【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及工业控制，特别涉及一种基于工业物联网平台的现场控制系统及其控制方法。
技术介绍
1、一般意义上讲，控制就是一方(控制器)发送一个指令给另一方(执行器)，让它执行某个操作。我们在工业物联网领域讨论的则是改变物理世界的操作，如开关阀门、启停电机、调节阀门等。
2、执行器执行指令，需要有反馈信息给到控制器，如图1所示，其有三个级别的反馈，即：第一级反馈，执行器反馈收到了指令，如阀门已经收到了打开一定程度的指令；第二级反馈，执行器执行了指令要求的动作，如阀门已经按照指令打开了一定程度；第三级反馈，物理世界因为这个指令的执行产生的改变，如阀门的介质流速增加了一定的量。实际应用中，反馈信息还包括第零级反馈，即执行器没有任何反馈，如阀门没有反馈其是否收到了打开一定程度的指令。
3、本专利技术讨论的是工业控制，通常是包含了第三级反馈的控制。同时工业控制还是一个持续的过程，即控制器会不断地发送指令给执行器，控制的目标是在下一个控制指令到来之前，使物理世界保持在前一个控制指令要求的结果。
4、工业生产控制的目标是持续地控制对象在一个稳定的范围内工作。
5、如图2所示，其是一个典型的基本工业控制，叫做回路控制，其通过一个流量计和一个阀门来控制管道的流量。在一个固定的周期时间内，流量计将当前流量上传到控制器，控制器根据当前流量值与目标流量值之间的差距，计算得出阀门当前应该具有的开合度值，然后控制器将该开合度值发送到阀门，阀门的执行机构则将阀门开合到该开合度值。控制过程的执行周期是完全固定的，
6、控制器用来计算需要发送给执行器的输出值的算法叫做控制算法。传统的工业自动化算法假设有固定的执行周期，固定的总线传输延迟。其中最典型的控制算法叫pid算法，pid算法有一个输入参数in、一个输出参数out以及三个由用户设置的整定参数p、i、d，输入参数in来自于传感器的检测值，输出参数out用于控制执行器，算法表达式是out＝pp+ii+dd，其中，p代表in和过程设定值st之间的偏差，i代表过往偏差的积累，d代表本次偏差的变化幅度。例如公开号为us20090299495a1的专利即公开了一种无线和其它过程控制系统中的非周期性控制通信。
7、最早的pid控制器是通过物理方式实现的，从机械发展到气动和电动，均有一套完整的控制理论解释pid的原理。当计算机出现后，pid算法就被移植到了计算机上，通过程序实现pid表达式，然后周期性地执行这个程序，其中的参数in和out则变成了程序运行时的两个参数，不再是物理量直接驱动物理控制器。因此如果参数in的获取有延迟、延迟不规律、或者获取失败，都会影响到当前和接下来的计算。同样的，如果当前的参数out不能及时到达执行器，则控制效果也会受到影响。可见控制算法的严格周期性运行是自动化系统的基础。
8、图2所示的回路控制中，其通信网络采用的是现场总线，控制器运行的是嵌入式软件，运行在实时操作系统上。其中一个根本的原因是要提供确定保障性的控制，物理世界不能偏离控制的目标，这就要求通信和计算都有确定保障性，控制回路必须严格按固定周期执行，通信延时不能有抖动，控制器的计算必须得到充分保障。
9、在图2所示的回路控制中，执行器的第一级反馈为网络通信里常见的由接收方(即阀门)发回的确认收到数据包的ack包；第二级反馈是执行器(也是阀门)发回的执行器状态的数据包；第三级反馈是传感器(即流量计)发送的检测数据，也是控制器进行下一次运算的输入数据。
10、工业物联网，简称iiot，是将具有感知、监控能力的各种采集、传感器、控制器以及相关的移动通信技术、物联网技术等融入工业生产的各个环节，使机器彼此之间或者与其环境其他设施进行通信，从而提高工业生产效率，改善质量，降低资源消耗等，旨在提升企业的管理效率。通俗地说，工业物联网是实现人、机、物全面互联的新型网络基础设施，形成智能化发展的新兴业态和应用模式。
11、工业物联网平台用的不是现场总线，而是以太网，以太网通信的指标是有多少百分比的数据包能按时送达，因此，当极少数不能按时送达的情况出现时，目前的工业物联网平台没有相应的补救措施。另外，工业物联网平台运行的也不是实时操作系统，多为linux系统，而这无法保证控制算法一定能够在固定周期里被运行。由于以上缺陷的存在，因此如果直接套用现有的控制算法在工业物联网平台上运行的话，是不可能达到确定性的控制效果的。
