（制冷及低温工程专业论文）dcs仿真系统控制组态软件开发.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 随着控制系统和计算机技术的发展，我国工业领域的自动化水平有了显著提高。 集散式控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，简称d c s ) 在工业的运行控制中得到广 泛应用，与之相适应，开发仿真软件来实现d c s 功能的技术不断进步。采用仿真方 式易于适应仿真机的操作方式和故障的模拟，既会缩短工期又会降低成本，还能降 低硬件维护、培训和备品备件费用。但是由于d c s 本身十分复杂，其所实现的功能 也相当多，为了实现对d c s 的逼真仿真，必须根据用户要求和d c s 制造厂家提供 的资料仿真。本文开发了一个用于过程工业领域的控制组态软件，并在习水仿真机 上进行了系统测试。 本课题主要进行的工作是功能模块的开发，主要包括控制部分的输入输出、代 数运算、逻辑运算、p i d 类模型的开发；组态软件的开发，使在w i n d o w s 平台上， 本组态软件应能够进行在线离线组态，能进行控制系统的调试和诊断，支持功能块 组态、支持全局变量，从而实现站间通信和不同画面的点与点之间的连接；管理系 统的丌发，使组态软件更具适应性和灵活性，处理数据交换、执行控制策略算法、 对实时数据库进行管理。 该软件以i a 系列d c s 为主要参照对象，它将整个系统的控制与模型本身分离 开来，其控制部分的组态在操作站管理系统进行，不用加入模型，也不用生成控制 源代码，因此很自然的就实现了在线调整、实时控制等类同于实际现场的模式。在 本课题中，采用填表的方式进行控制组态，用户只需定义f o 条件、填写具体的运 算变量名即可。本软件为建模人员提供了一个友好的用户界面，使建模人员在建模 时不必对模块内部的控制、逻辑程序有很深的了解就可以方便的对其进行编写和修 改，实时改变各逻辑和控制变量在数据库里的值，参与运行和调试，从而实现对系 统的控制。因此，本组态软件提供的这样一个平台，让控制工程师能集中精力于控 制圊路的构成，而不必拘泥于一些具体而烦琐的程序操作。 本文对传统仿真软件作出的改进，使其不仅仅可以提供给操作人员进行仿真培 训，还可以供控制人员进行一些控制的组态构建和进行控制管理人员的培训。其控 制组态的模式和现场模式保持了一致，不必在实际的d c s 控制室进行试验，减少了 投资，达到了仿真的目的。 关键词：分散式控制系统，软件，组态，仿真 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h e d e v l o p m e n t o fc o n t r o l s y s t e m a n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , d o m e s t i c a u t o m a t i z a t i o nl e v e lo fi n d u s t r yi m p r o v e sn o t a b l y d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mi sa d o p t e d w i d e l y i nr u n i n ga n dc o n t r o l l i n go fi n d u s t r i a lf i e l d , s os o f t w a r e so fs i m u l a t i n gd c s e m e r g ec o n s e q u e n t i a l l y s i m u l a t i o na d a p t s t os i m u l a t o r s o p e r a t i o n a n d h a n d l i n g m a l f u n c t i o n , a n di tc a ns h o r t e nap r o j e e l st i m ea n dr e d u c ec o s t ，b e s i d e si t c a l ld e c r e a s e s t h e e x p e n s e o nh a r d w a r e sm a i n t e n a n c ea n d t r a i n i n g b e c a u s e d c si s v e r y c o m p l e x ，s i m u l a t i o nm u s td e p e n do nm a n u f