（农业电气化与自动化专业论文）基于集散控制系统的模糊变结构控制研究.pdf

独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年月 日 a 基于集散控制系统的模糊变结构控制研究 s t u d yo nf u z z yl o g i cv a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o lb a s e do n d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 姓 2 0 0 4 年4 月 叮 胛 0胁1删8 舢1 肿y - f 江苏大学硕士学位论文 摘要 本文首先介绍集散控制系统的特点、研究现状及发展趋势。 接着介绍一种小型集散控制系统的构建和组成。控制对象是新奥托公司的e f p t 一1 型过程控制装置。在监控层，采用i n t e l l u t i o n 公司的i f i x 2 6 作为组态软件，并进行 初步的组态开发，实现上位机的监控功能和数据采集功能以及友好的人机界面功能：在 现场控制层，采用h o n e y w e l1 公司的通用多回路控制器u m c 8 0 0 作为过程硬件，实现对 过程信号的采集和处理。 上位机与u m c 8 0 0 之间采用m o d b u s 通信协议实现串行通信。 用机理演绎和实验辨识相结合的方法建立控制对象的数学模型。 最后研究一种新型模糊变结构控制器。变结构控制是一种能用来实现线性和非线性 系统鲁棒控制的方法。由于变结构系统中的滑动模态具有不变性，同时有对所控对象模 型精度要求较低等优点而受到普遍关注。但是变结构控制中的抖振极大地阻碍其在生产 实际中的应用。在分析对角形模糊控制器和变结构控制器的相似性基础上，本文提出一 种新型模糊变结构控制器。仿真和实验结果表明该算法响应时间短、超调小，并且有效 地削弱了抖振，取得了满意的控制效果。 关键词：集散控制系统；变结构控制；抖振；模糊控制：u m c 8 0 0 ；i f i x 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r , r e s e a r c h i n gs i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n t a ld i r e c t i o no f d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) f i r s t t h e nt h ec o n s t r u c t i o na n dc o n s t i t u t eo fas m a l ld c sa r ei n t r o d u c e d t h ec o n t r o lo b j e c ti s p r o c e s sc o n t r o le q u i p m e n te f p t - - 1o fn e w a u t oc o r p o r a t i o n i nt h es u p e r v i s o ra n dc o n t r o l l a y e r , w i t ht h eh e l po fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei f i x 2 6d e v e l o p e db yi n t e l l u t i o nc o r p o r a t i o n ， e l e m e n t a r yc o n f i g u r a t i o nd e v e l o p m e n ti sd o n e ，a n dt h ef u n c t i o no fs u p e r v i s o ra n dc o n t r o l ， d a t aa c q u i s i t i o n ，a n dh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ei si m p l e m e n t e di nt h eu p p e r c o m p u t e r s i nt h e f i e l dc o n t r o ll a y e lt h ea c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n go fp r o c e s ss i g n a li s i m p l e m e n t e du s i n g u m c 8 0 0 ，w h i c hi st h eu n i v e r