操作终端系统和工业控制系统的制作方法

1.本实用新型涉及工业过程控制的技术领域，更具体地，涉及一种操作终端系统和包括该操作终端系统的工业控制系统。


背景技术：

2.在核电站的数字化控制领域中，越来越多地使用到分散控制系统(dcs，distribute control system)的技术。分散控制系统以计算机、网络通讯为基础，将分布在工业现场附近的现场控制站和控制中心的操作员站及工程师站等连接起来，以完成对现场生产设备的分散控制和集中操作管理。
3.当应用到核电站控制时，在操作控制层(如om690系统)，出于核电对于安全性和可靠性的高要求以及操作系统(通常为linux)的需要，不管是操作员站还是工程师站，这些操作终端(ot,operation terminal)通常都采用客户机/服务器(c/s)的结构。c/s结构为两层结构，服务器负责数据的管理，客户机负责完成与用户(如操作员或工程师)的交互任务。在操作员站或工程师站，每个操作员或工程师通常需要同时监视和控制多个画面。
4.图1示出了现有技术中核电站控制系统的操作终端系统100的示意结构图。如图1中示出的，以工程师站为例，两台服务器10和10’各自通过交换机11和11’与四台客户机通信耦合。作为客户机的每台图形计算机(如工控机)只具有一个网络接口和一个视频输出接口，因此只能连接一个显示设备和一个服务器。每两台客户机连接一个kvm(keyboard video mouse)切换器131、132、131’或132’。每个kvm切换器从一组控制端(键盘和鼠标)直接控制两台客户机，使其控制的两台客户机的两个显示画面只出现一个鼠标指针，再分别通过转换器121、122、121’或122’与服务器10或10’通信。每个客户机上都运行远程桌面应用，工程师通过远程桌面应用进行输入操作，kvm切换器和转换器向对应的服务器请求数据，服务器所获得的相关数据直接显示在客户机的显示画面上。


技术实现要素：

5.在现有技术中，需要通过kvm切换器和转换器才能实现多个画面的监视和控制。然而，kvm切换器及转换器与服务器之间通信的组态较为复杂，需要花费大量时间。而且，现有技术的方案需要多种类型和较多数量的设备，导致经济成本较为高昂。更重要的是，一旦某个交换机或服务器发生故障，会导致整个工程师站(包括服务器、交换机及与其相连的多个客户机)都不能使用，系统可靠性较差。
6.鉴于上述技术问题，本实用新型的第一实施例提出了一种操作终端系统，该操作终端系统包括：第一个第一计算设备，通信地耦合至工业控制系统的终端总线，并且被配置为接收由终端总线传输的第一工业控制数据；第二个第一计算设备，通信地耦合至终端总线，并且被配置为接收由终端总线传输的第二工业控制数据；以及第二计算设备，通信地耦合至第一个第一计算设备和第二个第一计算设备，并具有第一输出接口和第二输出接口，并且，第二计算设备被配置为从第一个第一计算设备接收第一工业控制数据并经由第一输
出接口输出第一工业控制数据，并且从第二个第一计算设备接收第二工业控制数据并经由第二输出接口输出第二工业控制数据。
7.在该实施例中，省去了kvm切换器和转换器，并相应地减少了第二计算设备的数量，因此大幅降低了高昂的人力和经济成本，并降低了现有技术中操作终端系统的组态难度、减少了所需的组态时间。同时，当与第二计算设备耦合的一个第一计算设备发生故障时，第二计算设备还能够和与其耦合的其它第一计算设备通信，这增加了系统冗余度，提高了系统可靠性。
8.在某些实施方式中，第一个第一计算设备和第二个第一计算设备均为服务器，第二计算设备为客户机。
9.在某些实施方式中，操作终端系统还包括：第一显示设备，具有第一视频接口，第一视频接口与第二计算设备的第一输出接口相连，并且被配置为接收第一工业控制数据并将第一工业控制数据再现在显示画面上；以及第二显示设备，具有第二视频接口，第二视频接口与第二计算设备的第二输出接口相连，并且被配置为接收第二工业控制数据并将第二工业控制数据再现在显示画面上。
10.在某些实施方式中，操作终端系统还包括：输入设备，该输入设备与输入接口相连，并且被配置为允许用户通过输入操作提供数据请求，并经由输入接口向第二计算设备提供数据请求，数据请求包括数据标识信息和设备标识信息，数据标识信息用于标识第一工业控制数据或第二工业控制数据，设备标识信息用于标识第一个第一计算设备或第二个第一计算设备。
11.在某些实施方式中，第二计算设备还被配置为：接收数据请求；以及将数据请求中的数据标识信息发送给由设备标识信息所标识的第一计算设备。
12.在某些实施方式中，输入设备包括以下各项中的一项：键盘和鼠标的组合、手写输入板、语音输入装置和触摸屏。