a c t u r e r s i n f o r m a t i o n i nt h i sp a p e r , t h ec o n t r o l c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei sd e v e l o p e df o rd c ss i m u l a t i o n ，a n dt h i ss o f t w a r ei st e s t e di n g u i z h o ux i s h u ip o w e rs t a t i o n ss i m u l a t o r i nt h i sp a p e r , t h em a i nc o n t e n ti n c l u d e st h r e ep a r t s f i r s t l y ，s o m ec o m p o u n d ss u c ha s i ob l o c k sa n da l g e b r a i ca n dl o g i cb l o c k sa n dp i db l o c k sa r ee x p l o i t e d s e c o n d l y , t h e s o f t w a r eo fc o n f i g u r a t i o nc o u l dc o n f i g u r a t eo n l i n eo ro f f l i n e ，a n dd e b u ga n dd i a g n o s et h e c o n t r o ls y s t e m s t h i r d l y , m a n a g e m e n ts y s t e md i s p o s e st h ee x c h a n g eo fd a t a ，a n de x e c u t e s s t r a t e g yo fc o n t r o l ，m a n a g e st h er e a l t i m ed a t a b a s e 。 t h ed c so fi as e r i e si s r e g a r d e da sm a i nr e f e r e n c eo b j e c t ，a n dt h ec o n t r o l i s s e p a r a t e df r o mm o d e l a n dt h ec o n f i g u r a t i o no fc o n t r o l i so p e r a t i s e da ta d m i n i s t r a t i o n s y s t e m ，n o tt ob ea d d e di n t om o d e l ，n o tt o b u i l dc o n t r o ls o u n dc o d ea l s o t h e r e f o r ei t r e a l i z e so n l i n ea a j u s t i n g ，r e a l t i m ec o n t r o la n ds oo n u s e r sc o n f i g u r a t eb yf i l l i n g t a b l e t h e yo n l yd e f i n e i oc o n d i t i o n ，丘l lc e r t a i no p e r a t i o nv a r i a b l e ，a n dn a m el o g i c v a r i a b l e t h es o f t w a r eo f f e r saf r i e n d l yu s e r si n t e r f a c e ，s op e r s o n n e lc a nc o m p i l ea n d m o d i f yt h ec o n t r o la n dl o g i cp r o g r a m ，c h a n g et h ev a l u eo fl o g i ca n dc o n t r o lv a r i a b l e c o n v e n i e n t l y , a t t a c ht h e m s e l v e st or n n ，d e b u ga n dc o n t r o lt h es y s t e m ，n o tn e e dt ok n o wt h e p r o g r a m sd e e p l y s ot