s a lm u l t i - l o o pc o n t r o l l e ro fh o n e y w e l lc o r p o r a t i o n m o d b u sc o m m u n i c a t i o ns p e c i f i c a t i o ni sa d o p t e di nt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n t h eu p p e r c o m p u t e r sa n du m c 8 0 0 t h em a t h e m a t i c a lm o d e li ss e tu pb ym e a n so fac o m b i n a t i o no fm e c h a n i s md e d u c t i o n a n de x p e r i m e n t a ld i s c e r n an e wt y p eo ff u z z yl o g i cv a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l l e r ( f l v s c ) i ss t u d i e df i n a l l y v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l ( v sc ) i so n eo ft h er o b u s t i v em e t h o d si nl i n e a ra n dn o n l i n e a r s y s t e mc o n t r 0 1 b e c a u s eo ft h ei n v a r i a b i l i t yo ft h es l i d i n g - m o d e li nv s cs y s t e ma n di t sl e s s r e q u i r e m e n t so nt h ea c c u r a c yo fc o n t r o l l e do b j e c tm o d e l s ，v s ci sp a i dm u c ha t t e n t i o nt o b u t t h e c h a t t e ri nv s ch i n d e r si t sa p p l i c a t i o ni n t op r o d u c t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e r e s e m b l a n c eb e t w e e nt h ed i a g o n a l - t y p ef u z z yc o n t r o la n dv s c ，t h ep a p e rd e r i v e san e w t y p e o ff u z z yl o g i cv a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l l e r a st h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s i n d i c a t e ，f l v s ch a ss h o r t e rr e s p o n s et i m ea n dl e s so v e r s h o o t ，a n dr e d u c e st h ec h a t t e r e f f e c t i v e l y , w h i c hi ss a t i s f a c t o r y k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l ， c h a t t e r i n g ，f u z z yl o g i cc o n t r o l ，u m c 8 0 0 ，i f i x u - ， i 江苏大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 集散控制系统概述1 1 2 国内外研究现状及发展趋势2 1 3 研究的目的和意义4 1 4 主要研究内容及系统体系结构4 1 。