專利名稱：一種優化組態系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種優化組態系統，應用于工業生產中應用和能源管控優化計算和組態中，用于解決平衡、預測、性能計算、數據挖掘、優化調度和故障診斷等內容。
背景技術：
目前，工業中應用的優化軟件很多，各種優化軟件在計算中存在很多通用的功能，如求平均值、濾波、水蒸氣焓熵查詢、鍋爐性能計算、最小二乘法、多元線性回歸分析、多元非線性回歸分析、神經網絡、動態規劃和遺傳算法等功能；同時每個算法都需要與實時庫和配置庫接口，有的還需要與歷史庫接口，需要組態和運行，都需要輸入日志文件以備調試。優化軟件通常可分四部分算法部分、運行部分、組態部分、和外圍部分。算法部分首先，為了實現各種優化計算，功能分解后，一方面，各優化軟件也有差異，有的側重性能計算，有的側重故障診斷，各自成體系，不同開發人員接口不同，導致各算法相互調用比較困難。另外一方面，也存在相同的需求，一般性能計算都要對輸入進行濾波處理以提高算法的穩定性，所以開發了一個輸入和一個輸出的濾波功能塊。性能計算的很多輸入位號常有的2 3個相同的傳感器與之對應，如主蒸汽溫度測點有兩個測點，則可能需要這些傳感器取平均值，所有開發了平均值功能塊。數據挖掘算法經常需要定期觸發一次，如每個月的I號執行一次，那么開發了時間觸發功能塊，用戶只需要配置觸發周期和具體的觸發時間，則可完成觸發功能，數據挖掘收到觸發信號后，就可進行數據分析和處理。大部分優化分配算法都基于成本特性曲線，這些曲線一般存儲在關系庫的表中，所以開發關系數據庫讀取功能塊，根據用戶配置的用戶名、密碼、數據庫名稱和表名稱等，就可獲取成本特性數據。運行部分的相同要求如要求熱備用/溫備用；分布式計算；各功能模塊可相互調用；參數/輸入/輸出可配置；獲取實時數據，把計算結果寫入實時庫組態在線下載；在線調試等。組態部分各優化計算為了增加其通用性，都要求從配置數據庫獲取配置信息進行展示和組態，如輸入位號的組態，參數的配置，結果輸出對象的配置，由于屬于不同人開發，組態界面風格各不相同，需要編寫各種組態說明書，給用戶維護造成了一定的難度。外圍部分未做統一設計的話，配置數據庫、配置文件、實時庫的表格和日志文件在格式上可能差異比較大，以配置文件為例子，“備用模式=1”在有的設計思路中I代表熱備用，而有的設計思路中I代表溫備用，不利于工程實施和維護；綜上所述，算法部分、運行部分、組態部分和外圍部分存在重復開發和設計，各功能塊接口因人而異，相互調用困難。且組態界面風格各不相同，也存在開發重復性工作、維護工作量大。本發明借鑒工業控制中基于IEC61131-3標準中的功能塊組態技術，把該技術思路從控制領域移植到優化領域，使用戶通過組態的方式實現優化功能。目前基于功能塊組態技術還未見運用于通用優化計算的文獻，本發明并針對優化領域的特點做了針對性開發，使得該技術更順利地運用在優化領域，目前已經運用于中天鋼鐵能源管控系統中，實現了儀表故障診斷、能源介質平衡、能源介質預測、性能計算、成本特性相關的數據挖掘、制氧機組負荷優化分配和空壓機組負荷優化分配等功能。

發明內容
本發明目的是提供一種優化組態系統，以組態計算的方式，使得研發技術人員在開發各優化功能塊不需要處理通用的問題，只專注于優化算法，并提供統一的組態界面，使工程人員和用戶通過組態的方式，就可解決優化問題，組態模塊和運行模塊分離，各功能塊和運行模塊分離，提高了軟件的穩定性、可維護性和擴展性，也大大提高了開發效率、工程實施效率和維護效率。本發明的技術方案是一種優化組態系統，包含以下五部分a)功能塊基類所有功能塊都派生于該基類，實現了各功能塊的數據名稱和統一的程序接口；b)功能塊所有功能塊都繼承功能塊基類，包含各種通用算法；c)組態模塊主要實現功能塊的組態配置；d)運行模塊主要實現功能塊的初始化和運行等；e)外圍部分為組態模塊和運行模塊提供相關載體和支撐。