h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eo f f e ra f i a tt h a tc o n t r o le n g i n e e r sc a l la t t e n d t oc o n t r o ll o o p ，n o tt og i v et h e i ra t t e n t i o nt ot h ec o m p l i c a t e dp r o g r a m t h es o f t w a r ei s i m p r o v e dt h a nt h e t r a d i t i o n a ls o f t w a r e i ti so f f e r e dn o to n l yt o o p e r a t o rf o rs i m u l a t i o nt r a i n i n g ，b u ta l s ot oe n g i n e e rf o rd e s i g n i n gc o n t r o lc o n f i g u r a t i o n a n dt r a i n i n gt h ec o n t r o lm a n a g e rt h ep a t t e r no fc o n t r o lc o n f i g u r a t i o na c c o r d sw i t ht h e r e a l i t y ，n o tn e e dt o t e s ti nt h e a c t u a ld c s ，a n dr e d u c e st h ei n v e s t m e n t ，s oi tg a i n st h e s i m u l a t i v ee n d s k e yw o r d ：d c s ，s o f t w a r e ，c o n f i g u r a t i o n ，s i m u l a t i o n 重庆大学硕士学位论文1 文献综述及课题背景 1 文献综述及课题背景 1 1d c s 控制系统 1 1 1d c s 郇j 概念及组成 集散控制系统全称叫集中分散控制系统，简称d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 。 我国习惯上称之集散系统或d c s 。集散控制系统是集计算机技术、控制技术、网络 技术和c r t 显示技术为一体的高新技术产品。其实质是利用计算机技术对生产过程 进行集中监视、操作、管理和分散控制。它采用分散递阶结构，体现了集中管理、 分散控制的思想，实现了系统的功能分散、危险分散，具有控制功能强、操作简便 和可靠性高等特点。它可以方便地用于工业装置的生产控制和经营管理，在化工、 电力、冶金等流程自动化领域的应用【1 i 已经十分普及。它既不同于分散的仪表控制 系统，又不同于集中式计算机控制系统。它是吸收了两者的优点，在计算机技术、 信号处理技术、测量控制技术、网络通信技术和人机接口技术的基础上发展起来的 一门系统工程技术【2 i 。 这种系统将计算机技术引入到过程控制系统中，利用单元组合仪表及计算机系 统的优点，用软件组成各种功能模件，并用c r t 显示温度、压力、液位、流量、成 分等过程参数，通讯网络把二者连成一个系统。因此，d c s 的一个显著特点是各工 艺现场由现场控制站进行分散控制，各个分散控制得到的信息由管理站集中管理， 同时根据生产工艺要求管理站进行集中控制，即信息和操作管理集中化雨控制分散 化，集中就是指管理、操作、监视三方面，分散是指功能分散、负荷分散。 d c s 的结构是一个分布式系统，从整体逻辑结构上讲是一分支树结构如图1 1 ， 与工业生产过程的行政管理结构相一致。按系统结构进行垂直分解，分为过程控制 绒、控制管理级和生产管理级，各级相互独立又相互联系，每级按水平分解成若干 子集。从功能分散看，纵向分散意味着不同级设备不同功能，横向分散则同级设备 设备类似功能。 硬件方面，集散控制系统由集中管理、分散控制监控和通信三大部分组成，并 以实现集中管理和分散控制为目标。d c s 硬件系统是用网络系统将不同数目的现场 控制站、操作员站和工程师站连接起来，实现采集、控制、显示、操作和管理功能。 集中管理部分分为工程师站、操作站和管理计算机( 上位机) 。工程师站负责系 统的管理、控制组态、系统生成与下装。操作站是人机接口，由微处理器、c r t 键 盘和打印枫等组成，用于生产工艺的控制操作、过程状态显示、报警状态显示以及 实时数据和历史数据显示打印等。管理计算机用于全系统的信息管理和优化控制， 重庆大学硕士学位论文1 文献综述及课题背景 实现生产调度管理、优化计算、生产经营管理与决策等层次的管理计算。 