13.在某些实施方式中，第一工业控制数据和第二工业控制数据中的每个包括以下数据中的至少一种：工业控制系统的实时过程数据、历史过程数据、诊断和报警数据。
14.在某些实施方式中，工业控制系统为核电站控制系统。
15.在某些实施方式中，操作终端系统包括核电站控制系统的工程师站和/或操作员站。
16.本实用新型的第二实施例提出了一种工业控制系统，该工业控制系统包括：终端总线；以及根据上述实施例中任意一个的操作终端系统。
17.在该实施例中，省去了kvm切换器和转换器，并相应地减少了第二计算设备的数量，因此大幅降低了高昂的人力和经济成本，并降低了现有技术中操作终端系统的组态难度、减少了所需的组态时间。同时，当与第二计算设备耦合的一个第一计算设备发生故障时，第二计算设备还能够和与其耦合的其它第一计算设备通信，这增加了系统冗余度，提高了系统可靠性。
附图说明
18.结合附图并参考以下详细说明，本实用新型的各实施例的特征、优点及其他方面将变得更加明显，在此以示例性而非限制性的方式示出了本实用新型的若干实施例。在附
图中，类似的组件和特征可以具有相同的附图标记，其中，
19.图1示出了现有技术中核电站控制系统的操作终端系统的示意结构图；
20.图2示出了核电站控制系统的示意架构图；
21.图3示出了根据本实用新型的实施例的操作终端系统的示意图；以及
22.图4示出了根据本实用新型的一个实施例的操作终端系统的示意结构图。
23.附图标记
24.100操作终端系统(现有技术)
25.10、10’服务器
26.11、11’交换机
27.121、122、121’、122’转换器
28.131、132、131’、132’kvm切换器
29.200核电站控制系统
30.20操作终端系统
31.21过程单元
32.22服务单元
33.23信息交换单元
34.24工程师站单元
35.25故障诊断单元
36.26自动控制单元
37.210终端总线
38.220工厂总线
39.230现场过程
40.201第一个第一计算设备
41.201’第二个第一计算设备
42.202第二计算设备
43.300工程师站
44.301-302服务器
45.311-312交换机
46.321-324客户机
具体实施方式
47.下面详细讨论实施例的实施和使用。然而，应当理解，所讨论的具体实施例仅仅示范性地说明实施和使用本实用新型的特定方式，而非限制本实用新型的范围。在描述时各个部件的结构位置例如上、下、顶部、底部等方向的表述不是绝对的，而是相对的。当各个部件如图中所示布置时，这些方向表述是恰当的，但图中各个部件的位置改变时，这些方向表述也相应改变。
48.本文所使用的术语“包括”、“包含”及类似术语是开放性的术语，即“包括/包含但不限于”，表示还可以包括其他内容。术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“多个”表
示“两个或更多个”。术语“至少部分”表示“部分或全部”。术语“连接”和“耦合”可以是直接或间接的连接。
49.下面根据若干个实施例来说明本实用新型。需要说明的是，尽管本实用新型的实施例以核电站控制系统为例进行说明，但本实用新型所提出的方案可以在任何工业控制系统中实施。
50.首先，对核电站控制系统进行简单说明。图2示出了核电站控制系统的示意架构图。应当指出，出于简化的目的，图2中仅示出了核电站控制系统200中的一些主要部分，而不代表核电站控制系统200仅包括这些部分。
51.核电站控制系统200主要包括四个层级：过程仪表层、过程控制层、操作监视层和信息管理层。过程仪表层包括现场的各类测量仪表(如温度、压力、流量、液位等变送器)和执行器(如阀、电机等)。过程控制层包括能够实现对过程仪表层的控制和保护的设备(如机柜及其内部设备)。操作监视层包括为用户提供人机接口并执行操作和监视的设备。信息管理层包括电站信息系统、应急处理系统等等。
52.如图2中示出的，操作监视层主要由过程单元(pu)21、服务单元(su)22、信息交换单元(xu)23、操作终端(ot)系统20和终端总线210组成。由于核电站的特殊性，操作终端(ot)系统20、过程单元(pu)21和服务单元(su)22均为冗余配置。操作终端(ot)系统20包括操作员站或工程师站。操作员或工程师在操作员站或工程师站处进行输入操作(如对现场执行器进行控制操作、请求查看系统实时状态、历史维修记录、诊断分析报告等)。过程单元(pu)21接收过程控制层生成的各种实时数据，进行性能计算、经由终端总线210提供给操作终端(ot)系统20以例如进行显示、在服务单元(su)22中进行存档、和/或通过信息交换单元(xu)23发送给信息管理层。