其中a)功能塊基類包括含單元測試虛函數，含顯示計算輸入/參數/輸出等接口，含歷史數據獲取虛函數，含通用檢查接口，含專用檢查、初始化、輸入、計算和復位虛函數。其中b)功能塊包含類別為1/0類、模擬量計算類、邏輯計算類、性能計算/考核類、數據挖掘類、能源和介質平衡類、能源和介質預測類、尋優/調度類、故障診斷和優化控制類。其中c)組態模塊包含通過從配置數據庫Oracle獲取各組態配置表及其組態內容；通過聯絡信號與運行模塊進行通訊來實現組態在線下載，即若組態修改，則組態模塊把聯絡信號設置為I;運行模塊每個運行周期獲取聯絡信號的值，如果聯絡信號值為1，則重新初始化，并重新讀取組態等，如果聯絡信號為0，則不需要重新初始化，繼續進行算法運算等步驟；通過獲取由運行模塊寫入組態配置表的調試結果字段內容實現在線調試。其中d)運行模塊中包括運行軟件模塊通過參數配置就可自動獲取歷史數據并傳遞給功能塊；實現了根據功能塊的版本號、輸入個數/描述、參數個數/描述和輸出個數/描述等信息自動同步到功能塊結構信息表中；自動獲取點的描述并更新到功能塊配置信息表中。另外d)運行模塊還包含基于現有的分布式實時數據庫，實現功能塊組態和實時庫組態的自動同步；實現了根據功能塊的版本號、輸入個數/描述、參數個數/描述和輸出個數/描述等信息自動同步到功能塊結構信息表中；考慮到大部分功能塊的輸出的名字相同，工程組態采用默認值。其中d)運行模塊通過文件接口讀取配置文件Config.1ni內容，從而獲取到功能塊配置信息表的名稱，再根據Oracle配置數據庫接口從功能塊配置信息表獲取數據，進而實例化各功能塊；負責調用實時庫接口把功能塊需要的實時數據傳遞給功能塊的輸入，把功能塊的結果輸出到優化實時庫，以便畫面展示等；按照功能塊間的組態連接關系依次調用功能塊運行；實現了溫備用/熱備用；組態在線調試，在線下載；按輸出日志信息的詳細程序可配置為四個級別。其中e)外圍部分包括:(I) Oracle配置庫:含公共部分表格,功能塊配置信息表1，…，功能塊配置信息表n，功能塊配置信息表示各功能塊的配置信息存儲的位置，以便組態模塊進行組態，運行模塊根據組態內容實例化各功能塊進行計算；(2)配置文件Config.1n1:配置運行模塊的功能塊配置信息表，各種運行模式等內容；(3)實時庫:包含存放優化結果的優化實時庫和存放從各PLC/DCS系統采集數據的監控系統實時庫；(4)日志文件:由運行模塊生成；(5)畫面、曲線、報警、歷史存儲等:實現優化計算結果的展示等。本發明有益效果是:以組態計算的方式，使得研發人員在開發各優化功能塊時不必再處理通用的問題，只需專注于優化算法，且提供統一的組態界面，使工程人員和用戶通過組態的方式，就可解決各工業過程優化問題。另外，組態模塊和運行模塊分離，各功能塊和運行模塊分離，提高了軟件的穩定性、可維護性和擴展性，也大大提高了開發效率、工程實施效率和維護效率。


圖1為具體實施步驟示意圖。圖2為軟件包整體示意圖。圖3為軟件包運行模塊類間關系示意圖。圖4為軟件包運行模塊啟動過程流程圖和周期性循環流程圖。圖5功能塊組態實現汽輪機性能計算示意圖。圖6為功能塊基類結構示意圖。圖7gkopt和gkScada的實時庫示意圖。
