（控制理论与控制工程专业论文）面向dcs应用的软件集成与控制技术的研究.pdf

摘要 随着计算机、通信、控制等技术的不断进步，分布式控制系统 ( d c s ) 得到了快速的发展，广泛应用于工业生产过程与其他领域。 论文以红霉素发酵过程控制系统应用为主要背景，论述了分布式 控制系统的概念、基本结构、功能与特征，分析了作为o c s 应用基本 组成部分的组态软件的原理、特征与实时数据库技术，并讨论了面向 d c s 的各种集成技术的应用。 文中以h o n e y w e l l 公司的p l a n t s c a p e 控制系统应用为例， 论述了v b s e r i p t 脚本语言在监控软件中的应用，剖析了专用应用程 序接口a p i 与n e t w o r ka p i 技术与其程序实现，并在程序实现的基 础上给出了分析总结。针对标准接口o p c 技术的应用，论文论述了 o p c 对象及其两种访问接口，给出了应用程序的开发步骤与具体的 程序实现。作为d c s 与软件集成技术的典型应用，本文重点论述了 红霉素发酵过程控制系统的设计方案，分析了控制组态与监控组态的 应用，最后详细说明了基于神经网络的软测量与第三方应用软件的设 计与实现。 关键词： 分布式控制系统，组态软件，过程控制、集成技术，应用程序接口 a b s t r a c t w i 山t h ea d v a n c e m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , c o n t r o l t e c h n o l o g ya n do t h e rh i g ht e c h n o l o g i e s , d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m ( d c s ) d e v e l o p sq u i c k l y ，w i t he x t e n s i v ea p p l i c a t i o n si ni n d u s t r yp r o d u c t i o np r o c e s sa n d o t h e r 8 x e a s 1 m ea n a l y s e sa n di m p l e m e n t a t i o na d p l i c a t i o n so fd c ss o f t w a r ei n t e g r a t i o na n d c o n t r o lt e c h n o l o g i e sa r ep r e s e n t e di nt h i s p a p e r t h ec o n c e p t ，b a s i cs t r u c t u r e ，f u n e t i o n sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fd i s t r i b u t e dc e n t r e l s y s t e ma r ee x d l a i n e db r i e f l yw i t ht h ee r y t h r o m ，r c i n f e r m e n t a t i o np r o c e s sc o n t r o l s y s t e m i nt h eb a c k g r o u n d t h e nr e a lt i m ed a t a b a s ea n dc h a r a c t e r i s t i c so f c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea r ca n a l y z e d 1 1 ”a p p l i c a t i o n so fd c s - o r i e n t e di n t e g r a t i o n t e c h n o l o g i e s a l ea l s od i s c u s s e d b a s e do np i _ a n t s c a p ec o n t r o ls y s t e mo fh o n e y w e l lc o r p t h ea p p l i c a t i o no f v b s c f i p tl a n g u a g ei sp r o p o s e d ，t h es p e c i f i ca p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ( a p i ) a n dn e t w o r ka _ p it e c h n o l o g i e sa n da p p l i c a t i o nr e a l i z a t i o na r e a n a l y z e dw i t ha c o m p a r i s o ng i y e nu p o nt h er e a l i