il 管理计算机( 上位机) ：信息管理和优化控制 d c s 硬件j d c 8 ji 通信鼢连接麟蚤分布粉完成数据、指令及其它信息的传递 ld c s 软件：由实时多任务操作系统、数据库管理系统、数据通信软件、组态软件和各 1 1 2d c s 控制系统的发展 集散型控制系统的开创期始于7 0 年代中期，在此期间各国相继推出了自己的第 重庆大学硕士学位论文1 文献综述及课题背景 一代集散型控制系统，如美国f o x b o r o 公司的s p e c t r u m 系统，h o n e y w e l l 公司的 t d c 2 0 0 0 等。其基本结构是c r t 操作站、监控计算机、现场控制站、过程监测站 靠数据公路连接起来，这一时期的产品技术上存在明显的局限性。 8 0 年代中后期是集散型控制系统不断成长与完善时期。这一时期，集散型控制 系统经历了两代产品。第一代d c s 刚被第二代产品所代替，紧接着又推出了第三代 产品。今天几乎世界上著名的d c s 厂家都有了自己的第三代产品。其特点是实现开 放式的系统通信；控制站使用3 2 位微处理器；操作站采用3 2 位高档微计算机，增 强图形显示功能；过程控制组态采用c a d 方法，并引入专家系统，实现自整定功 能：与主计算机相连，构成信息管理系统。 九十年代d c s 的计算机应用虽然还落后于计算机技术的发展，但是它还是尽量 采用计算机技术的最新成果。由于分布式控制系统的分散结构的思想替代了微机集 中控制，使得系统的可靠性得以极大的提高：高性能的微机处理能力使系统的功能 远远超过了以往任何自动化仪表；高效的通讯系统和c r t 显示技术1 3 1 ，为系统资源 的共享和集中管理，方便而丰富的人机联系提供了强有力的支持。在这基础上，现 代控制理论的实用化成为可能，大大促进了自动控制技术的发展。例如：已有3 2 位微处理器、智能i o 和数字信号处理器应用于现场控制站，i 馊得d c s 功能更强， 速度更快，控制回路数更多，控制算法功能更丰富，而且某些先进控制策略也可以 在现场控制站上实现。r i s c ( r e d u c e d i n d t r u c t i o ns e tc o m p u t e r 精简指令集计算机) 工 作站的引入，使操作站的图形功能和窗口技术更趋完美，操作更方便，响应速度更 快，且容易与其他网络系统连接。专用集成电路和表面安装技术在d c s 硬件设计上 的使用，使其体积更小，可靠性更高。实现开放式的通信系统，向上能与 t x 他_ w t o p ( m a p 制造商自动化协议1 或e t i l e m e t 接口；向下支持现场总线，它使得过 程控制或车间的智能传感器、执行器之间实现了高可靠的实时数字数据通信。 1 1 3d c s 控制系统的应用“ 目前火电厂广泛应用的d c s 采用单元组合组装方式( 积木式) ，为综合系统自动 化创造了有利条件。d c s 自问世至今已经开始步入第三代，d c s 的可靠性及强大功 能逐步取代大部分模拟仪表的控制，并将成为未来火电厂自动控制的主流。 7 0 年代中期的第一代d c s 由控制站、操作显示站、数据通信站与管理计算机 组成，实现了回路分散和控制站与操作站功能分离1 5 】。考虑到它们的处理能力、容 量等性能应同主辅机的生产过程相适应的观点，对汽轮机等快速过程和锅炉等缓变 过程【6 】采用适合于不同控制对象过程速度的专用微机。初期的d c s 系统，控制站的 控制单元带有8 3 2 个控制回路，解决了原来模拟控制方式集中与危险的矛盾。 重庆大学硕士学位论文1 文献综述及课题背景 8 0 年代中期，利用计算机和c r t 技术，v m e 总线及实时多用户u n i x 操作系 统，设计出了分层分散方式，产生了第二代d c s ，如图1 2 所示。它由具有独立运 行能力的分散“微 机站”组成，各微 机站控制不同的 生产过程，站与站 之间通过网络传 递信息，是近年来 电厂应用最普遍 的方式，第二代 d c s 具有如下特 点： 1 1 控制回路由 图1 2 第二代d c s f i o1 2 v e r s i o n2d c s 器 分散到局部集中，是否要双机与双站冗余由用户选择。回路局部集中可使一个控制 站的容量能覆盖一套装置的整体控锘l ，这样把调节和顺序控制合并在控制站，改善 机组启停和正常控制性能，增加可靠性、经济性、可维护性及控制器的独立性。 2 1 多功能软件供用户任意选择。一般d c s 系统有4 种语言：功能块、梯形图、 顺控语言及高级编程语言。这样便可满足连续过程、间歇过程以及混杂的批量处理 和联锁保护的一般要求，为先进的控制策略实施提供工具。 