具體實施例方式具體實施步驟如圖1，(I)針對優化目標進行需求分析和設計，把目標分解為一個或者多個功能塊；(2)將分解后的各功能塊畫成功能圖；(3)是否有功能塊需要開發？如需要開發則進行第4步驟，否則直接跳轉到第8步驟；(4)繪制功能塊流程圖；(5)進行功能塊屬性和算法設計；(6)把新開發的功能塊加入運行模塊；(7)功能塊編碼，并進行單元測試；(8)通過組態模塊進行功能圖配置；(9)聯合調試直到滿足設計目標。如圖2所示軟件包的各個組成部分，各功能塊的組態內容存放于優化計算的配置數據庫(Oracle)，公共區域存放每個功能塊信息、優化配置表名稱與描述等；不同的優化目標存放于不同的區域。實時數據主要來源于監控系統實時庫gkScada，少量來源于優化實時庫gkOpt，優化后結果都存放于優化實時庫gkOpt中；每個優化程序對應一個Config.1ni配置文件,里面可配置功能塊配置表、實時庫自動同步對應的分支、運行周期、備用方式、各種運行選項和運行周期等；每個優化程序通過Config.1ni配置文件讀取配置數據庫的Oracle表，里面每一行代表一個功能塊，功能塊的名稱、描述、頁號、是否通過驗證、各參數和各輸入都在該行中。本發明軟件包運行模塊各類關系示意圖如圖2，圓圈范圍內就是組態軟件的范圍，其余為外圍部分，大概關系如下(I)讀取程序配置文件類把配置文件Config.1ni的配置信息讀取后，傳遞給關系庫類、實時數據庫類和歷史數據庫類，這樣軟件包級別的配置信息就獲取完畢，然后軟件包利用讀取數據庫配置類讀取Oracle表，根據每一行信息(功能塊名稱、參數內容、需要歷史數據的時間長度和輸入內容等)實例化為一個功能塊，(2)把歷史數據和實時數據傳遞給各功能塊；軟件包運行部分啟動過程和周期性循環的流程圖如圖4 其中，圖4中的有關步驟步驟“I根據配置數據庫內容實例化各計算類”實現方法如下
if(qfilds[fb—field—index]==*PB—Sophie—Read—by—Name，
{
cFB[I]=new FB—Soph ic—Read—by—Xame;
}cFB[i]即為第i個功能塊；考慮到大部分功能塊的輸出的名字相同，如果位號不含功能塊輸出的名字，那么采用默認值以便工程組態，這樣組態內容更加簡潔。“4，5根據功能塊的結果位號名稱獲取其在實時庫的相關信息表名稱，0ID,(fieldid, field長度)和描述；如結果位號在數據庫中不存在的自動加點”:由于約定功能塊結果都存放在gkopt數據庫，如果該數據庫中不存在和結果名稱相同的點，那么根據功能塊默認的存放表的名稱，名稱和描述，調用實時庫的接口，自動添加點。然后再獲取該點在實時庫的相關信息，以便運行模塊獲取實時庫的實時值。同時，該步驟還獲取了輸入點的描述并更新到功能塊描述信息表，便于用戶打開組態模塊后了解輸入的含義。“6確定計算深度”實現過程開始時候各功能塊的計算深度都為I ;如功能塊A的輸入是否功能塊B的輸出，則功能塊B的計算深度=功能塊A計算深度+1，表明應該先運算功能塊A，然后再運行功能塊B ;如此循環幾次后，如果最大計算深度不變，則完成該過程。“7獲取歷史數據”:根據功能塊配置信息表的“IN_HIS_C0UNT”字段內容，就可知道該功能塊需要歷史數據的時間跨度，這樣調用歷史接口獲取歷史數據，把歷史數據拼接為一個字符串，賦值給功能塊的歷史值字符串，從而完成歷史數據的獲取過程。“8功能塊初始化，檢查”:調用各功能塊的初始化過程和檢查過程來實現，具體代碼由各功能塊自己實現；“9插入/更新功能塊結構信息表”:在各功能塊的構造函數中把所有功能塊FB [i]的輸入個數、各輸入的描述、參數個數、各參數描述、結果個數和各結果描述等信息賦值完畢，然后在該過程自動把這些信息插入/更新到功能塊描述表中，以便組態界面結合功能塊配置信息表(不含功能塊的描述信息)展示功能塊相關配置。功能塊的輸入過程由運行模塊獲取通過功能塊輸入的0ID、FieldID和Field長度讀取其在實時數據庫的值，并把數據賦值給功能塊的輸入；功能塊根據業務邏輯完成計算過程，由運行模塊完成功能塊結果更新到sophic實時庫；復位過程也是通過調用功能塊的復位過程來實現，應該如何計算由各功能塊自己實現。