5 本章小结5 第2 章集散控制系统的设计与实现6 2 1 概述6 2 1 1d c s 的系统网络6 2 1 2 现场i o 控制站7 2 1 3 操作员站7 2 1 4 工程师站7 2 1 5d c s 的结构框图8 2 2 过程监控层9 2 2 1 概述9 2 2 2 监控组念软件及其发展9 2 2 2 1 组态软件的特点1 0 2 2 2 2 组态软件的系统构成10 2 2 2 3 监控组态软件的发展13 2 2 3 组态软件i f i x 简介1 4 2 2 3 1ifix 的基本结构1 4 2 2 3 2ifix 的人机接口16 2 2 3 3i n t e i i u t i o n 工作平台1 6 2 2 4 系统监控层的设计实现1 8 2 2 4 1 系统画面的设计1 8 2 2 4 2 系统过程数据库的创建和管理2 0 2 2 4 3 报警功能2 2 2 2 4 4 历史趋势_ 2 3 2 2 4 5 报表2 4 2 2 4 6 控制方案显示、控制操作2 5 2 3 现场控制层2 6 2 3 1 概j 签：2 6 2 3 2u m c 8 0 0 通用多回路控制器2 7 2 3 2 1 操作界面2 8 2 3 2 2c o n t r olb ui id e r 组态2 8 2 3 3 现场控制层的实现3 0 2 4 本章小结3 2 第3 章系统串行数据通信3 3 3 1 引。言3 3 3 2m o d b u s 通信协议3 3 3 2 1m o d b u s 通信协议概述3 3 江苏大学硕士学位论文 3 2 2m o d b u sr t u 信息格式3 4 3 3 通讯数据的寄存器地址3 4 3 4m o d b u s 的通讯过程3 5 3 5 系统通信的实现3 6 3 6 本章小结3 9 第4 章被控对象数学模型的建立4 0 4 1 数学模型的作用与要求4 0 4 2 建立被控对象数学模型的途径4 0 4 2 1 用机理演绎法建立被控对象的数学模型4 0 4 2 2 用试验辨识方法求取被控对象的数学模型4 l 4 2 3 用机理演绎与实验辨识相结合的方法建立数学模型4 1 4 3 锅炉串联水槽数学模型的建立4 2 4 3 1 推导模型数学表达式4 2 4 3 2 实验及数据处理4 3 4 4 本章小结4 5 第5 章模糊变结构控制器的设计4 6 5 1 变结构控制概述4 6 5 1 1 变结构控制的发展及其特点4 6 5 1 2 变结构控制系统的一般设计方法4 7 5 1 3 变结构控制系统中的抖振问题4 8 5 1 4 轨迹跟踪变结构控制器设计：51 5 2 模糊变结构控制器的设计5 2 5 2 1 模糊逻辑及对角形模糊控制器5 2 5 2 1 1 模糊逻辑与模糊控制系统5 2 5 2 1 2 对角形模糊控制器5 3 5 2 2 对角形f l c 和变结构控制的相似性5 5 5 2 3 模糊集合的划分与模糊规则的确定5 6 5 2 4 模糊控制器输入输出空l 日j 的自动调整5 7 5 2 5 双容系统的模糊变结构控制仿真结果及分析5 8 5 2 5 1 模糊变结构控制器的仿真5 8 5 2 5 2 模糊变结构控制器仿真结果分析6 2 5 2 6 新型模糊变结构控制与常规变结构控制比较6 3 5 2 7 模糊变结构控制与其它控制方法的相似之处6 4 5 2 8 新型模糊变结构控制器的特点6 5 5 3f l v s c 在ifix 中的实现6 5 5 4 本章小结6 9 第6 章全文总结7 0 参考文献7 1 致谢7 3 在学期间发表的论文7 4 i v ，l 江苏大学硕士学位论文 1 1 集散控制系统概述 第1 章绪论 随着控制、计算机、通信和网络等技术的发展，当今的工业生产对工业控制过程的 要求越来越高，也越来越复杂。随着要求的提高和复杂性的增加，各种控制产品和各种 相关设备也必然会相应的增加。另外，各个现场局部彼此之间往往又相距一定距离( 有 时各个i o 点之间相距非常遥远) ，所以对整个系统的硬件和软件的维护就成为一件非 常困难和重要的工作。 在这种情况下，诞生了当今世界上最为流行的控制模式一一集散控制系统 ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，也称分布式控制系统) 【l 】【2 1 ，即集中管理，分散控制。其 原理是将计算机技术、控制理论、通信技术、隔离技术、输入输出技术和管理体制等有 机结合的基础上，将控制任务转交给各个局部微计算机，使分散在各个局部的微计算机 分别成为一个独立的智能控制器( 智能前端) ，根据需要完成其独特的控制功能。 集散控制系统是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统和 集中式数字控制系统后的新一代控制系统u j 。在过程控制中，它可以使用多台计算机共 同完成所有过程量的实时数据管理，采用计算机网络解决系统的扩充与升级，网络中的 各台计算机处于平等地位，在运行中相互之间的依赖性不强，从而提高了系统的可靠性。 它既有计算机系统控制算法先进、精度高、响应速度快的优点，又有仪表控制系统安全 可靠和维护方便的优点，其主要特点是【4 】【5 】【6 j ： 1 采用分布式控制 以微处理器为核心的基本控制器，不但能代替模拟仪表完成常规的过程控制，并且 能进行复杂算法运算和顺序控制。