3 1 有专门的i o 予系统对现场信号进行采样、预处理和输出处理，节省主c p u 的时涮和空间，供用户实旌先进控制策略。 4 1 完善的显示功能。一个显示操作站带多个c r t 终端，操作人员能及时、迅速、 准确的掌握运行情况，并作相应的应急处理。 模拟控制到第二代d c s 都是建立在“监控岛”的概念上：全球各d c s 生产厂 家的产品自成体系，各设备的d c s 互不通信而彼此“孤独1 7 l ”：与上位管理机通信 也是逐一解决，这使得火电厂内各机组所使用的计算机之间，计算机与d c s 之间不 能互通信息，硬件、软件不能兼容，不利于及时了解全厂的安全、经济运行的需要。 必须对这种自成体系、封闭的d c s 赋予新的特点，才能满足用户的今天以及将来的 要求。 随着科学技术的发展与自动控制的需要，第三代d c s 必将成为生产过程控制的 主流方向，如图1 3 。第三代d c s 应用于机组级，它采用开放式系统，在d c s 之问， d c s 与厂级集控站之间相互交流信息，机组级d c s 和顺序控制器在线监控机组、 输变电和辅助车间的运行情况。厂级站由m i s 及厂站机组组成，在线了解全厂生产 情况和进行在线决策。它具有以下功能： 重庆大学硕士学位论文1 文献综述及课题背景 1 ) m m i ( a 机接口) 功能完善 显示操作 性能尽遂人 意，并在流程 画面上显示 三维图形。有 足够的时间 与存储空间 图1 , 3 三代d c s f i g1 3 v e r s i o n3d c s 第一级 ( 机组级) 进行后台作业与多窗口显示。应用了多媒体技术。完善的编程功能与人机对话功能。 2 、开放与互操作 世界上各d c s 生产厂家协作开发具有开放与互操作的d c s ，发展动向表现为： 开放式系统、d c s 与p l c 相互融合和远程智能i o 系统。显然，必须有相应的国际 标准为各厂家所依循，才能生产出具有开放和互操作特点的d c s 。制定一个众所认 可的通用的标准是困难的，但是现场智能变送器与智能调节装置的应用，迫切需求 现场总线通信【8 j 规约的制定与实施。 火电厂综合自动化系统由执行不同监控功能的计算机组成? 为实现计算机互联、 数据资源共享、开放式计算机系统及m a p t o p ( m a p 制造商自动化协议】，d c s 的 网络设计正朝国际化、标准化发展，使其与以太网、m a p 网对接，对已有产品向开 放式系统进行完善 9 1 a 如美国f o x b o r o 公司的i a 系列【1 0 i ，能与符合国际标准通 信接口的网绍互连，软件为通用的u n i x 操作系统，适合于在通用微机上运行，并 使u n i x 支持下的其他厂家软件能方便地移植到i a 系统。 d c s 和p l c l “】萨在互相补短，互相吸收与融合。d c s 吸收p l c 的特长，增加 逻辑功能，实现模拟逻辑、顺序控制，d c s 网络上的p l c 接口能直接容纳p l c 。 p l c 吸收d c s 的优点，增加模拟量运算，p i d 积累加法运算和电机控制算法，多模 拟量的补偿、滤波、校f 、报警功能。p l c 仿效d c s 的结构向网络化方向发展。 远程智能i 网络是一种新型的工业计算机过程接口装置，是插板智能i o 技 术与通信网络技术相结合的产物，它由前端机、通信网络和适配器组成。前端机就 地处理送入的测点信号，经过通信网络和适配器交换信息，送入有关的“微机站。 其特点是采用数字通信及网络隔离技术，抗干扰能力强，可靠性高。前端机就地安 装，由网络适配器管理实现真正地理位置分散，提高微机站的高级运算处理能力。 就地d c s 由现场总线构成总线式的拓扑网络，其结构型式如图1 4 。采用远程智能 f o 网络，可减少信号电缆、工程安装费用、主控机所占建筑面积，具有完善的自 检与维护功能，友好的接口界面，良好的可扩充性和兼容性，远程智能怕网络是 d c s 过程i o 接口发展的新方向。 重庆大学硕士学位论文1 文献综述及课题背景 3 1 现场总线 现场总线是针对仪表和其 他自动化设备装置所建立起来 的数字化双向传输通信系统。 这些仪表与装置包括：变送器、 阀门、指示器、回路调节器、 p l c 、p c 机、网桥、网关等。 其结构型式有点对点、树形和 带网桥的拓扑结构。 图1 4 线型远程智能啪网络结构 f i 9 1 4b u sl o n g - r a n g ei n t e l l e c t i v ei on e ts t n l c t u i 现场总线将现场的智能变送器和智能调控装置与主系统连通，取代目前d c s 控制站的i o 卡、i o 端子柜、甚至i o 子系统功能。