一种云平台与DCS硬件隔离的虚拟仪表设备的制作方法

本发明属于化工装置安全监测技术领域，特别涉及一种云平台与dcs硬件隔离的虚拟仪表设备。

背景技术：

dcs是分布式控制系统的英文缩写（distributedcontrolsystem），在流程工业中完成重要的基础控制和实时生产数据采集、动态监控等功能。dcs作为新一代工业自动化过程控制设备，已经在炼油、石油化工、化工、冶金、电力、轻纺等领域中广泛地被采用。dcs在整个流程工业的控制核心，需要长周期的安全运行。

通常dcs只进行常规的过程控制、动态监测等，不能进行大规模的数学运算处理，否则使系统负荷升高，影响系统的稳定运行。为了防止dcs被外部系统干扰，dcs通信网络使用专用的工控网络，通过opc服务器与外界办公网络进行连接，实现数据交换。

随着大数据分析、云平台建设的发展，形成了一系列的基于数据挖掘的智能分析系统，例如基于数据挖掘的异常工况分析、虚拟仪表技术、过程诊断等。这些系统一般通过opc服务器读取dcs的运行数据，在自己搭建的云平台上进行数据处理，得出分析结果。由于这些数据是在办公网的云平台计算所得，由于dcs网络安全设置，这些分析的虚拟数据很难再通过网络回传给dcs系统。通常这些智能系统会在办公网络建立一套自己的监测系统，供他人查询。对于需要实时监测的参数，dcs操作人员很难抽身去实时查看这些虚拟数据，导致这些数据失去时效性。外部系统可通过opc服务器的写入功能，进行dcs内部数据修改，一般情况下，只有apc（先进控制系统）等不联网的控制系统可以进行dcs数据读写。为了防止病毒软件侵入dcs控制系统，进行数据的肆意修改，其它外网系统一般不允许使用opc服务器的写入权限。

针对基于大数据分析的云平台计算的虚拟数据不方便接入dcs控制系统，操作人员很难抽身去关注这些分析数据，使这些数据产生时效性不足的情况。本专利提出了一种连接dcs与云平台的硬件隔离的虚拟仪表设备。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种云平台与dcs硬件隔离的虚拟仪表设备，通过硬件接口隔离，实现dcs控制网络的外部数据回传功能，帮助操作人员实时接收数据信息，本发明采用dcs主动获取数据方式，防止病毒干扰或外部系统故障对dcs安全防护的冲击，实现云平台的复杂运算数据在dcs运行画面的实施展示。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种云平台与dcs硬件隔离的虚拟仪表设备，一端与云平台上的上位机通信连接，一端与dcs通信连接，包括上位机接口、与上位机连接的通信模块、微处理器、数模转换器、光电隔离器、模拟信号输出端、与dcs连接的通信模块、存储单元和电源模块；所述虚拟仪表设备通过上位机接口实时接收云平台计算的虚拟数据，并传输至模数转换器将其转化为模拟信号，经过光电隔离器光电隔离后，通过模拟信号输出端传输至dcs，所述dcs主动获取虚拟仪表设备的数据。

进一步的，所述的与上位机连接的通信模块包括与上位机连接的rs485通信模块、与上位机连接的internet通信模块。

进一步的，所述与上位机连接的rs485通信模块为光电隔离模式，满足modbus通信协议要求，接收来自上位机的传递数据。

进一步的，所述的与dcs连接的通信模块为rs485通信模块，所述dcs设有rs485接口，虚拟仪表设备通过rs485通信模块与dcs的rs485接口连接，进行数据传输。

进一步的，所述的与dcs连接的rs485通信模块为光电隔离模式，满足modbus通信协议要求，接收来自微处理器的传递数据。

进一步的，所述云平台的上位机设有rs232通信模块和internet通信模块；所述虚拟仪表设备通过rs232转rs485转换器与上位机的rs232通信模块进行连接，或通过internet通信模块与云平台的上位机通信连接。

