优化控制系统与分散控制系统的通信接口研究与实现

马淼森，董 泽，何国松，杨 硕，苏子凡

（1.华北电力大学自动化系，河北 保定 071003；2.河北省发电过程仿真与优化控制技术创新中心，河北 保定 071003）

0 引言

分散控制系统（Distributed Control System，DCS）是一种基于通信网络的多级计算机系统，由过程监控级与过程控制级组成，基本理念是集中操作、分散控制［1］。随着经济不断发展，工业控制系统应满足不断提高的标准，不仅要实现常规实时控制，还要朝着节能、高效的方向发展。优化控制系统是在分散控制系统的基础上设计的拥有先进控制仿真算法的辅助式外挂系统。在确保现场正常生产不受影响的前提下，优化控制系统通过获取DCS 中的数据，采用先进算法进行优化计算后，将计算结果返回DCS，从而实现对DCS 控制的优化［2］。优化算法的先进程度直接决定了优化控制系统的优化效率，通过引入先进的算法容器，可以极大地提高优化效率，既保证了系统的安全性，又对节能、环保具有深远影响。

DCS 与优化控制系统运行在不同的主机上，两个系统之间的数据通信是实现优化控制的前提。基于拥有自主知识产权的优化控制系统，开发了一套运行在DCS 主机侧，对DCS 数据库的数据具有读取与写入功能并且可以通过网络与优化控制系统的虚拟优化控制站进行通信的数据接口与平台软件，并进行通信测试。测试结果可实现数据的跨平台获取及传输，验证了数据接口与通信平台软件的有效性。

1 优化控制系统

优化控制系统一方面可以用于常规DCS 的实时控制，另一方面还能结合先进控制理论对原DCS的生产数据进行处理与优化运算，提高控制效率。

优化控制平台运行在win10 系统的主机中，负责完成数据库组态、控制逻辑组态以及监控画面管理等功能。虚拟优化控制站运行在Server 2012 系统的服务器中，负责完成数据计算、上下位交互以及现场通信等功能。优化控制平台与虚拟优化控制站相互配合，完成对DCS 的控制优化。

优化控制平台与虚拟优化控制站通过局域网进行数据交互，包含文件下装、数据广播和在线命令下发三部分，每部分采用不同的报文格式和通信协议。优化控制平台完成数据库组态和控制逻辑组态后，通过文件传输协议 （File Transfer Protocol，FTP）将文件下发到虚拟优化控制站。虚拟优化控制站作为模块运算的核心部分，在运行过程中，将实时运算结果和关键数据值通过用户数据报协议（User Datagram Protocol，UDP） 广播给优化控制平台。现场操作人员在线修改模块参数、强制数据库数据点值和下发操作命令时，优化控制平台采用传输控制协议 （Transmission Control Protocol，TCP）将报文下发给虚拟优化控制站。

虚拟优化控制站通过使用MODBUS、OPC 等通信协议从DCS 获取数据，并将数据传入优化控制平台数据库。优化控制系统结构与通信如图1所示。

图1 优化控制系统结构和通信实现方式

2 数据通信接口及平台软件

2.1 系统布置结构

DCS 由操作员站、工程师站、过程控制站、服务器、OPC 服务器组成。控制站A 与A＋下挂载了COM卡件，支持485 串口。OPC 服务器可以实现与第三方设备的数据交互。DCS 操作员站和工程师站用于完成组态与监控。优化控制系统由优化控制平台与虚拟优化控制站组成，其中虚拟优化控制站的运算程序运行在服务器B 与B＋上，历史库程序运行在DCS的OPC 服务器中。A、B 网互为冗余，DCS 与优化控制系统连到A、B 网上，实现两个系统内部各自的信息交互通信。系统组成及布置结构如图2 所示。

图2 系统布置结构

2.2 数据接口通信原理

DCS 中的数据存储在实时数据库中，通过调用数据接口访问数据库获取数据值，并使用UDP 通信传送给各进程，实现数据共享。

为保证访问DCS 数据库数据接口的通用性和开放性，采用C＋＋语言的编译机制将接口封装成动态链接库 （Dynamic Link Library，DLL） 文件的形式，其他进程通过调用DLL 文件，实现对数据库数据点的读取与写入功能。动态链接库实现了不同程序之间的函数共享，通常DLL 文件都不能直接运行，也不能接收消息，只有在其他程序调用DLL中的函数时才能发挥作用，其他程序可直接加载DLL 中的函数，但不会将函数的实现过程对外暴露。动态链接库具有节省空间、访问安全、便于二次开发等优点［3］。

UDP 是面向无连接的协议，在通信过程中能最大程度地进行数据交付。由于没有拥塞控制，网络拥塞不会影响源主机的发送速率，传输速度快，适合传送大批量的数据，保证数据传输的实时性。