z a t i o no ft h ep r o g r a m a sam o r eo p e ni n t e r f a c i n g a p p r o a c h ，an e w i n t e r f a c et e c h n o l o g yo l ef o rp r o c e s sc o n t r o l ( o p c ) i si n t r o d u c e d a n da n a l y s e sf o r0 p co b i e c t sa n dt w oa c c e s si n t e r f a c e sa r eg i v e n w i t hs a m p l e p r o g r a m t e s t sc o n d u c t e da n d s t e p so f t h e d e v e l o p m e n t o ft h e a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g a n dr e a l i z a t i o ns u m m a r i z e d a st y p i c a l a p p l i c a t i o n s o fs o f t w a r ei n t e g r a t i o n ，t h e d e s i g no ft h ee r y t h r o m y c i nf e r m e n t a t i o np r o c e s sc o n t r o ls y s t e mi sa n a l y z e da n dt h e a p p l i c a t i o n s o fc o n t r o la n ds u p e r v i s o r yc o n f i g u r a t i o na r e d i s c u s s e d , u p o nw h i c h d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fs o f t 。f 汜n s o rb a s e do nn e u r a ln e t w o r ka n dt h et i f f r dp a r t y a p p l i c a t i o n a r cp r e s e n t e di nd e t a i l k e y w o r d s ： d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ( d e s ) ， c o n t r o l , i n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y , a p i i 王 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：粗导师签名： 垒芝垒曼日期：逸! ! 竺：三： 绪言 绪言 自二十世纪七十年代中期h o n e y w e l l 公司推出第一套分布式控制系统以来“1 ，分布式控 制系统己经发展成为工业生产过程自动控制系统的主流。随着计算机技术、通信技术、控制 技术、大规模集成电路技术、显示技术、表面安装技术、软件技术以及其他高新技术的应用 和发展，分布式控制系统也得到了飞速的发展。各制造厂商相继推出或更新各自分布式控制 系统产品，更新换代的分布式控制系统在软硬件结构方面有了较大的改进，功能进一步得到 了增强，产品的应用范围遍及工业控制领域的各个行业。显然，这些分布式控制系统的型号 各不相同，应用的行业和规模也各不相同，但是，它们的基本构成和功能、根本特征、操作 方法等性能是具有同一性触为了适应发展的需要，有必要结合分布式控制系统的应用经验， 从分布式控制系统的基本性能和基本操作出发，分析和讨论它们的共性，分析分布式控制系 统的概念、基本构成部分以及各个不同部分的详细功能。除此之外，还要对分布式控制系统 的基本特征进行深入剖析。这样才可以从根本上把握分布式控制系统的本质。 监控组态软件作为强大的软件平台工具，是伴随着计算机技术的突飞猛进、分布式控制 系统的广泛应用而发展起来的。八十年代中后期，随着个人计算机的普及和开放系统概念的 推广，个人计算机操作系统日趋稳定可靠，实时处理能力增强且价格便宜。基于个人计算机 的监控系统开始进入市场，并发展壮大缎态软件做为个人计算机监控系统的重要组成部分， 具有更为广阔的发展空间。报多d c s 和p l c 厂家主动公开通信协议，向p c 监控靠拢。目 前，几乎所有的p l c 和一半以上的d c s 都使用p c 做为操作站。由于p c 监控大大降低了 系统成本，使得市场空间得以扩大，从无人值守的远程监视、数据采集与计量、数据分析到 过程控制，几乎无处不用。各类智能仪表、调节器和基于p c 的设备可与组态软件构筑完整 的低成本自动化系统，具有广阔的市场空间。各类嵌入式系统和现场总线的异军突起，把组 态软件推到了自动化系统主力军的位置。