这种基本控制器，采用固化的应用软件，在现场对输 入、输出数据进行处理，减少了信息传输量，降低了对上级计算机的要求，使系统的应 用程序较为简单。 2 采用物理上分散的结构 在现场就地安装的基本控制器，不但节省了电缆，同时减少了传输线路对信号的干 扰，缩短了控制回路，加快了反应速度。以微型机为核心的基本控制器的可靠性，一般 要比小、中型工业控制机高，并且每台基本控制器只控制少量的回路，即使发生故障， 江苏大学硕士学位论文 影响面也比较小，因而从根本上改善了系统的可靠性。 3 采用数据高速通道实现通信 数据高速通道促进了现代分时通信技术的发展，实现了综合控制。通过高速数据通 道，能将基本控制器和其他一些具有通信接口的设备( 如：数据采集器、模拟调节器和 逻辑控制箱等) 与监控计算机联系起来，进行协调控制。并且，利用监控计算机的运算 能力，完成高级控制算法的运算，以实现整体的最优运行控制。采用数据高速通道作为 通信系统，不但大大减少了系统布线，节省工程费用，而且使系统扩展容易，便于用户 分期投资、逐步扩建。 4 采用管理计算机实现整个生产过程的最优控制 管理计算机通过高速数据通道，直接与过程相连接，完成生产计划、管理、决策的 最优化，从而实现了整个生产过程的最优化自动控制。 由上述可见，集散控制系统的物理构成主要由基本控制器、通讯网络、管理计算机 等组成。其中，以基本控制器带微处理器、可编程和可连网通讯为主要特征。基本控制 器是构成集散控制系统的基本要素。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 集散控制系统是本世纪7 0 年代中期在国际上发展起来的，是计算机技术 ( c o m p u t e r ) 、通信技术( c o m m u n i c a t i o n ) 、控制技术( c o n t r 0 1 ) 、屏幕显示技术( c r t ) 发展的必然产物。 自1 9 7 5 年美国h o n e y w e l l 公司首先推出t d c 一2 0 0 0 以来的2 7 年间，d c s 大 体上经历了初创、成熟、扩充、通用集成四个发展时期【j ： ( 1 ) 7 0 年代中期至8 0 年代初期：d c s 初创期。其代表产品有h o n i e y w e l l 公 司的t d c 一2 0 0 0 ；横河公司的c e n t u m 等； ( 2 ) 8 0 年代初期至8 0 年代中期：d c s 成熟期，这一时期d c s 的代表产品有： h o n e y w e l l 公司的t d c 一3 0 0 0 ：横河公司的c e n t u m x l ：日立公司的e x 一1 0 0 0 ； 东芝公司的t o s d i c a s ；西门子公司的t e l e p e r m m ；李诺公司的m a x l ：西 屋公司的w d p f 。进入8 0 年代，由于1 6 位、3 2 位微机技术的成熟，尤其是局域网络技 术进入d c s ，使d c s 发展进入成熟期； ( 3 ) 8 0 年代后期至9 0 年代初期：d c s 的扩充期，其代表产品有：f o x b o r o 2 江苏大学硕士学位论文 的i aseries；honeywell的tdc3000l c nu c n p m 3 0 0 ： ( 4 ) 9 0 年代中、后期：d c s 的通用集成期，新一代d c s 系统的操作员站和一般 p c 计算机没有任何区别，使用普通的键盘和鼠标操作，组态和操作都在w i n d o w s 平 台上进行，这种趋势对于推广、普及d c s ，减少控制系统的成本有着重要的意义。但是， 必须经过系统配置、组态等系统集成。这一代d c s 操作员站以p c 机为基础，采用标准 数据通信规程，其体系结构为典型的集中分散型。代表产品有：美国o p t 0 2 2 公司的 m i s t i c 2 0 0 和美国m o o r e 公司的a p a c s 系统。 随着计算机技术和网络通信技术的发展，特别是d c s 在工业现场应用的深入及所 取得的巨大经济与管理效益，一方面人们对d c s 的信任感增加；另一方面，也对控制 系统提出了更高的期望和要求。这主要表现在：希望实现各控制系统及设备的信息共享： 各控制设备能进行互换和互操作；在控制室对控制系统及现场设备进行检验、诊断和调 整等操作；大幅度减少控制信号电缆，以便节省投资和安装维护费用：进一步提高系统 的智能化、可靠性、可维护性及性能价格比等。 所有这些都有效地刺激了d c s 的改进和发展，如：采用开放系统互连参考模型改造控 制局域网、提供网络连接标准接口( 网桥、网关及p c 总线接口等) 、在工作站或主模件上 提供r s 一2 3 2 瓜s 4 2 2 r s 4 8 5 标准接口等等，实现网络互连和信息交换。