圖5功能塊組態實現汽輪機性能計算示意圖，以電廠汽輪機性能計算為例說明各優化算法組態的方式，一般性能計算都要對輸入進行濾波處理以提高算法的穩定性，所以開發了一個輸入和一個輸出的濾波功能塊；性能計算的很多輸入位號常有的2 3個相同的傳感器與之對應，如主蒸汽溫度測點有兩個測點，則可能需要這些傳感器取平均值，所有開發了平均值功能塊。配置的時候，如有多測點的，通過組態平均值功能塊實現，再把平均值功能塊后組態濾波功能塊，最后把濾波功能塊的輸出和汽輪機性能計算功能塊的輸入建立連線。總之，需要對優化目標進行分解，把不同的功能解耦為不同的功能塊來實現，再通過組態模塊進行組態配置，最后運行模塊讀取組態內容，實例化各功能塊進行優化運算。圖6功能塊基類結構示意圖中，功能塊基類包括:含單元測試接口，開發人員可通過黑盒測試方法編寫各測試用例，然后判斷計算的結果是否等于理論結果，如果所有測試用例均通過，則測試結果返回真，代表單元測試成功，此設計方便代碼管理和維護。功能塊基類含顯示計算輸入/參數/輸出等接口，如果調試模式大于等于1，那么輸出功能塊的輸入的描述與值、參數的描述與值、結果值與結果的描述和其他信息到屏幕；如果調試模式大于等于2，則既把這些信息顯示到屏幕，也把這些信息寫入日志文件，方便開發和調試。圖7為實時庫的結構示意圖，每個優化分區下都有5張表，其中Value，Valuel 50和DValuel 50為計算結果存放的字段。I功能塊配置信息表:存放各個功能塊的輸入、輸出的含義等，以便軟件包的運行模塊根據此表對各種功能塊進行實例化，同時軟件包的組態模塊通過讀取該表知道每個優化目標配置了多少功能塊和功能塊的具體內容。命名規則:“EMS_”開頭，每個優化目標對應一個表格。
權利要求
1.一種優化組態系統，其特征是:包含以下部分，a)功能塊基類:所有功能塊都派生于該基類，實現了各功能塊的數據名稱和統一的程序接口 ；b)功能塊:所有功能塊都繼承功能塊基類，包含各種通用算法；c)組態模塊:主要實現功能塊的組態配置；d)運行模塊:主要實現功能塊的初始化和運行等；e)外圍部分:為組態模塊和運行模塊提供相關載體和支撐。
2.如權利要求1所述的一種優化組態系統，其特征是:實施步驟為，(I)針對優化目標進行需求分析和設計，把目標分解為一個或多個功能塊；(2)將分解后的各功能塊畫成功能圖；(3)是否有功能塊需要開發，如需要開發則進行第4步驟，否則直接跳轉到第8步驟；(4)繪制功能塊流程圖；(5)進行功能塊屬性和算法設計；(6)把新開發的功能塊加入運行模塊；(7 )功能塊編碼，并進行單元測試；(8 )通過組態模塊進行功能圖配置；(9 )聯合調試直到滿足設計目標。
3.如權利要求1所述的一種優化組態系統，其特征是:其中a)包括:單元測試虛函數，顯示計算輸入/參數/輸出等接口，歷史數據獲取虛函數，通用檢查接口，專用檢查虛函數、初始化虛函數、輸入虛函數、計算虛函數和復位虛函數。
4.如權利要求1所述的一種優化組態系統，其特征是:其中b)功能塊類別包括:1/0類、模擬量計算類、邏輯計算類、性能計算/考核類、數據挖掘類、能源和介質平衡類、能源和介質預測類、尋優/調度類、故障診斷和優化控制類。
5.如權利要求1所述的一種優化組態系統，其特征是:其中c)包括:組態模塊通過從配置數據庫Oracle獲取各組態配置表及其組態內容；通過聯絡信號與運行模塊進行通訊來實現組態在線下載，即若組態修改，則組態模塊把聯絡信號設置為I ;運行模塊每個運行周期獲取聯絡信號的值，如果聯絡信號值為I，則重新進行初始化，并重新讀取組態等，如果聯絡信號為0，則不需要重新初始化，繼續進行算法運算等步驟；通過獲取由運行模塊寫入組態配置表的調試結果字段內容實現在線調試。