现场智能变送器和智能调控装 自带微处理器，各自采样，a d 转换，线性化或校正补偿运算报警处理及诸如p i d 之类的简单控制运算。经现场总线上达主系统的是一组包括被测量大小或调控装置 调控量大小的数字值和表征报警及自诊断故障的状态值，经现场总线下送的主系统 输出信息包括进行补偿运算的其它参数，单回路控制给定值或回路运行状态命令( 手 动自动远方给定1 或直接送调控装置的输出值。到目前为止，现场总线的国际标准 还处于开发阶段，国际上有两大机构i s p 和w o r l df i p 开发了各自的现场总线标 准。 现场总线具有以下优势： a 、把一些先进功能赋予现场仪表，其结果是：提高现场装置的精度和可靠性： 可进行线性化、工程量转换及报警处理：对调控装置的补偿校正：对流量的温压补 偿校正及回滞曲线的补偿校正；对控制设备和过程设备的自动连续诊断和监测。 b 、把i o 设备减少一半以上，其结果是：节省大量信号电缆，减少投资与安装 工作量，缩短安装周期；i o 设备的减少加上设备的自渗断，提高了系统的可靠性 与可维护性，缩减维护人员。 c 、增加了信息流通能力。目前，大型火电机组已经开始使用智能变送器，随着 智能调控装置的使用及现场总线的迸一步标准化，由智能变送器、智能调控装置通 过现场总线与开放式工业控制计算机系统进行通信构成的综合自动化系统，将成为 我国大型火电机组集控运行主流方向。 4 1 先进制技术 大型火电机组是一个复杂的控制对象，而且有的控制对象的动态特性表现出大 时滞、非线性、分布参数、不定常系统，被控对象可能受到强烈的内外扰动，例如 再热气温，中储式钢球磨煤制粉系统的调节品质都难以达到满足的结果；锅炉燃烧 系统的最佳控制和快速诊断机组的运行事故，以及反事故的措施是长期研究课题。 6 重庆大学硕士学位论文1 文献综述及课题背景 计算机技术和现代控制理论在火电厂自动化领域的应用【1 2 】已经取得了一些成绩。例 如：苏尔寿公司在直流锅炉上应用状态空间模型控制过热蒸汽出口温度，比经典调 节器的调节品质有所提高。 1 1 4l as e rie s 智能自动化系列的特点“钉 y as e r i e s 是1 9 8 7 年美国f o x b o m 公司推出的新一代集散型控制计算机智能自 动化系统( i as e r i e s ) 。其硬件、软件和通信都采用国际标准，为当今的工业自动化 提供了灵活性、完整性、经济性和安全性，也为全厂信息集成和自动化系统提供了 良好的结构。 y a s e r i e s 自动化系列的最大特点是系统的软件、硬件和通讯系统都广泛采用开 放型标准设计。硬件品种少，可靠性高，组态灵活。 硬件一w ls e r i e s 四代兼容，从c i s c 到r i s c ，从i n t e l 到m i c r os p a r c ，实现 了长寿命的设计思想。 各种工作站包括控制处理机c p 、操作站处理机w p 、通信处理机c o m m p 、和 应用处理机a p 。控制处理机c p 可处理6 0 个回路，实现用户所需的连续控制、梯 形逻辑控制和顺序控制。操作站处理机w p 是为用户与系统功能提供一个交互作用 的环节，可完成各种显示、操作和组态功能。通信处理机c o m m p 把网络中其它站 来的打印信息如系统出错、过程报警、报表文件和彩色图象，按优先等级打印，并 担任着在网络中与远程站或上位机的通信功能。应用处理机a p 起着系统和网络管 理、文件请求、数据库管理、历史数据及画面调用等作用。配有丰富的系统管理软 件、组态软件和高级应用软件。执行各种应用功能如实时和历史数据、应用信息、 系统和应用软件的组态。 软件与u n i x 系统v 兼容的实时多任务v e n i x 操作系统和s u n s o f t s o l a r i s 操 作系统，9 6 年推出基于w i r i d o w s n t 的操作系统；采用c 、f o r t r a n 等广泛使用 的高级编程语言，s q l 关系型数据库语言和i n f o r m i x 、l o t u s l 2 3 等商用软件。 软件独立于硬件，这样当福克斯波罗提供新型号的硬件时不会影响已有的应用状况。 系统的应用软件可在装载u n i x 操作系统的个人计算机上运行。在p c 机上组态的 应用软件，可直接装入i a s e r i e s 系统中运行。先进的目标管理使得工程人员和应用 程序只要知道目标的名称就可在同一系统中任何地方得到数据。 通讯建立于o s i 模型上，符合i e e e 的标准，遵循m a p 协议，这样可以使与 m a p 兼容的非福克斯波罗产品纳入肌s e r i e s 系统。这种非排他性使用户能兼收并 蓄各家产品的长处，构成满意的综合控制系统。 