这些努力在 一定程度和范围内起了很好的作用，同时使得d c s 出现了一此- - - 磐 j y l 的。1j 姥1 * j g j 正l 【8 】【9 】【l o 】【1 1 】【12 1 ： ( 1 ) 完备的开放系统。d c s 系统具有标准化的网络和数据库保证高层互联并采用 通用的设备和成熟的软件，与智能仪表和p l c 相连； ( 2 ) 采用先进的计算机技术。高性能的微处理器已经大量应用到d c s 系中； ( 3 ) d c s 系统具有综合性和专业性。过去的d c s 系统最多为用户提供一个控制系 统平台，用户可以通过组态实现过程控制功能。当今的d c s 系统几乎都增加了综合管 理功能，大多采用w i n d o w s n t 操作平台以实现全厂综合自动化。目前在火电厂广泛 应用的几大d c s ，如i n f i 9 0 、m a x 3 0 0 0 以及最近西屋公司推出的o v t i o n 系统等， 都已经采用了n t 操作平台； ( 4 ) d c s 不断提高自己向下接口的能力。多数d c s 提供与各种标准的智能仪表通 讯( 如现场总线等) 和通用p l c 的通信接口： ( 5 ) d c s 目前有两种发展趋势，一种是大型的c i m s ( 计算机集成制造系统) ；另外 一种是小型的f c s ( 现场总线) 。 江苏大学硕士学位论文 1 3 研究的目的和意义 由于集散控制系统适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化方向的发展，它一 经推出就成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普遍关注。在今后的几十年内 仍将影响自动化仪表和自动化技术的发展。 目前在绝大多数的中小型集散系统中都是采用如p i d 等常规的控制方法，这些方法 在对象参数大范围变化时，控制效果是无法保证的。同时随着社会生产的发展，人们对 被控量的精度要求越来越高，对系统的性能要求也越来越高，常规的控制方法越来越难 以满足这些要求。本文基于e f p t 一1 型过程控制对象，集成并实现了集散控制系统， 实现了系统组态。在此基础上，针对典型的过程控制双容容器液位控制，设计了一种模 糊变结构控制算法。仿真及实验结果表明，该方法不仅实现简单，而且系统性能优良， 具有强的鲁棒性，取得了较为满意的控制效果。把变结构控制理论运用到生产实际中， 本课题做了有益的尝试。 1 4 主要研究内容及系统体系结构 本系统采用过程监控层和现场控制层的两级结构。上位机采用研华工业控制计算机 并配以i n t e l l u t i o n 公司的i f i x 组态软件，下位机采用霍尼威尔公司生产的u m c s 0 0 。系 统结构图如图1 1 所示： 图1 i 系统体系结构 4 江苏大学硕士学位论文 主要研究内容包括以下几个方面： 1 过程监控层的建立 利用组态软件在集散控制系统的上位机上进行组态开发，实现上位机的监控功能和 数据采集功能以及友好的人机界面。 2 现场控制层的建立 采用h o n e y w e l l 公司的通用多回路控制器u m c 8 0 0 作为过程硬件实现对多路过程信号 的采集和处理。 3 数据通信 研究有关通信协议和标准，实现过程监控层和现场控制的数据通信。 4 系统数学模型的建立 根据对象的实际机理，推导出被控对象( 新奥托公司的e f p t 一1 型过程控制装置的锅 炉串连水箱液位控制) 的数学模型表达式，通过实验测定参数，建立对象的数学模型。 5 控制算法研究 首先设计了变结构控制算法，然后针对其抖振问题，结合模糊控制设计了一种新型 模糊变结构控制器( f l v s c ) ，既保持了滑模运动，改善了控制量，又削弱了抖振现象。 1 5 本章小结 本章首先论述了集散控制系统的特点、研究现状和发展趋势，然后阐述了进行本课 题研究的意义和目的，最后介绍了主要研究内容。 江苏大学硕士学位论文 2 1 概述 第2 章集散控制系统的设计与实现 集散控制系统是当今自动化领域的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。 d c s 自7 0 年代问世以来，很多公司各自推出了不同设计、风格各异的d c s ，即使是同 一厂家，其早期产品和近期产品也有不少的差异。但是，尽管种种d c s 千差万别，其 核心结构却基本上是一致的，可以简单地将其归纳为“三点一线式的结构。“一线” 是指d c s 的骨架计算机网络，“三点”则是指连接在网络上的三种不同类型的节点。这 三种不同类型的节点是：面向被控过程现场的现场i o 控制站：面向操作人员的操作 站；面向d c s 监督管理人员的工程师站。 