6.如權利要求1所述的一種優化組態系統，其特征是:其中d)包括:運行模塊通過參數配置就可自動獲取歷史數據并傳遞給功能塊；自動獲取點的描述并更新到功能塊配置信息表中。
7.如權利要求1所述的一種優化組態系統，其特征是:其中d)包括:基于現有的分布式實時數據庫，實現功能塊組態和實時庫組態的自動同步；實現了根據功能塊的版本號、輸入個數/描述、參數個數/描述和輸出個數/描述等信息自動同步到功能塊結構信息表中；考慮到大部分功能塊的輸出名字相同，工程組態采用默認值。
8.如權利要求1所述的一種優化組態系統，其特征是:其中d)包括:運行模塊通過文件接口讀取配置文件Config.1ni內容，從而獲取到功能塊配置信息表的名稱，再根據Oracle配置數據庫接口從功能塊配置信息表獲取數據，進而實例化各功能塊；負責調用實時庫接口把功能塊需要的實時數據傳遞給功能塊的輸入，把功能塊的結果輸出到優化實時庫，以便畫面展示等；按照功能塊間的組態連接關系依次調用功能塊運行；實現了溫備用/熱備用；組態在線調試，在線下載；按輸出日志信息的詳細程序可配置為四個級別。
9.如權利要求1所述的一種優化組態系統，其特征是:其中e)外圍部分包括:(1)Oracle配置庫:含公共部分表格,功能塊配置信息表I,…，功能塊配置信息表η,功能塊配置信息表示各功能塊的配置信息存儲的位置，以便組態模塊進行組態，運行模塊根據組態內容實例化各功能塊進行計算；(2)配置文件Config.1n1:配置運行模塊的功能塊配置信息表，各種運行模式等內容；(3)實時庫:包含存放優化結果的優化實時庫和存放從各PLC/DCS系統采集數據的監控系統實時庫；(4)日志文件:由運行模塊生成；(5)畫面、曲線、報警、歷史存儲等:實現優化計算結果的展示等。
10.如權利要求1或2所述的一種能源管控優化組態系統模塊，其特征是:各功能塊的組態內容存放于能源管控優化計算的配置數據庫(Oracle)，公共區域存放每個功能塊信息、能源管控優化配置表名稱與描述；不同的能源管控優化目標存放于不同的區域；實時數據來源于監控系統實時庫gkScada和少量來源于能源管控優化實時庫gkOpt，能源管控優化后結果都存放于能源管控優化實時庫gkOpt中；每個能源管控優化程序對應一個Config.1ni配置文件，其中配置功能塊配置表、實時庫自動同步對應的分支、運行周期、備用方式、各種運行選項和運行周期；功能塊中的每個能源管控優化程序通過Config.1ni配置文件讀取配置數據庫的Oracle表，里面每一行代表一個功能塊，功能塊的名稱、描述、頁號、是否通過驗證、各參數和各`輸入都在該行中。
全文摘要
一種優化組態系統，包含以下五部分a)功能塊基類所有功能塊都派生于該基類，實現了各功能塊的數據名稱和統一的程序接口；b)功能塊所有功能塊都繼承功能塊基類，包含各種通用算法；c)組態模塊主要實現功能塊的組態配置；d)運行模塊主要實現功能塊的初始化和運行等；e)外圍部分為組態模塊和運行模塊提供相關載體和支撐。本發明以組態計算的方式，使得研發人員在開發各優化功能塊時不必再處理通用的問題，只需專注于優化算法。另外，組態模塊和運行模塊分離，各功能塊和運行軟件分離，提高了軟件的穩定性、可維護性和擴展性，也大大提高了開發效率、工程實施效率和維護效率。
文檔編號G06F9/44GK103077033SQ201310007628
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月9日 優先權日2012年8月20日
發明者郝勇生, 彭興, 孟憲宇, 梁少華, 林語, 孫立國, 劉利, 耿欣 申請人:南京南瑞繼保電氣有限公司, 南京南瑞繼保工程技術有限公司