计算机的软件技术的强大能力及软件开发工具的丰 富多样，使组态软件的使用十分方便，开发周期相应缩短软件升级和维护也较方便。组态 软件的发展与成长和网络技术的发展与普及密不可分。曾有一段时期，各d e s 厂商的底层 网络都是专用的，现在刚使用国际标准协议，这在很大程度上促进了组态软件的应用。组态 软件的应用不仅仅局限在工业企业，在农业、环保、邮政、电信、实验室、医院、金融、 交通、航空等各行各业均能找到使用组态软件的实例。随着祖国社会进步和信息化速度的加 快，组态软件将赢键巨大的市场与应用空间。 企业经营管理趋向全球化和多元化，企业业务流程越来越复杂。这种趋势要求企业以 更短的时间进行更多的协调与控制工作，加快市场反应，提高企业的管理效率，增强企业的 竞争能力。企业现有的各个功能子系统都是不同厂家的专用软件系统，各个功能子系统是分 散的、独立的，不同的子系统之间存在信息不能流畅交换的问题，这样就不能满足企业的统 一管理与协调的需要。所以有必要对企业的各个独立的子系统予以集成，使原本各自独立的 子系统结合成为一个统一的大系统。这样就可以统一监控每一个子系统，使不同的子系统联 动运转，从而达到统一信息管理与子系统之间协调工作的目的。 目前世界上许多著名的控制系统厂商为此推出了各种分布式集成管理控制系统。美国的 h o n e y w e l l 公司在新世纪推出了功能强大的p l a n t s c a p e 控制系统。p l a n t s c a p e 是应用于 过程控制的分布式控制系统。h o n e y w e l l 公司的控制系统产品是基于开放式分布式系统的 w e b 化网络集成环境，集中运用了各种最新的数据库技术、数据访问技术，使用户能够快速 方便地对系统的各种数据进行访问。 而系统集成与应用主要是运用各种数据访问技术达到对各个功能予系统进行访问与集 成应用的目的。各种控制系统具有多种不同的数据访问技术与协议界面供用户透用， h o n e y w e l l 公司的p l a i 盯s c a p e 控制系统主要包含以下几种技术i t 2 11 4 a j ：a p i 、n e t w o r k a p i ，o p c 技术标准等数据接口。a p i 与n e t w o r ka p i 技术是通过h o n e y w e l l 公司提供的 n e t w o r ka p i 动态链接库能高效方便地在本地或通过网络访问p l a n t s c a p e 服务器内部数 据库里的信息。a p i 函数库可以被v b 、c + + 、f o r t r a n 这几种开发工具调用，使用户能 快速而透明地获取服务器内部数据库中的信息。o p c 的概念是由f i s h e rr o s e m o u n t 公司 1 9 9 5 年首次提出的陴1 ，其中文含义是“过程控制中的对象链接和嵌入技术”。它借川了 m i c r o s o f t 公司的o l e 和c 删d o m 技术，并应用于过程控制中。它为过程控制和自动化领 域提供了一套标准的接口、属性和方法，是实现控制系统开放性的关键技术。0 p c 技术规 范在短短几年内获得了极大的发展，已经得到工业界的广泛认可。日前，绝大多数的上控商 家为实现其系统的开放性，为其监控软件系统提供了0 p c 接口。p l a n t s c a p e 控制系统也支 持o p c 技术。目前o p c 技术已被广泛用于从物理设备中获取原始数据，及从已有的 s c a d a 、d c s 控制系统的数据库获取数据。它使一个客户应用程序可以从多个不同厂商、 存在于不同机器上的o p c 服务器中获取数据，从而实现系统之间的无缝集成。与其他集成 技术相比，o p c 技术更为成熟，相应的产品更多，应用也更广泛。o p c 技术开创了系统集成 的新途径，将成为系统集成的重要方式。当应用程序功能简单并只要求在当前监控页面上运 行时，可以采用组态软件内置的脚本语言编程，实现用户所需的功能。 d c s 经过几代的发展，已经比较成熟。d c s 本身自带的组态软件的控制功能与监控功 能都很齐各，用户只需控制组态与监控组态即可满足要求。但是组态软件所提供的功能是一 些通用性很强的功能，不具备特殊性。当用户提出一些特殊的要求时，此时就可以通过开发 自己的第三方应用软件来实现用户的特殊的功能。第三方应用开发不仅应用于过程控制，而 且应用在智能楼宇集成中。本文针对典型的红霉素发酵d c s 控制系统，完成了d c s 软件集成 技术与控制技术的研究应用与具体实现，以p l a n r r s c a p e 系统为例深入研究了d c s 的各种 数据访问接口，重点分析了p l a n t s c a p e 提供的n e t w o r k a p i 与a p i 两种专用应用程序接口， 所开发的第三方客户应用程序中就采用这两种接口技术读取发酵过程的实时数据，解决了在 不同场合下对d c s 的数据采集、进一步的数据处理与优化控制等一系列问题。 论文共分为三章。具体的内容安排如下： 第一章为分布式控制系统与组态软件在结合分布式控制系统的实际应用经验的基础 上进行提炼与总结出分布式控制系统的共性问题与组态软件的重要相关概念。