 另外的控制模塊與硬件組件通信，其中，每個(gè)另外的控制模塊配置為在待機(jī)模式下和占用 模式下操作，在待機(jī)模式中另外的控制模塊不向硬件組件發(fā)送控制動(dòng)作，在占用模式下另 外的控制模塊向硬件組件發(fā)送控制動(dòng)作，其中，方法包括操作每個(gè)另外的控制模塊與I/O 接口通信來(lái)確定另外的控制模塊的操作模式。
[0082] 優(yōu)選地，至少一個(gè)控制模塊實(shí)施為在不同于至少一個(gè)其他控制模塊的服務(wù)器上運(yùn) 行的服務(wù)。
[0083] 方便地，服務(wù)器彼此在不同的地理位置。
[0084] 有利地，每個(gè)控制模塊包含積分器并且方法包括將每個(gè)控制模塊的積分器的值傳 送至其他控制模塊，其中，方法包括將在待機(jī)模式中操作的每個(gè)控制模塊的積分器設(shè)置成 與占用模式中操作的控制模塊的積分值相符合，使得在待機(jī)模式中操作的每個(gè)控制模塊準(zhǔn) 備平穩(wěn)地切換到占用模式。
[0085] 優(yōu)選地，每個(gè)控制模塊是比例積分微分（PID)控制器。
[0086] 方便地，方法包括將在待機(jī)模式中操作的每個(gè)控制模塊的設(shè)定點(diǎn)設(shè)置為與在占用 模式中操作的控制模塊的設(shè)定點(diǎn)的值相同。
[0087] 有利地，主要控制模塊實(shí)施為在服務(wù)器上運(yùn)行的虛擬機(jī)中運(yùn)行的服務(wù)。
[0088] 優(yōu)選地，每一個(gè)其他控制模塊實(shí)施為在服務(wù)器上運(yùn)行的虛擬機(jī)中運(yùn)行的服務(wù)。
[0089] 方便地，每一個(gè)其他控制模塊實(shí)施為在服務(wù)器中運(yùn)行的各個(gè)單獨(dú)的虛擬機(jī)中運(yùn)行 的服務(wù)。
[0090] 有利地，每一個(gè)其他控制模塊實(shí)施為在一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的服務(wù)器上運(yùn)行的單獨(dú)的 虛擬機(jī)中運(yùn)行的服務(wù)。
[0091] 優(yōu)選地，每個(gè)服務(wù)器與其他服務(wù)器位于不同的地理位置。
【附圖說(shuō)明】
[0092] 為了更容易理解本發(fā)明，并且使得其進(jìn)一步的特征會(huì)被理解，現(xiàn)在將參考附圖通 過(guò)示例方式來(lái)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，在附圖中：
[0093] 圖1是示出傳統(tǒng)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的示意圖，
[0094] 圖2是示出本發(fā)明的實(shí)施方式的基于云的控制系統(tǒng)的元件的示意圖，
[0095] 圖3示出用于為虛擬機(jī)分配控制器的算法的偽代碼，
[0096] 圖4(a)_(e)示出了本發(fā)明的實(shí)施方式中的減少互聯(lián)網(wǎng)延遲的反饋控制環(huán)路，
[0097] 圖5是本發(fā)明的實(shí)施方式的基于云的控制系統(tǒng)的示意圖，
[0098] 圖6是示出服務(wù)在三個(gè)獨(dú)立的云供應(yīng)商提供的系統(tǒng)上時(shí)運(yùn)行的多個(gè)基于云的控 制器的示意圖，
[0099] 圖7示出了本發(fā)明的實(shí)施方式的可靠云控制（RCC)算法的偽代碼，
[0100] 圖8示出了本發(fā)明的實(shí)施方式的平穩(wěn)切換算法的偽代碼，
[0101] 圖9是示出在本發(fā)明的實(shí)施方式的測(cè)試過(guò)程中兩個(gè)云控制器的位置的示意圖，
[0102] 圖10是太陽(yáng)能發(fā)電廠控制系統(tǒng)的示意圖，在本發(fā)明的測(cè)試實(shí)施方式中使用了太 陽(yáng)能發(fā)電廠控制系統(tǒng)的模擬，
[0103] 圖ll(a)_(c)示出了在本發(fā)明的實(shí)施方式的測(cè)試過(guò)程中太陽(yáng)能收集器角度的曲 線，
[0104] 圖12(a)_(c)是繪制在本發(fā)明的實(shí)施方式的測(cè)試過(guò)程中在太陽(yáng)能發(fā)電廠的控制 下的結(jié)果的曲線圖，
[0105] 圖13(a)_(c)是示出在引入延遲時(shí)測(cè)試本發(fā)明的實(shí)施方式的控制系統(tǒng)的結(jié)果的 曲線圖，
[0106] 圖14是總結(jié)使用本發(fā)明的實(shí)施方式的延遲補(bǔ)償器的性能度量的表，以及