一般情况下，一个d c s 中只需配备一台工程师站，而现场i o 控制站和操作员站的 数量则需要根据实际要求配置。这三种节点通过系统网络互相连接并互相交换信息，协 调各方面的工作，共同完成d c s 的整体功能l i 川。 2 1 1d o s 的系统网络 用于d c s 的计算机网络在很多方面的要求不同于通用的计算机网络，因为它是一个 实时网络，也就是说，网络需要根据现场通信实时性的要求，在确定的时限内完成信息 的传送。这里所说的“确定 的时限，是指无论在何种情况下，信息传送都能在这个时 限内完成，而这个时限则是根据被控制过程的实时性要求确定的。根据网络的拓扑结构， 大致可以分为星形、总线形和环型三种。 星形网由于其必须设置一中央节点，各个节点之间的通信必须经由中央节点进行， 这种变相的集中系统不符合d c s 的设计原则，因此星形网基本上不被各d c s 厂家采用。 另外两种拓扑结构都存在着一个问题，就是共用传输介质，这是影响网络传输实时性 的关键。为了实现传输介质共享，对于多个节点传送信息的请求必须采用分时的方法， 以避免信息在网络上的碰撞。目前各种网络解决碰撞的技术不外两种，一种是以令牌的 方式划分各个节点的时间片，使每一瞬间只有一个节点使用物理传输介质，即所谓t o k e n r i n g ( 对于环形网) 或t o k e np a s s i n g ( 对总线形网) 方式。另一种解决碰撞的技术是载 波侦听与碰撞检测技术，即c s m a c d 方式，这种方式不规定时间片，需要使用网络的 节点首先需要对网络线进行侦听，测试网络是否忙，如果忙就等待，直到网络空闲。如 江苏大学硕士学位论文 果两个节点同时向网络发送数据，就会造成两个节点的数据传送同时出错的情况，这时， 各个需要使用网络的节点就需要延迟一个随机的时间，然后再去试图占用网络。这种网 络运行机制并不具备“在确定时限内完成信息传送 的特点，因此在d c s 中很少用 c s m a c d 方式的网络作为s n e t 而多采用t o k e n 方式的网络。但是在更高一层的管 理网络中，c s m a c d 方式的网络使用比较普通，这是由于当网络上节点较多时，t o k e n 方式的网络开销比较大，使得网络节点的增加受到一定限制，同时在传送数据包的长度 较大时，t o k e n 网完成一次传送的时间会拉得报长，而在高层管理网中往往节点数量 较多，被传送的数据包较大，而且在这种场合实时性的要求相对没有那么严格，主要需 考虑的是可以方便地增加实时性要求不太高的网络节点，在这些方面c s m a c d 网显然 更具有优越性。 2 1 2 现场i o 控制站 现场i o 控制站是完成对过程现场i o 处理并实现直接数字控制( d d c ) 的网络节 点。主要功能有三个：( 1 ) 将各种现场发生的过程量( 流量、压力、液位，温度、电流、 电压、功率以及各种状态等) 进行数字化，并将这些数字化后的量存在存储器中，形成 一个与现场过程量一致的、能一一对应的、并按实际运行情况实时地改变和更新的现场 过程量的实时映象；( 2 ) 将本站采集到的实时数据通过网络送到过程监控层及其它现场 i o 控制站，以便实现全系统范围内的监督和控制，同时现场控制层还可接收由过程监 控层下发的信息，以实现对现场的人工控制或对本站的参数设定；( 3 ) 在本站实现局部 自动控制、回路的计算及闭环控制、顺序控制等，这些算法一般是些经典的算法，也可 下装非标准算法、复杂算法。 2 1 3 操作员站 d c s 的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面( o io p e r a t o ri n t e r f a c e ) 功 能的网络节点，其主要功能就是为操作人员提供人机界面，使操作员可以通过操作员站 及时了解现场运行状态、各种运行参数的当前值、是否有异常情况发生等。并可通过输 入设备对工艺过程进行控制和调节，以保证生产过程的安全、可靠、高效。 2 1 4 工程师站 工程师站是对d c s 进行离线的配置、组态工作和在线系统监督、控制、维护的网络 节点。其主要功能是提供对d c s 进行组态，配置工作的工具软件( 即组态软件) ，并在 7 江苏大学硕士学位论文 d c s 在线运行时实时地监视d c s 网络上各个节点的运行情况，使系统工程师可以通过 工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定，使d c s 处在最佳工作状态。 工程师站的最主要功能是对d c s 进行离线的配置和组态工作。在d c s 进行配置和 组态之前，它对于实际应用来说是毫无意义的，只有在经过对应用过程进行了详细透彻 的分析、设计并按设计要求正确地完成了组态工作之后，d c s 才成为一个真j 下适于某个 生产过程使用的应用控制系统在d c s 工程师站中，至少应提供如下功能： 硬件配置组态功能； 数据库组态功能； 控制算法语言的组态； 操作员站显示画面的生成： 报表生成组态； 组态数据的编译和下装； 操作安全保护组态。 