本章首先介 绍了分布式控制系统的概念与发展历史：随后分析了分布式控制系统的基本结构。并且叙述 了各个部分的功能与分布式控制系统的特征。然后概述了组态软件的概念与其数据处理流 程，分析了组态软件的特点与组态软件的实时数据库。 第二章为面向d c s 的各种集成技术的应用。本章首先讨论了脚本语言，并且结合 p l a n t s c a p e 系统分析了脚本语言的作用本质与具体应用。接着对p l a n t s c a p e 系统的 a p i 、n e t w o r k a p 避行剖析，给出了其程序实现与相关总结。然后介绍了o p ( 敬术，分析了 o p c 对象与接口，给出了应用程序的开发方法。最后讨论了以太网技术。 第三章为红霉素发酵过程控制系统。本章针对红霉素发酵控制系统概述了用户需求分 析。然后分析了计算机控制系统设计方案。设计方案分为四个部分：系统简介、系统结构、 软硬件配置与主要控制思想及方法。随后阐述了系统组态，给出了组态的概念、组态步骤与 控制组态实现的一系列内容。接下来对监控页面组态进行探讨与研究，具体分析了如何采用 d i s p l a yb u i l d e r 图形组态软件对上位机监控画面进行组态。最后重点说明了基于神经网络的 软测量与第三方应用软件的设计与实现。 2 第一章分布式控制系统与组态软件 第一章分布式控制系统与组态软件 1 1 概述 分布式控制系统( d c s ) 由于其优良的特性在控制领域得到了，“泛的应用。随着计算机 类高新技术的蓬勃发展，分布式控制系统的技术也在不断前进，所以有必要对分布式控制系 统进行研究，跟上时代发展的步伐。 本章首先介绍了分布式控制系统的概念与发展历史；随后分析了分布式控制系统的基本 结构与各层的功能；然后阐述分布式控制系统的特征：分散控制、分级递阶、自治与协调性 与开放性；最后概述了组态软件的概念与其数据处理流程，分析了组态软件的特点与组态软 件的实时数据库。 1 2 分布式控制系统的概念与发展历史 分布式控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 是以微处理器为基础的集中分散型 控制系统。自1 9 7 5 年第一套分布式控制系统出现以来，分布式控制系统已经在控制领域得 到了广泛的应用。越来越多的控制工程师已经认识到分布式控制系统必将成为自动控制领域 的主角，并发挥着重要作用。分布式控制系统的最主要的特性是它的集中管理和分散控制。 随着计算机技术的发展，控制网络技术已经使分布式控制系统不仅主要用于分散控制，而且 向着集成管理的方向发展，系统的开放不仅使不同制造厂商的分布式控制系统产品可以互相 连接，而且使得它们可以方便地进行数据的交换，系统的开放也使第三方的软件可以方便 地在现有的分布式控制系统上应并 因此，分布式控制系统早已在原有的概念上有了新的含 义我国已引进的不同型号分布式控制系统的数量多达几百套，应用的控制领域也已遍及石 油化工、冶金、炼油、建材i 纺织、制药、楼字等各行各业。 分布式控制系统的发展是经历了四代。世界上第一套分布式控制系统是美国霍尼威尔 ( 删e y l r n l ) 公司于1 9 7 5 年推出的t d c - - 2 0 0 0 控制系统，它针对当时过程工业控制应用 中采月j 模拟电动仪表控制系统难于解决韵、采用计算机的直接数字控制也难以克服的控制问 题。r 它的基本思路是；首先，把集中的计算机控制系统分解为分散的控制系统。为此，应该 有专门的过程分散控制装置，它们能在过程控制级各自完成过程中的部分控制和操作；其次。 从模拟电动仪表的操作习惯出发，开发良好的人机操作界面。用于操作人员的操作监视；最 后，为了使操作站与过程控制装置之间建立数据的联系，应建立数据的通信系统，使数据 能在操作人员和生产过程问相互传递所以，该控制系统是计算机技术( c o m p u t e r ) 、控制 技术( c o n t r 0 1 ) 、通信技术( c o m m u n i c a t i o n ) 和显示技术( c l 玎) 融台的结晶。当时d c s 还在初创阶段，产品还是分布式控制系统的雏形。但是，系统已经包括了d c s 的三大组成 部分，即分散过程控制装置操作管理装置和数据通信系绕它也具有了d c s 的基本特点， b p 集中管理、分散控制。第一代= s 特色主要体现在常规控制方面，当时具有代表性的d c s 产品的有：h o n e y w e l l 公司的t d c 一2 0 0 0 ：t a y l o r 公司的m o d 3 ；f o x b o r o 公司的 s p e c t r u m 等产品。 随着半导体技术、显示技术、控制技术、网络技术和软件技术等高新技术的发展，分 布式控制系统也得到了飞速的发展。第二代分布式控制系统的主要特点是系统的功能扩大或 3 者增强，倒如控制算法的扩充；常规控翻与逻辑控制、批量控制相结台：过程操作管理 范围的扩大，功能的增添；显示屏分辨率的提高；色彩的增加；多微处理器技术的应用等 第二代d c s 在逻辑控制方面具有明显的优势。