53.过程控制层主要由工厂总线220和自动控制单元26组成。自动控制单元26与现场过程230相连，通过i./o模块(如fum模块，图中未示出)采集过程仪表层中的现场变送器的物理信号，根据预设的控制逻辑生成相应的自动控制指令，再通过i./o模块(如fum模块，图中未示出)将控制指令传送给过程仪表层中的执行器。另外，这些被采集的信号和控制指令也可被传输给操作监视层的过程单元(pu)21进行性能计算、或者进一步传输给操作终端(ot)系统20以例如进行显示、在服务单元(su)22中进行存档、和/或通过信息交换单元(xu)23发送给信息管理层。
54.另外，图2中的工程师站单元(es单元)24与终端总线210和工厂总线220相连，因而能够与过程控制层和操作监视层的数据进行在线交换。es单元24为过程控制提供全范围的设计和组态功能。故障诊断单元25也与终端总线210和工厂总线220相连，因而也能与过程控制层和操作监视层的数据进行在线交换。故障诊断单元25用于对核电站控制系统200中的部件进行诊断和故障检测。在控制系统发生故障时，故障诊断单元25可以向操作员提示故障发生点并提供故障原因等相关信息并指导消除故障。
55.接下来参考图3来介绍本实用新型的方案。图3示出了根据本实用新型的实施例的操作终端系统的示意图。
56.如图3中示出的，操作终端系统20包括第一个第一计算设备201、第二个第一计算设备201’以及第二计算设备202。第一个第一计算设备201和第二个第一计算设备201’可以为服务器，第二计算设备202可以为客户机。第一个第一计算设备201通信地耦合至工业控
制系统的终端总线，并且能够接收由终端总线传输的第一工业控制数据。第二个第一计算设备同样通信地耦合至终端总线，并且能够接收由终端总线传输的第二工业控制数据。工业控制系统可以是核电站控制系统，也可以是用于其它领域的过程控制系统。第二计算设备202通信地耦合至第一个第一计算设备201和第二个第一计算设备201’。具体地，第二计算设备202可以具有两个网络接口，并分别经由不同的网络接口与第一个第一计算设备201和第二个第一计算设备201’通信耦合。此外，第二计算设备202还具有第一输出接口和第二输出接口，并且能够从第一个第一计算设备接收第一工业控制数据并经由第一输出接口输出该第一工业控制数据，并从第二个第一计算设备接收第二工业控制数据并经由第二输出接口输出该第二工业控制数据。也就是说，不同的输出接口输出来自不同的第一计算设备的工业控制数据。数据的输出形式可以包括音频、图像和视频。第一工业控制数据和第二工业控制数据中的每个包括以下数据中的至少一种：工业控制系统的实时过程数据、历史过程数据、诊断和报警数据。操作终端系统20可以是工程师站和/或操作员站。
57.在上述实施例中，省去了kvm切换器和转换器，并相应地减少了第二计算设备的数量，因此大幅降低了高昂的人力和经济成本，并降低了现有技术中操作终端系统的组态难度、减少了所需的组态时间。同时，当与第二计算设备耦合的一个第一计算设备发生故障时，第二计算设备还能够和与其耦合的其它第一计算设备通信，这增加了系统冗余度，提高了系统可靠性。
58.尽管图3中示出了两个第一计算设备201和201’以及一个第二计算设备202，然而，操作终端系统20可以包括多于两个的第一计算设备和多于第一个的第二计算设备。可以理解，多于一个的第二计算设备可以具有不同配置和性能。因此，每个第二计算设备的网络接口和输出接口的数量可以为一个、两个、三个、四个等等，并且可以各不相同。每个第二计算设备的输出接口的数量可以与网络接口的数量相同，从而能够经由不同的网络接口从不同的第一计算设备接收工业控制数据，并经由不同的输出接口输出。
59.每个第二计算设备可以与一部分第一计算设备通信耦合，也可以与所有第一计算设备通信耦合。可以根据需要来选择第一计算设备和第二计算设备的数量和耦合方式。在一些实施例中，可以将每个第二计算设备与所有第一计算设备通信耦合。例如，操作终端系统20总共包括四个第二计算设备和两个第一计算设备，每个第二计算设备都具有两个网络接口，则可以将每个第二计算设备均与两个第一计算设备通信耦合。在另一些实施例中，各第二计算设备可以具有不同数量的网络接口，从而与不同数量的第一计算设备通信耦合。例如，操作终端系统总共包括四个第二计算设备和三个第一计算设备，其中三个第二计算设备具有两个网络接口，另一个第二计算设备具有三个网络接口，则可以将具有两个网络接口的第二计算设备与两个第一计算设备通信耦合，另一个具有三个网络接口的第二计算设备与三个第一计算设备通信耦合。