2 1 5d c s 的结构框图 本课题基于e f p t 一1 型过程控制对象，设计并实现了一种小型d c s ，其结构框图 如图2 1 所示。 图2 1d c s 结构框图 现代控制系统是一个开放的系统。随着综合自动化的发展，企业的经营决策、管理、 8 江苏大学硕士学位论文 计划、调度都与现场控制紧密联系在一起，为了对企业的综合信息处理，就要求将自动 控制、办公自动化、经营管理等各层次的计算机连成网络，实现信息共享。为此，d c s 的上位机预留了i n t e m e t 接口，可以根据需要接入企业的i n t r a n e t 。这罩把d c s 从功能 上简单的分成两层即现场控制层和过程监控层。下面将分别加以讨论。 2 2 过程监控层 2 2 1 概述 过程监控层主要功能一是为系统的运行操作人员提供人机界面，使操作员可以及时 了解现场运行状态，各种运行参数的当前值，是否有异常情况发生等。并可通过输入设 备对工艺过程进行控制和调节，以保证生产过程的安全、可靠、高效、高质。二是对集 散控制系统( d is t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 进行离线的配置和组态工作。在d c s 进行 配置和组态之前，只是一个硬件、软件的集合体，它对于实际应用来说是毫无意义的， 只有在经过对应用过程进行了详细透彻的分析、并按设计要求正确地完成了组态工作之 后，d c s 才成为一个适于某个生产过程使用的实际控制系统。 2 2 2 监控组态软件及其发展 在工业控制技术的不断发展和应用过程中，p c ( 包括工控机) 相比以前的专用系统 具有的优势日趋明显。这些优势主要体现在：由p c 构建的的工业控制系统具有相对较 低的拥有成本；p c 技术保持了较快的发展速度，各种相关技术己臻成熟；p c 的软件 资源和硬件资源丰富，软件之间的互操作性强；基于p c 的控制系统易于学习和使用， 可以容易地得到技术方面的支持。在p c 技术向工业控制领域的渗透中，组态软件占据 着非常特殊而且重要的地位。虽然目前国内对于组态软件还缺乏权威的定义，但可以做 一个描述性的定义：组态软件是使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控 制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的 通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。对应于原有的h m i ( 人机接口 软件，h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自 己的h m i 的软件工具，或开发环境。在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或 委托第三方编h m i 应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统， 但由于这种系统是封闭的系统，系统选择的余地小，所以往往不能满足实际工业过程的 需求，而且它很难与其它软件进行数据交互；系统的升级和增加功能也受到严重的限制。 q 江苏大学硕士学位论文 组念软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来，用户可以利用组态软件的功能方便地 构建套最适合自己的应用系统。 2 2 2 1 组态软件的特点 组态软件最突出的特点是实时多任务。例如，数据采集与输出、数据处理与算法实 - 现、图形显示及人机对话、实时数据的存储、检索管理和实时通信等多个任务要在同一。 台计算机上同时运行。 组态软件的使用者是自动化工程设计人员。组态软件的主要目的是使使用者在生成 适合自己需要的应用系统时不需要修改软件程序的源代码，因此在设计组态软件时应充 分了解自动化工程设计人员的基本需求，并加以总结提炼，重点解决共性问题。下面是 组态软件主要解决的问题： ( 1 ) 如何与采集、控制设备间进行数据交换； ( 2 ) 使来自设备的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来； ( 3 ) 处理数据报警及系统报警； ( 4 ) 存储历史数据并支持历史数据的查询： ( 5 ) 各类报表的生成和打印； ( 6 ) 为使用者提供灵活多变的组态工具，可以适应不同应用领域的需求； ( 7 ) 最终生成的应用系统运行稳定可靠； ( 8 ) 具有与第三方程序的接口，方便数据共享。 