但是，各制造厂的通信系统各自为政，在不 同制造厂分布式控制系统间通信存在一定的困难典型的分布式控制系统产品有h o n e y w e l l 公司的t d c 一3 0 0 0 ；t a y l o r 公司的m o d 3 0 0 ；b a i l e y 公司的n e t w o r k - - 9 0 ：西屋公司的 叻p f ：a b b 公司的m a s t e r 等产品。 第三代分布式控制系统的标志是美国f o x b o r o 公司在1 9 8 7 年推出的i as 系统。它 的主要改变是在局域网络方面，i as 系统采用了1 0 兆位秒的宽带网与5 兆位秒的载 带网，符台国际标准组织的o s i 开放系统互联的参考模型。因此，在符合开放系统的各制 造厂产品间可以相互连接相互通信和进行数据交换，第三方的应用软件也能在系统中应用 从而使分布式控制系统进入了更高的阶段。紧随其后，各d c s 的制造厂也纷纷推出了各自 的第三代d c s 产品，例如，h o n e y w e l l 公司带有u c n 网的t d c - - 3 0 0 0 ；横河公司的带有 s v - n e t 网的c e n t u m x l ；l e e d s & n o r t h r o p 公司的雎a ) c l o o o ；b a i l e y 公司的i n f o - 9 0 等。 从第三代分布式控制系统的结构来看，由于系统网络通信功能的增强，各不同制造厂的产 品能进行数据通信，克服了第二代分布式控制系统在应用过程中出现的自动化孤岛等困 难此外，从系统的软件和控制功能来看，系统所提供的控制功能也有了增强，通常，系统 已不再是常规控钒逻辑控制与批量控制的综合，而是增加了各种自适应或自整定的控制算 法，用户可在对被控制对象的特性了解较少的情况下应用系统所提供的控制算法。由系统 自动搜索或通过一定的运算获得较好的控制器参数。同时，由于控制系统的开放性，系统向 外提供了许多标准接口供用户访问实时数据和历史数据，所以第三方应用软件可方便地与系 统交换数据，这也就为用户提供了更广阔的应用空问。在9 0 年代初，随着对控制和管理要 求的不断提高，第四代分布式控制系统以管控一体化的形式出现它在硬件上采用了开放的 工作站，使用r i s c 替代c i s c ，采用了客户机服务器( c 1 i e n t s e r v e r ) 的结构。在网 络结构上增加了工厂信息网( i n t r a n e t ) ，并可与国际信息网i n t e r n e t 联网。在软件上则 采用u n i x 系统和w i n d o w s 的图形用户界面，系统的软件更丰富，些优化和管理的良 好界面的软件被开发并移植到分布式控制系统中来。第四代分布式控制系统的典型产品有 h o n e y w e l l 公司的t i p s 控制系统横河公司的c e n t u w - c s 控制系统f o x b o r o 公司的i a $ 5 0 5 1 系列控制系统，a b b 公司a d v a n t 系列o c s 开放控制系统等控制系统：这一代分布 式控制系统主要是为解决d c s 系统的集中管理而研制。它们在信息的管理、通信等方面提 供了综合的解决方案。 随著计算机技术、控制技术、通信技术、网络技术、显示技术( c r t ) 、i 超大规模集成电 路技术、表面安装技术、布线技术以及其它高新技术的发展，分布式控制系统也不断发展和 更新，各制造厂商相继推出和更新各自的分布式控制系统产品，在系统的开放性功能的综 合性和先进性、操作的方便性和可靠性等方面都有不同程度的改进和提* 靠产品的应用范围 己不仅仅是工业控制领域的各个行业，而是向制造过程自动化和过程自动化的综合管理方 向发展。可以预见。分布式控制系统d c s 将进一步发展下去，并展现出良好的应用前景。 1 3 分布式控制系统的基本结构以及各部分的功能 分布式控制系统的发展已经经历了三代，现在正处于第四代，己推出的分布式控制系统 产品已达百种以上虽然分布式控制系统在它的发展过程中逐步采用新兴技术，功能不断得 到增强t 不同制造商的众多产品也各具特色、不尽相同，硬件和软件也千差万别，但是。但 从其基本构成方式或构成要素以及基本特征来分析，则具有相同或相似的特性。各种d c s 控制系统的最基本特征是集中管理、分散控制；控制系统由分散过程控制装置、操作管理装 4 置以及数据通信系统这三大部分组成。分放过程控制装置部分由多回路控制器、单i 虱路控制 器、多功能控制器、可编程序逻辑控制嚣及数据采集装置萼组成它相当于现场控制级和过 程控制装置级，实现与过程的连接。集中操作和管理部分由操作站、管理机和外部设备如打 印机、拷贝机等组成。相当于车间操作管理级和全厂优化和调度管理级，实现人机接口。在 每级之间以及每级内的计算机或微处理器则由通信系统进行数据通信。三部分的关系如图 卜l 所示。 i i 操作人员 l 彳p 产 一l l 集中操作管理装置 j j c 数据通信 j 分散过程控制装置 一j 图卜1分布式控制系统的三个组成部分 分布式控制系统的功能分层是分布式控制系统的体系特征，它充分反映了分布式控制 系统的分散控制、集中管理的特点。