i a s e r i e s 的通信网络是一个四层结构，主干是现代化的局域网络境带局域网络 重庆大学硕士学位论文l 文献综述及课题背景 和载带局域网络，采用国际标准组织i s o 的开放系统互连i s o 通信规程与m a p 协 议兼容，使其能集成不同厂商的产品和系统。其通信网络包括宽带局域网络、载带 局域网络、节点总线和现场总线。 显示采用先进的实时目标管理技术，这是其它系统所无法比拟的。另外5 0 系 列采用了x w i n d o w 和o p e nl o o k 技术，可方便地访问整个l a s e r i e s 系统和所连接 的信息网络上的信息。f o x d r a w 软件提供三维空间的显示画面。 发展硬件与软件的发展可相互独立发展。 一体化通过以太( e t h e m e t ) 网接口与信息网络联结，以及提供智能现场仪表o f t ) ) 接口与i f d 的数字集成，从而实现了生产管理信息网、生产控制网到测量的一体化。 f o 一线控制器已经具有包括自整定( e x a c t ) 和多变量自整定( e x a c tm v ) 在 内的复杂计算能力；i o 组件全部为变压器耦合隔离和光电隔离，一对一转换，过 流保护，不用保险丝，提高系统运行时间。 联网真正实现了与上位机过流系统的联网f 例如：d e c n e t ，t c p i p ，n o v e l l ) ， 实时画面和数据传递。 可靠性采用表面安装技术( s m t ) ，尺寸小，系统结构简单；电子组件采用全密 封的结构，使其于周围环境的接触降低到最低水平，增强了已经抗环境腐蚀的能力； 控制容错技术通讯冗余技术和矩阵供电方式，保证了系统运行的可靠性。 功耗系统功耗极低，大大降低能源投资，系统功耗只是常规系统的1 3 。 备件备件种类大大减少，没有暴露的线路板，无需特殊储存。 维护一各种处理机和i o 卡件都有自渗断程序，可以进行报警打印，c r t 报警显 示可以快速更换，无需人工判断。 1 2 集散控制系统组态软件 d c s 的组态从广义讲包括硬件组态和软件组态两方面的内容。硬件组态指对测 量点、变送器、现场控制站乃至操作站、工程师站等系统所有硬件的配置，不同的 系统，其硬件的配置情况可以差别很大，视现场情况而定。 软件组态是指对基本配置和应用软件的组态。基本配置的组态是决定诸如站点 数、索引标志、现场控制站的站点数、最短执行周期、最大内存配置等等。应用软 件的组态则是完成数据库的生成、历史库( 包括趋势图) 的生成、图形的生成以及控 制系统组态等等。 组态软件指数据采集与过程控制的专用软件。它是在自动控制系统监控层一级 的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式( 而不是编程方式) 提供良好的用 户开发界面和简捷的使用方法【1 4 】，其预置的各种软件模块可以非常容易地实现和完 重庆大学硕士学位论文1 文献综述及课题背景 成监控层的各种功能，并能支持各种硬件厂家的计算机和i o 产品，与高度可靠的 工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软硬件的全部接口，进行系 统集成。组态软件是集散控制系统的一个重要组成部分。一套d c s 的组态功能的支 持情况( 如应用的方便程度、用户界面的友好程度、功能的齐全程度等) 是影响一套 d c s 是否受欢迎的重要因素。几乎所有的d c s 都在不同程度上支持组态功能。 因为组态软件具有模块化【l 捌、智能化的特点，所以具有很强的通用性。可以适 应一大类应用对象，软件的程序代码一般不变，在组态时，只需改变结构或者应用 对象实体的数据即可。这样，就可以大大提高系统的成套速度，同时又保证了系统 的可靠性和成熟性。 1 2 1 组态软件的发展和现状 组态软件产品在8 0 年代末9 0 年代初就已进入中国市场，真正的大发展在9 5 、 9 6 年，人们已经逐渐认识到自动控制系统应该要上等级。而且3 2 位w i n 9 5 和n t 的推出，为组态软件提供了一个更适宜的操作系统平台。这些年，随羞大中型企业 的改造，对信息化的要求会越来越高，这些都为组态软件的发展带来了机遇。 现在，国内外有为数众多的组态产品，主要分为专业软件厂家开发的通用组态 软件和d c s 厂家自行开发的组态软件。通用组态软件如国外i n t e l l u t i o n 的f i x ， w o n d e r w a r e 的i n t o u c h ，国内如组念王、虎翼等等；另外就是各d c s 厂家自带的组 态软件。