12、虽然工业物联网平台没法提供完善的确定保障性支持，但它有速度和时延上的优势。相比嵌入式控制器的运算速度以及现场总线的带宽，工业物联网平台都要快出几个数量级，而这些速度上的优势则能够用来弥补确定性支持的不足，从而达到同样的控制效果。基于此，本专利技术通过对工业物联网平台的工业控制过程进行改进，使其能够应用于速度和时延要求相对较低的工业控制场景。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的工业物联网平台用于工业控制时存在控制效果难以得到确定性保障的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于工业物联网平台的现场控制系统及其控制方法，以便于至少部分地解决上述问题。
2、为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
3、第一方面，本专利技术提供一种基于工业物联网平台的现场控制系统，其特征在于：包括工业物联网平台以及至少一个现场执行器，每个所述现场执行器均配置有至少一个用于检测其执行结果的传感器；所述工业物联网平台则通过以太网与所述现场执行器及其对应的所述传感器相连接，所述工业物联网平台基于预设的控制算法对所述传感器采集到的检测数据进行处理，并将处理后生成的输出数据发送给对应的所述现场执行器执行，以使所述传感器后续采集到的检测数据趋向于目标值；其中，所述工业物联网平台还包括有监督模块和补救模块，所述监督模块用于监测是否发生通信中断以及监测所述控制算法是否运算失败，所述补救模块用于在通信中断时估算出可能的输入数据，所述补救模块还用于在所述控制算法运算失败时作废并跳过当前运算，并给出可用的输出数据。
4、在一优选实施例中，所述工业物联网平台按照固定的周期执行所述控制算法，或者所述工业物联网平台根据其接收到的输入值触发所述控制算法，所述输入值即为所述传感器采集到的检测数据。
5、在一优选实施例中，所述现场执行器在接收到所述输出数据后，向所述工业物理网平台发送第一级反馈和第二级反馈，且所述第一级反馈和所述第二级反馈均带有时间戳，且所述传感器采集到的检测数据也带有时间戳；所述工业物联网平台则根据其接收到的各数据信息的时间戳来调用所述控制算法执行下一次运算时所需的数据。
6、在一优选实施例中，所述工业物联网平台还根据反映所述现场执行器与其对应的所述传感器之间关系的物理模型来确定适配于下一次运算的输入数据。
7、在一优选实施例中，所述工业本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于工业物联网平台的现场控制系统，其特征在于：包括工业物联网平台以及至少一个现场执行器，每个所述现场执行器均配置有至少一个用于检测其执行结果的传感器；所述工业物联网平台则通过以太网与所述现场执行器及其对应的所述传感器相连接，所述工业物联网平台基于预设的控制算法对所述传感器采集到的检测数据进行处理，并将处理后生成的输出数据发送给对应的所述现场执行器执行，以使所述传感器后续采集到的检测数据趋向于目标值；其中，所述工业物联网平台还包括有监督模块和补救模块，所述监督模块用于监测是否发生通信中断以及监测所述控制算法是否运算失败，所述补救模块用于在通信中断时估算出可能的输入数据，所述补救模块还用于在所述控制算法运算失败时作废并跳过当前运算，并给出可用的输出数据。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述工业物联网平台按照固定的周期执行所述控制算法，或者所述工业物联网平台根据其接收到的输入值触发所述控制算法，所述输入值即为所述传感器采集到的检测数据。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述现场执行器在接收到所述输出数据后，向所述工业物理网平台发送第
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：所述工业物联网平台还根据反映所述现场执行器与其对应的所述传感器之间关系的物理模型来确定适配于下一次运算的输入数据。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述补救模块用于在所述工业物联网平台与所述传感器之间发生通信中断时估算出可能的输入数据，当所述工业物联网平台在超过第一阈值时间未接收到所述传感器发送的检测数据时，则所述监督模块判定所述工业物联网平台与所述传感器之间发生通信中断；