信息一方面自下向上逐渐集中，同时，它又自上而下逐 渐分散，这就构成了系统的基本结构。以下就对分布式控制系统的三大组成部分逐一介绍。 1 3 1 分散过程控制装置 分散过程控制装黄是分布式控制系统与生产过程问的界面，生产过群的各种过程变量 通过分散过程控制装置转化为操作监视的数据，而操作的各种信息也通过分散过程控制装 置送到执行机构。分散过程控制装置的主要功能是分散的过程控制。它是系统与过程之间的 接口，在分散过程控制装置内，可以进行模拟量与数字量的相互转换，完成控制算法的各种 运算，对输入与输出量进行有关的软件滤波及其他的一些运算。 分散过程控制装置的最大特性就是分散控制。分散过程控制装置体现了控制分散的系统 构成。它把地域分散的过程装置用分散的控制实现，它的控制功能也分为常规控伟良顺序控 制和批量控制。它把监视和控制分离。把危险分散，使得系统的可靠性提高。 除了分散控制这个最基本特性外，实时性是分散过程控制装置的另一个重要特性。分散 过程控制装置直接与过程进行联系，为能准确反映过程参数的变化，它应具有实时性强的 特点。从装置来看，它要有快的时钟频率。足够的字长。从软件来看，运算的程序应精练， 实时和多任务作业。 独立性也是分散过程控制装置的一个重要基本特性相对于整个分布式系统，分散过程 控制装置具有较强的独立隹b 在与上一级的通信或者上一级设备出现故障的情况下，它还能 正常运行，而使过程控制和操作得以进行。因此，对它的可靠性要求也相对较高。 还有，分散过程控制装置需要适应恶劣的工业生产过程环境。分散过程控制装置的一部 分设备需要安装在现场，所处的环境差，因此，要求分散过程控制装置能适应环境的温度 变化，适应电网电压波动的变化，适应工业环境中的电磁干扰的影响，以及环境介质的影响。 大多数分布式控制系统采用过程装置控制设备和i o 卡件组成过程装置控制级，通过 通信网络把过程信息传送到上、下级。过程装置控制级是分布式控制系统的关键部分。它的 性能好坏极大地影响到信息的实时性、控制质量的好坏以及管理决策的正确性。过程装置控 制级的功能主要为以下几点： ( 1 ) 采集过程数据，进行数据转换与处理： ( 2 ) 数据的监视和存储； ( 3 ) 实施连续、批量或顺序控制的运算和输出控制作用； ( 4 ) 数据和设备的自诊断： ( 5 ) 数据通信； 随着现场总线的使用，在分布式控制系统的最低层，出现了现场控制级。随着控制器与 变送器、传感器和执行机构的整体安装式智能仪表的阀世，现场控制级可以部分或全部完 成过程装置控制级的功能。现场控制级的功能是： ( 1 ) 采集过程数据，对数据进行转换； ( 2 ) 输出过程操纵命令； ( 3 ) 进行直接数字控制； ( 4 ) 完成与过程装置控制级的数据通信； ( 5 ) 对现场控制级的设备进行监测与诊断； 1 3 2 集中操作管理装置 集中操作管理装置是操作人员与分布式控制系统间的界面。操作人员通过操作管理装 置了解生产过程的运行状况，并通过它发出操作指令给生产过程生产过程的各种参数在操 作管理装置上显示，以便于搡作人员监视和操作：所以集中操作与管理部分的主要功能是集 6 中备分数过程控制装置送来的信息，通过监视和操作，把操作命令下送各分散过程控制装 置。信息用于分析、研究、打印、存储并作为确定生产计划、调度的依据该部分需要汇总 各分散过程控制装置的信息，以及向下传送的信息，所以信息量大。对此从硬件来看，它 具有大的存储容量允许有较多的画面可显示。从软件来看应采用数据压缩技术、分布式 数据库技术及并行处理技术等新技术。操作管理部分还应该具有易操作性。集中操作和管理 部分的装置是操作人员、管理人员直接与系统联系的界面，它们通过c r t 、打印机等装置了 解过程运行情况并发出指令，因此，除了部分现场手动操作设备外，操作人员和管理人员 都通过装置提供的输入设备，如键盘、鼠标、跟踪球标等来操作设备的运行。为此，集中操 作和管理部分的装置要有良好的操作性。另外由于集中操作和管理部分是人和机器的联系 界面，为防止操作人员的误操作，该部分装置应有良好的容错特性即只有具有相当权威的 人员才能对它操作。为此，要设置硬件密钥、软件口令、对误操作不予响应等安全措施。 操作管理级以中央控制室操作站为中心，辅以打印机、拷贝机等外部设备组成。它是人 机的界面，因此，它的质量与操作的效果有直接关系。操作管理级的功能如下： ( 1 ) 数据显示和记录； ( 2 ) 过程操作； ( 3 ) 数据存储和压缩归档： ( 4 ) 报警、事件的诊断和处理： ( 5 ) 系统组态、维护和优化处理； ( 6 ) 数据通信； ( 7 ) 报表打印： ( 8 ) 简单的优化计算； 随着生产规模的进一步扩大，用户对系统提出了信息集成与统一调度管理的要求。为此， 分布式控制系统向上需要扩展出全厂优化和调度管理级。全厂的优化和调度管理是从系统观 点出发，从原料到产品销售、从订货、库存到交货、生产计划，进行一系列的优化协调，使 成本下降、产量和质量提高。它的的功能主要是：优化控制：协调和调度各车间生产计划和 各部门的关系；主要数据的显示、存储和打印； 1 3 3 通信系统 分散过程控制装置与操作管理装置之间需要有一个桥梁来完成数据之间的传递和交换。 