2.3 数据接口结构及方法实现

DCS 数据库中的数据点有唯一标识的点名。点名是一个string 类型的字符串，通过点名找到该数据点在内存中的地址，从该地址读取或者写入相应的数据点的实时值。为了加快寻找数据点地址的速度，使用C＋＋标准库容器中的关联容器Map 建立了点名与地址之间的关联。

Map 是C＋＋标准库中提供的一种把键对象和值对象进行关联的容器，可以提供一对一的数据处理能力［4］。在实现数据接口的过程中，Map 容器以点名作为键对象，数据点内存地址作为值对象，在底层实现中采用红黑树的形式进行排序和存储，红黑树这种数据结构可以提高查找的速度，尤其适合本文中DCS 这种数据量庞大，数据交互频繁的系统［5］。点名与Map 容器的结合组成了通信接口的数据结构，既提高了函数的执行速度，又保证了数据的开放性和可扩展性。

数据接口实现了连接数据库、批量注册点名、批量注销点名、批量读取数据点值、批量写入数据点值五种函数功能。五种函数名及功能如表1 所示。

表1 数据接口提供的5 种函数

2.4 通信平台软件实现

通信平台软件与DCS 的监控软件运行在同一台主机，优化控制系统的虚拟优化控制站运行在另一台服务器主机，通信平台软件作为DCS 与优化控制系统之间数据交互的通信桥梁，起着至关重要的作用。

通信平台软件作为一个独立运行的进程，具有独立的内存单元，是对运行时程序的封装，不受其他进程的影响，同时软件内部采用了多线程技术，开辟了多个线程用于数据的接收与发送，保证了程序的实时性，实现了进程内部的并发，并且多个线程可以共享进程的内存，使线程间的同步和通信更加容易实现［6］。通信平台软件调用通信接口函数实现对DCS数据库的初始化、数据的读写注册以及数值的读取与写入操作，采用UDP 协议与优化控制系统的虚拟优化控制站完成文件打包发送、数据交互等操作。UDP 报文格式中包含了特定的报文、报尾、报文长度、数据点数量及数值等信息，当接收方收到数据包后会向发送方发送应答报文，若发送方未收到应答报文会重新发送之前的数据包，从而保证通信的可靠性。各部分通信结构如图3 所示。

图3 通信结构

3 通信平台软件仿真试验

3.1 通信平台软件架构

通信平台软件是在win10 操作系统上基于微软提供的Visual Studio 2017 开发平台使用C＋＋语言在微软基础类库（Microsoft Foundation Classes，MFC）框架下进行的设计与开发。通过调用数据接口动态链接库实现通信平台软件与DCS 之间的数据交互，使用基于UDP 的进程间的网络通信方式实现通信平台软件与虚拟优化控制站间的数据交互。

优化控制平台数据库增加了一类特殊的通信数据点类型用于实现与通信平台软件进行数据交互，该类型数据点在组态时应与现场DCS 数据库中需要通信的数据点相匹配，数据库文件组态完毕后下装到虚拟优化控制站中，优化控制站采用UDP 将数据库中该类卡件的数据点打包发送到通信平台软件。通信平台软件完成数据点注册后，开辟通信线程，完成优化控制系统与DCS 系统之间数据的接收与发送，并且将实时值显示在窗口列表中，在完成通信后注销数据点结束通信进程。通信平台软件程序执行流程如图4 所示。

图4 通信平台软件程序执行流程

3.2 通信测试模式及结果

图5 优化控制系统数据库组态界面

为了验证通信平台软件和数据接口的有效性，依据DCS 系统数据库中提供的数据点进行组态，在优化控制系统数据库中添加了专用类型数据点进行通信。采用炉膛温度测点进行测试，对点名为520_W2_MA 和415_N1_MA 两个数据点进行通信测试。优化控制系统数据库组态如图5 所示。DCS 系统数据点值如图6、图7 所示。通信平台软件界面如图8 所示。通信测试验证了DCS 与优化控制系统可通过通信平台软件成功进行了数据交互，实现了数据的跨平台共享。

图6 DCS 系统520_W2_MA 数据点值

图7 DCS 系统415_N1_MA 数据点值

图8 通信平台软件界面

4 结语

基于优化控制系统设计了一套通信平台及对外数据接口软件用于与DCS 进行数据交互。通信平台软件通过使用数据接口从DCS 数据库读取和写入数据并且使用基于UDP 协议的网络通信将实时值传到优化控制系统的控制站中。结果表明，通信平台软件可以通过数据接口实现与DCS 系统的数据交互及与优化控制系统的数据共享。通信平台软件作为一个独立的进程，不会依赖和影响原系统的运行，有效地增强了控制系统的开放性，为控制系统的可扩展能力提供了帮助。