60.在一些实施例中，操作终端系统还包括：第一显示设备，具有第一视频接口，该第一视频接口与第二计算设备的第一输出接口相连，并且能够接收第一工业控制数据并将第一工业控制数据再现在显示画面上；以及第二显示设备，具有第二视频接口，该第二视频接口与第二计算设备的第二输出接口相连，并且能够接收第二工业控制数据并将第二工业控制数据再现在显示画面上。第一视频接口和第二视频接口可以是符合任何接口标准的视频接口。通过设置至少两个显示设备，操作员或工程师能够同时经由不同的显示画面查看来
自不同的第一计算设备的工业控制数据。
61.在一些实施例中，第二计算设备202还包括输入接口，操作终端系统20还包括输入设备，该输入设备与输入接口相连，并且允许用户通过输入操作提供数据请求，并经由输入接口向第二计算设备202提供数据请求。数据请求包括数据标识信息和设备标识信息。数据标识信息用于标识第一工业控制数据或第二工业控制数据，设备标识信息用于标识第一个第一计算设备201或第二个第一计算设备201’。输入设备可以为任何类型的输入设备，包括但不限于键盘和鼠标的组合、手写输入板、语音输入装置、触摸屏等。操作员或工程师可以通过输入设备进行输入操作，如移动鼠标指针、点击鼠标、键盘输入等，从而请求查看实时过程数据、历史过程数据、诊断和报警数据等。
62.在一些实施例中，第二计算设备202还被配置为接收数据请求；以及将数据请求中的数据标识信息发送给由设备标识信息所标识的第一计算设备。这样，第二计算设备202能够通过一套输入设备向与其通信耦合的任意一个第一计算设备请求数据，而无需使用kvm切换器和转换器，降低了组态难度，节约了组态时间。
63.下面以一个具体实施例为例来进一步说明本实用新型。图4示出了根据本实用新型的一个实施例的操作终端系统的结构示意图。
64.在本实施例中，图4示出的操作终端系统为工程师站300。在核电控制系统运行期间，工程师站300用于执行系统状态监控、报警信息查看、故障诊断等工作。两个服务器301和302分别耦合至核电站控制系统(如图2中的核电站控制系统200)的终端总线(图4中未示出)并与交换机311和312相连。四个客户机(如工控机)321-324各自具有两个网络接口和两个视频输出接口(如符合displayport标准的视频输出接口)。每个客户机经由其两个网络接口分别与交换机311和322相连，从而能够与服务器301和302中的任意一个进行通信。每个客户机的一个视频输出接口连接一个显示设备，输入接口连接一套键盘鼠标。在每个客户机上都安装两个远程桌面应用，以分别对两个服务器301和302进行访问。通过配置，每个客户机的两个视频输出接口中的一个与两个服务器301和302中的一个服务器相关联，另一个视频输出接口与两个服务器301和302中的另一个服务器相关联。也就是说，在一个显示设备的显示画面上只再现来自关联的服务器的数据。用户(工程师)使用一套键盘鼠标便能操作两个独立的显示画面。
65.用户将鼠标指针移动到一个显示设备的显示画面上并用键盘输入数据标识信息，例如需查看的工业控制数据的数据种类和时间段，客户机判断哪个服务器与该显示设备关联，并经由对应的交换机311或312将该数据标识信息发送给该关联的服务器。该服务器在接收到数据标识信息后，经由终端总线获取数据标识信息所标识的工业控制数据并返回给客户机，例如经由过程单元pu获取的现场仪表层中变送器的一段时间内的实时过程数据、存储在服务单元su中的一段时间内的历史过程数据及一段时间内的诊断和警报数据等。客户机经由与该服务器关联的视频输出接口输出该工业控制数据，并再现在与该视频输出接口相连的显示设备的显示画面上。
66.在该实施例中，由于客户机具备两个网络接口和两个视频输出接口，因此其能够连接到两个服务器，访问其中任意一个服务器并通过不同的显示设备显示相应数据。如果任意一个交换机或服务器发生故障，工程师仍然能够通过访问另一个服务器来操作部分显示画面，因而显著提高了系统的冗余度和可靠性。同时，由于省去了kvm切换器和转换器，客
户机的数量也减为原来的一半，因此大幅降低了高昂的人力和经济成本，并降低了现有技术中操作终端系统的组态难度、减少了所需的组态时间。
67.在另一个实施例中，本实用新型还提出了一种工业控制系统。该工业控制系统包括：终端总线；以及上述实施例中任意一个实施例的操作终端系统。
68.虽然已经参考若干具体实施例描述了本实用新型的实施例，但是应当理解，本实用新型的实施例并不限于所公开的具体实施例。本实用新型的实施例旨在涵盖在所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。权利要求的范围符合最宽泛的解释，从而包含所有这样的修改及等同结构和功能。