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：当所述工业物联网平台在超过第二阈值时间未生成输出数据时，则所述监督模块判断所述控制算法发生运算失败；
7.根据权利要求1-6任一项所述的系统，其特征在于：在某些场景里所述现场执行器被替换成一个包含有现场控制器、传感器和现场执行器的独立控制系统，所述现场控制器通过现场总线与所述现场执行器及其相对应的所述传感器相连接，所述工业物联网平台将所述独立控制系统当作一个复合的现场执行器看待，通过以太网与所述现场控制器相连接，所述现场控制器用于接收所述工业物联网平台生成的输出数据，并基于所述输出数据在其自身的这个独立控制系统内部对所述现场执行器进行独立控制，所述独立控制系统通过所述现场控制器向所述工业物联网平台提供第一级反馈和第二级反馈。
8.根据权利要求1-6任一项所述的系统，其特征在于：当所述工业物联网平台在超过第三阈值时间未收到所述传感器发送的检测数据，或者超过第四阈值时间未收到所述现场执行器发送的第一级反馈，或者超过第五阈值时间未收到所述现场执行器发送的第二级反馈，则所述工业物联网平台发出报警信息，宣告控制失败。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述工业物联网平台还包括有网络安全模块，包括但不限于用户权限、自动提醒确认、防火墙、单向网闸；或者所述系统配置有SIS系统(安全仪表系统，Safety Instrumented System，简称SIS)。
10.一种基于工业物联网平台的现场控制方法，所述方法应用于如权利要求1-10任一项所述的系统，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种基于工业物联网平台的现场控制系统，其特征在于：包括工业物联网平台以及至少一个现场执行器，每个所述现场执行器均配置有至少一个用于检测其执行结果的传感器；所述工业物联网平台则通过以太网与所述现场执行器及其对应的所述传感器相连接，所述工业物联网平台基于预设的控制算法对所述传感器采集到的检测数据进行处理，并将处理后生成的输出数据发送给对应的所述现场执行器执行，以使所述传感器后续采集到的检测数据趋向于目标值；其中，所述工业物联网平台还包括有监督模块和补救模块，所述监督模块用于监测是否发生通信中断以及监测所述控制算法是否运算失败，所述补救模块用于在通信中断时估算出可能的输入数据，所述补救模块还用于在所述控制算法运算失败时作废并跳过当前运算，并给出可用的输出数据。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述工业物联网平台按照固定的周期执行所述控制算法，或者所述工业物联网平台根据其接收到的输入值触发所述控制算法，所述输入值即为所述传感器采集到的检测数据。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述现场执行器在接收到所述输出数据后，向所述工业物理网平台发送第一级反馈和第二级反馈，且所述第一级反馈和所述第二级反馈均带有时间戳，且所述传感器采集到的检测数据也带有时间戳；所述工业物联网平台则根据其接收到的各数据信息的时间戳来调用所述控制算法执行下一次运算时所需的数据。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：所述工业物联网平台还根据反映所述现场执行器与其对应的所述传感器之间关系的物理模型来确定适配于下一次运算的输入数据。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述补救模块用于在所述工业物联网平台与所述传感器之间发生通信中断时估算出可能的输入数据，当所述工业物联...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈德基，胡洪园，张野，冷玥，
申请(专利权)人：普奥云洲智能科技上海有限公司，
类型：发明
国别省市：
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