自动化工程设计技术人员在组态软件中只需要填写一些事先设计的表格，再利用图 形功能把被控对象( 如反应罐、温度计、锅炉、趋势曲线、报表等) 形象地画出来，通 过内部数据连接把被控对象的属性与i o 设备的实时数据进行逻辑连接。当由组态软件 。 生成的应用系统投入运行后，与被控对象相连的y o 设备数据发生变化会直接带动被控 对象的属性变化。若要对应用系统进行修改，也十分方便，这就是组念软件的方便性。 、 因此，组态软件具有实时多任务、接口开放、使用灵活、功能多样、运行可靠的特 点。 2 2 2 2 组态软件的系统构成 在组态软件中，通过组态生成的一个目标应用项目在计算机硬盘中占据唯一的物理 空问，可以用唯一的一个名称来标识，就被称为一个应用程序。在同一个计算机中可以 1 0 江苏大学硕士学位论文 存储多个应用程序，组态软件通过应用程序的名称来访问其组态内容，打开其组态内容 进行修改，或将其应用程序装入计算机内存投入实时运行。 组态软件的结构划分有多种标准【1 4 】【15 1 。这里以使用软件的工作阶段和软件体系的 成员构成来进行划分，讨论其体系结构。 1 以使用软件的工作阶段划分 以使用软件的工作阶段划分，也可以说是按照系统环境划分，从总体上讲，组态软 件是由系统开发环境和运行环境两大部分构成的： ( 1 ) 系统开发环境。它是自动化工程设计工程师为实施其控制方案，在组念软件 的支持下进行应用程序的系统生成工作所必须依赖的工作环境。通过建立一系列用户数 据文件，生成最终的图形目标应用系统，供系统运行环境运行时使用。系统开发环境 由若干个组态程序组成，如图形界面组态程序、实时数据库组态程序等。 ( 2 ) 系统运行环境。在系统运行环境下，目标应用程序被装入计算机内存并投入 实时运行。系统运行环境由若干个运行程序组成，如图形界面运行程序、实时数据库运 行程序等。组态软件支持在线组态技术，即在不退出系统运行环境的情况下可以直接进 入组态环境并修改组态，使修改后的组态直接生效。 2 按照成员构成划分 组态软件因为其功能强大，而每一个功能相对来说又具有一定的独立性，因此其组 成形式是一个集成软件平台，有若干程序组件构成。 组态软件必备的典型组件包括如下6 个部分： ( 1 ) 应用程序管理器。应用程序管理器是提供应用程序的搜索、备份、解压缩、 建立新应用等功能的专用管理工具。在自动化工程设计工程师应用组态软件进行工程设 计时，经常会遇到下面一些烦恼：经常要进行组态数据的备份：经常需要引用以往成功 应用项目中的部分组态成果( 如画面) ；经常需要迅速了解计算机中保存了哪些应用项 目。虽然这些要求可以用手工方式实现，但效率低下，极易出错。有了应用程序管理器 的支持，这些操作将变得非常简单。 ( 2 ) 图形界面开发程序。它是自动化工程设计工程师为实施其控制方案，在图形 编辑工具的支持下进行图形系统生成工作所依赖的开发环境。通过建立一系列用户数据 文件，生成最终的图形目标应用系统，供图形运行环境运行时使用。 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 图形界面运行程序。在系统运行环境下，图形目标应用系统被图形界面运行 程序装入计算机内存并投入实时运行。 ( 4 ) 实时数据库系统组态程序。有的组态软件只在图形开发环境中增加了简单的 数据管理功能，因而不具备完整的实时数据库系统。目前比较先进的组态软件都有独立 的实时数据库组件，以提高系统的实时性，增强处理能力。实时数据库系统组态程序是 建立实时数据库的组态工具，可以定义实时数据库的结构、数据来源、数据连接、数据 类型及相关的各种参数。 ( 5 ) 实时数据库系统运行程序。在系统运行环境下，目标实时数据库及其应用系 统被实时数据库系统运行程序装入计算机内存，并执行预定的各种数据计算、数据处理 任务。历史数据的查询、检索、报警的管理都是在实时数据库系统运行程序中完成的。 ( 6 ) 驱动程序。它是组态软件中必不可少的组成部分，用于矛 1 i o 设备通信，互相 交换数据。d d e 和o p cc l i e n t 是2 个通用的标准i o 驱动程序，用来和支持d d e 标准矛u o p c 标准的i o 设备通信。多数组态软件的d d e 驱动程序被整合在实时数据库系统或图形系统 中，而o p cc 1i e n t 贝, l j 多数单独存在。 组态软件扩展可选组件包括： ( 1 ) 通用数据库接口( o d b c 接口) 组态程序。通用数据库接口组件用来完成组态 软件的实时数据库与通用数据库( 女h o r a c l e 、s y b a s e 、f o x p r o 、d b 2 、i n f o m i x 、s q ls e r v e r 等) 的互联，实现双向数据交换。通用数据库既可以读取实时数据，又可以读取历史数 据；实时数据库也