进一步的，所述微处理器实时接收上位机传递的虚拟运行数据，将虚拟运行数据输出到数模转换器；所述数模转换器接收微处理器发送来的数字信号，并将其转换为模拟信号进行输出；所述光电隔离器接收数模转换器发送来的模型信号，进行光电隔离后，输出同样大小的模拟信号，传输至模拟信号输出端。

进一步的，所述dcs设有模拟数据采集接口，所述模拟信号输出端通过安全栅连接到dcs的模拟数据采集接口。

与现有技术相比，本发明优点在于：

（1）实现云平台等外网设备与dcs的硬件隔离连接，实现光电隔离的物理隔离方式，并通过模拟量传输来降低网络安全风险，不需要严格的网络安全设置；

（2）采用dcs主动接受数据方式，防止其它无关信息的侵入，不存在安全风险；

（3）本专利数据具有通用性，可来自外网、办公网等不同网络，只需要传输数据符合系统协议要求。

附图说明

图1为本发明的虚拟仪表设备结构及连接关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，包括云平台、虚拟仪表设备、dcs的详细连接方式，以及虚拟仪表设备的内部结构。本发明的虚拟仪表设备可以通过rs232转rs485转换器与上位机的rs232接口进行连接；可以通过网线与上位机的网线接口进行连接；虚拟仪表设备的模拟信号输出端通过安全栅连接到dcs的模拟数据采集接口卡件；也可以通过rs485通信模块与dcs端的rs485接口进行连接，进行多参数传输。

主要的功能实现，需要在服务器上安装上位机软件，实现相关参数的信息配置与实时数据传输等。

上位机软件：通过c#、vc++等编程语言编写实现上位机软件。读取服务器上数据库中其它系统运算的虚拟数据；连接服务器rs232接口的com端或intenet接口端，识别虚拟仪表设备的连接状态；通过modbus或tcp/ip通信协议分别通过rs232或网线将虚拟数据传递给虚拟仪表设备。

本发明的虚拟仪表设备的内部结构设计如下：

1）上位机连接的rs485通信模块：设计为光电隔离模式，防止信号干扰带来的系统安全；该rs485接口满足modbus通信协议要求；接收来自上位机的传递数据。

2）与上位机连接的internet通信模块，即网线接口：另一种与服务器数据连接的方式，该接口支持tcp/ip通信协议；接收来自上位机的传递数据。

3）微处理器：采用arm系列微处理器；采用嵌入式编程方式，实现各参数的量程、描述等相关属性设置与保存功能，实现modbus通信协议和tcp/ip通信协议软件实现，识别上位机通信的数据，并进行数据处理，根据参数量程进行百分制转换，输出到数模转换器或与dcs连接的rs485通信模块。

4）存储单元：存储虚拟仪表设备的各模拟信号（ao1-aon）的量程上下限、描述等配置信息。

5）数模转换器：通过硬件设计实现将来自微处理器的数字信号转换为模拟数值。

6）光电隔离器：实现来自数模转换器的模拟信号光电隔离，防止信号干扰对dcs模拟卡件的冲击。

7）模拟信号输出端：通过硬件设计将模拟信号转换为规范的4-20ma工业信号，并且满足输出功率要求。

8）与dcs连接的rs485通信模块：即rs485接口，该接口设计为光电隔离模式，防止信号干扰带来的dcs系统安全；该接口满足modbus通信协议要求；接收来自微处理器的传递数据。

9）电源模块：将220v的交流电转换为24v直流电和5v直流电；5v直流电为rs485通信模块、微处理器、数模转换器、光电隔离器、网线接口等提供电源；24v直流电为模拟数据接口提供电源。

与dcs控制系统的连接：模拟信号输出端可以通过安全栅隔离方式与dcs的模拟数据采集接口进行连接，并在dcs工程师站进行相关参数配置，包括位号名称、量程上下限等信息；通过虚拟仪表设备的rs485通信模块与dcs的rs485通信模块进行连接，进行波特率、各参数的量程、名称等参数的设置，采用modbus通信协议，实现多参数的数据接收。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，做出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。