这就是通信系统。通信系统用于数据通信。这里的通信系统指各级的计算机、微处理器与外 部的设备通信、级与级之间的通信。讨通信系统的要求除了传输速率、误码率等外，主要 是开放性和互操作性：系统的所谓开放性，就是本系统允许与其他厂商的产品能通信。这 要求通信有一个统一的标准、协议。各厂商的产品的通信也应符台统一的标准。 有些分布式控制系统产品在分散过程控制装置内又增加了现场装置级的控制装置和现 场总线的通信系统，有些分布式控制系统产品则在操作管理装置内增加了综合管理级的控制 装置和相应的通信系统这些分布式控制系统使系统的分级增加，系统的通信系统对不同的 装置有不同的要求，但是，从系统总的结构来看，还是由三大部分组成的。 1 4 分布式控制系统的特征 分布式控制系统能被广泛应用的原因是它具有优良的特性与模拟电动仪表比较，它具 有连接方便、采用软连接的方法连接容易更改、显示方式灵活、显示内容多样、数据存储量 7 东南大学硕士学位论文 大等优点与计算机集中控制系统比较，它具有操作监督方便、危险分散、功能分散等优点 因此，在各行各业各个领域得到了应用。 1 4 1 分散控制 分散控制是分布式控制系统的最重要的特点，分散是针对集中而言自钆在计算机控制系 统的应用初期，控制系统是集中式的，即一个计算机完成全部的操作监督和过程的控制。 国外对分布式控制系统常称为分散控制系统，即d c s 。其原因是把分散控制放在十分 重要的位置。分散的含义不单是分散控制，它还包含了人员分散、地域分散、功能分散、危 险分散、设备分散及操作分散等意义。分散的目的是为了使危险分散，同时提高设备的可利 用率。 集中式的计算机控制系统是在中央控制室集中控制的基础上发展而著毛在中央控制室。 各种过程的参数经检测、变送集中送到中央控制室，并在控制室的仪表盘上显示或记录对 要调节的参数则通过控制器的运算，输出信号到相应的执行机构。操作人员在中央控制室通 过仪表盘上的仪表来监视和操作。这种集中控制的方式大大方便了操作，对过程参数的信息 管理也有较好的效果。 计算机的出现使人们自然而然地把它应用到过程的控制领域，集中控制式的计算机控制 系统因此而产生。由于在一台计算机上把所有的过程信息的显示、记录、运算、转换等功能 集中在一起，也产生了一系列的问题。首先是一旦计算机发生故障，将造成过程操作的全线 瘫痪，为此，危险分散的想法就提了出来，冗余的概念也产生了。但是，要采用一个同样的 计算机控制系统作为原系统的后备，无论从经济上还是从技术上都是行不通的。对计算机功 能的分析表明，在过程控制级进行分散，把过程控制与操作管理进行分散是可能的和可行盹 随着生产过程规模的不断扩大，设备的安装位置也越来越分散，把大范围内的各种过程 参数集中到一个中央控制室变得不经济，而且操作也不方便。因此，地域的分散和人员的分 散也提了出来。而人员的分散还与大规模生产过程的管理有着密切的关系。地域的分散和人 员的分散也要求计算机控制系统与其相适应在集中控制的计算机系统中，为了操作的方便， 需要有几个操作用的显示屏，寤个操作人员在各自的操作屏进行操作，由于在同一个计算机 系统内运行，系统的中断优先级、分时操作等的要求也较高，系统还会出现因多个用户的中 断而造成计算机的死机操作的分散和多用户多进程的计算机操作系统的要求也提了出来。 通过分析和比较，便可以认识到分散控制结构是针对集中控制可靠性差的缺点而提出 的。分散的含义中最重要的是功能的分散与负荷的分散。其中功能的分散是指按纵向分散， 则可以分为直接控制、优化控制、自学习和自适应控制和自组织控制。按类型分散，则可以 分为常规控制、顺序控制和批量控制。在分布式控制系统中，考虑到分散的功能之问应尽可 能有较少的关联，尤其是在时问节拍上的关联应越少越好。因此，通常采用的功能分散是： 具有人机接n 功能的集中操作站与具有过程接口功能的过程控制装置的分散；过程控制装置 中控制功能的分散：按装置或设备进行的功能分配以及全局控制和个别控制之问的分散等。 所以，分布式控制系统的分级是以功能分散为依据的。而分布式控制系统中的负荷分散不是 由于负荷能力不够而进行负荷分散。主要目的是把危险分散。通过负荷分散，使一个控制处 理装置发生故障时的危险影响减至尽可能小的地步。当控制回路之间的关联较弱时，可以通 过减少控制处理装置处理的回路数达到危险分散的目的。 综上所述，分散是分布式控制系统的最重要的特征。但是要注意分散控制结构是以良好 的通信系统为基础的。过分的分散，使系统的通信量增大，响应速度下降。过分的集中使微 处理器受能力的限制来不及及时处理所有信息，造成响应时间加长。所以，综合考虑系统的 快速性、经济性等因素，分布式控制系统应处于适当的分散状态一般分为三到四层。 8 第一章分布式控制系统与组态软件 i 4 2 分级第阶控制 分布式控制系统是由相互关联的子系统组成，它们器自的特性以及它们之间的关联决定 了分布式控制系统的特性。各子系统进行规划后，形成金字塔式的结构。同一级的各决策子 系统可同时对下级施加作用同时x 受上级的干预。子系统可通过上级互相交换信息。因此， 分布式控制系统具有递阶控制结构。 分布式控制系统是分级递阶控制系统，它在垂直方向或水平方向都是分级的。最简单的 分布式控制系统至少在垂直方向分为二级，即操作管理级和过程控制级。在水平方向上各个 过程控制级之间是相互协调的分级，它们把数据向上送达操作管理级，同时接收操作管理级 的指令。各个水平分级问相互也进行数据的交换，这样的系统是分级的递阶系统。分布式控 制系统的规模越大，系统的垂直和水平分级的范围也越广。 分级递阶系统的优点是各个分级具有各自的分工范围，相互之间有协调，通常，这种协 调是通过上一分级来完成自钆上下各分级的关系通常是下面的分级把该级及它下层的分级数 据送到上一级，由上一级根据生产的要求进行协调并给出相应的指令即数据，通过数据的 通信系统，把数据送到下层的有关分级。在分布式控制系统中，过程控制级采集过程的各种 数据信息，把它们转换成数字量。这些数据经过计算获得作用到执行机构的数据输出量，然 后，经转换成为执行机构的输入信号，送到执行机构去。可以看到，在分布式控制系统中， 各个分级有各自的功能，完成各自的操作。它们之间既有分工又有联系，在各自的工作中完 成各自的任务，同时它们相互协调，相互制约，使整个系统在优化的操作条件下运行。 由于分布式控制系统需要处理复杂的工业生产过程，它的决策不仅需要各子系统的决 策- 还需要上级的协调来实现全局的优化，这也说明分布式控制系统必须采用递阶控制结 构。所以，从系统的构成来看，分级递阶是它的基本特征。 1 4 3 自治与协调性 分布式控制系统的各组成部分是各自为政的自治系统，它们各自完成各自的功能，相互 问又有联系，数据信息相互交换，各种条件相互制约，在系统的协调下工作。 在分布式黼i 系统中t 分散过程控制装置是一个自治的系统，它完成数据的采集、信号 处理、计算及数据输出等功能。操作管理装置完成数据的显示、操作监视和操级信号的发送 等功能。通信系统则完成操作管理装置与分散过程控制装置问的数据通信。分布式控制系统 的各部分是各自独立的自治系统，但是，在系统中它们又是互相协调工作的 由于整个系统是一个相互协调的系统，因此，虽然各个组成部分是自治的，但是，任 何一个部分的故障也会对其他部分有影响，例如，操作管理装置的故障将使操作人员无法知 道过程的运行情况；通信系统的故障会使数据传送出错：过程控制装置的故障使系统无法正 常工作应该指出不同部件的故障对整个系统影响的大小是不同的，为此，在分布式控制 系统的选型和系统配置时应考虑重要的部位设置较高可靠性的部件或有必要的冗余措施等。 分散的基础是被分散的系统应是自治的系统。递阶分级的基础是被分级的系统是相互 协调的系统。 在分布式控制系统中，分散的内涵是十分广泛的。分散数据库、分散控制功能、分散数 据显示、分散通信、分散供电、分散负荷等，它们的分散是相互坍调的分散，因此，在分散 中有集中的数据管理、集中的控制目标、集中的显示屏幕、集中的通信管理等等，为分散作 协调和管理各个分散的自治系统是在统一集中管理和协调下各自分散工作的 9 1 4 4 开放性 分布式控制系统发展到第三代时，系统网络通信功能得到极大地增强，各不同制造厂商 的产品能进行数据通信，这说明此时的系统具有开放性。 开放系统是第三代分布式控制系统的主要特t 畦开放系统是以规范化与实际存在的接口 标准为依据而建立的计算机系统、网络系统及相关的通信系统，这些标准可为各种应用系统 的标准平台提供软件的可移植性、系统的互操作性、信息资源管理的灵活性和更大的可选择 性。所以开放性是第三代分布式控制系统的标志。 开放系统的基本特征如下： ( 1 ) 可移植性 第三方的应用软件能很方便地在系统所提供的平台上运行，有时可能有小的 修改，但从系统的应用来看，各个制造厂分布式控制系统的软件有了可相互移植 的可能。但是，软件的可移植性也带来了安全性的问题，为此，应有相应的安全 措施可移植性能保护用户的已有资源，减少应用开发、维护和人员培训的费用。 可移植性包括程序可移植性、数据可移植性。 ( 2 ) 互操作性 开放系统的互操作性指不同的计算机系统与通信网能互相连接起来；通过互 连，能正确有效地进行数据的互通；并在数据互通的基础上协同工作，共享资源， 完成应用的功能。网络上的各个节点，例如，操作监视站、分散过程控制站等。 由于网络的连接，使得在网络上其他节点的数据、资源和处理能力等被它所应 用。分布式控制系统在现场总线标准化后，将使符合标准的各种检测、变送和执 行机构的产品可以互换或替换，而不必考虑该产品是否是原制造厂的产凰可见， 互操作性是开放系统的极重要的特征。 ( 3 ) 可适宜性 系统对计算机的运行要求变得更为宽松，在某些较低级别的系统中能运行 的应用软件也能在高级别的系统中运行，反之，系统软件版本高的能适用于版 本低的系统。 ( 4 ) 产品的可选择性 控制系统的用户可对产品进行广泛地选择，而不必考虑所购买的产品能不 能用在已购的系统上。由于各制造厂的产品具有统一的通信标准，因此，对用 户来说选择产品的灵活性得到增强。 为了实现系统的开放，对系统的通信系统也有了更进一步的要求，即通信系统应符合统 一的通信协议。各有关组织己提供了几个符台标准模型的国际通信标准，例如，m a p 制造自 动化协议、i e e e s 0 2 通信协议等，在分布式控制系统中已得到了应用。 1 5 组态软件 组态软件作