但是，对于这些通用的组态软件，一般都侧重于监控画面的组态，对控制 回路的组态很少提及；而对d c s 厂家自行开发的组态软件，虽然控制回路组态的功 能很强，但一般只面向本公司的控制层，缺乏开放性和通用性l l “。 现在很多所谓的开放性的组态软件都是向上面对管理层，对下只面向特定的( 如 本公司的1 控制层，这些都不能成为通用组态软件。 随着d c s 系统向着开放化、综合化的方向发展，作为d c s 一部分的组态软件 也必然要实现开放化、通用化，它应该可以适应通用，专用操作系统，采用规范的数 据接口、提供通用先进的控制功能；在具体功能方面，随着以工业p c 【1 1 为核心的 自动控制集成系统技术的日趋完善和工程技术人员使用组态软件水平的不断提高， 用户对组态软件的要求己不再象过去那样主要侧重画面，而是考虑一些实质性的内 容，如软p l c 、过程控制策略、远程联网、冗余等而且要求组态操作更加简便易行。 1 2 2 组态软件的作用 d c s 的软件般都是较为成熟的模块化结构。系统的图形显示、数据库管理、 控制运算、历史存储等都有成熟的软件模块。但是在将某d c s 产品具体应用到实际 重庆大学硕士学位论文1 文献综述及课题背景 场合时，还需要根据现场情况和用户的具体要求进行配置。不同的应用对象，其要 求可能有很大的差别。组态软件就是这样一套工具软件。它提供友好的界面，一方 面使用户不需编程就可以方便、快捷地生成符合自己需要的数据库、报表、报警和 控制等应用软件，另一方面定义数据点与应用软件的接口，实现数据传输，完成应 用软件的功能。 1 2 3 组态软件的组成o ” 表1 1d c s 组态软件的组成及其功能 t a b l e1 _ 1d c s c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e sc o m p o s ea n df u n c t i o n 组成功能 数据库点记录的编辑、打印、记录的转换 实时数据库生成系统 和连接 历史记录的编辑、历史执行记录的生成、 历史数据库生成系统 历史库与实时点的连接、趋势曲线配置 操作界面图形生成系统 生成操作监控画面、动夸5 鞍点的编辑、 动态点与实时数据或历史数据的连接 报表生成系统底表的编辑、点t 苫录值的生成、连接 顺序控制组态系统生成顺序控制回路 连续调节组态系统生成连续控制回路 通过以上对组态软件作用的阐述，可以看出，组态软件一般有以下几部分构成： 实时数据库生成系统、历史数据库生成系统、操作界面图形生成系统、报表生成系 统、顺序控制组念系统、连续调节组态系统。表1 1 表示了d c s 组态软件的组成及 其功能。 1 2 4i a 系列组态软件的特点 i a s e r i e s 系统提供的综合控制组态软件包【1 9 】，简化了复杂控制策略和安全系统 的结构。i a s e r i e s 综合控制软件提供了连续量、顺序量、梯形逻辑控制，它们可以 单独或混合使用从而满足应用的需要。除了综合控制外，i a s e r i e s 同时将综合控制 组态和操作员接口综合在上述范围内。 过程控制算法的连续量、顺序量、梯形逻辑主要在与之相连的控制处理机( c p ) 内进行。执行各种控制算法的基本单元是功能块( b l o c k ) ，b l o c k 完成控制功能，它 可组织和组态成一个叫作复合块( c o m p o u n d ) 的壬f l 。c o m p o u n d 是b l o c k 逻辑上的集 重庆大学硕士学位论文1 文献综述及课题背景 合，它完成指定的控制任务。综合控制组态软件可在c o m p o u n d 内综合连续量，梯 形逻辑和顺序功能，从而设计出有效的控制方案。 i as e r i e s 系统组态软件提供了一系列不同的组态程序。如系统组态程序，允许 用户定义系统网络、设备、软件和包装的布置：控制组态程序，能够将静态的显示 画面转换成过程有交互作用的动态显示画面，并提供逻辑上分层控制能力；以及 应用程序组态程序等，这些组态软件可在p c 机上运行。 i a s e r i e s 系统的控制模块中具有多种报警功能，如：测量值越限报警，偏差越 限报警，输出越限报警，变化速率报警，过程状态报警，输入输出通道故障报警等。 当报警状态发生被确认以后，参数连续变化，可作出再报警。可任意组态报警功能， 报警的限值，报警作用的不灵敏区，报警的优先级别。报警时报警信息要输往的设 备。过程报警可以被指定为1 - 5 级不等的报警优先级，优先级高低不同时，可作出 不同的报警处理。 i a 系列提供了非常丰富的组态软件，主要有组态器、详细显示画面、显示组 态器、历史组态器等。因此软件的组态非常方便，而且在系统没有到达之前，可以 在装有f a 系列软件的个人计算机上进行组态，以后只要把组态的数据拷贝到系统 中即可。 1 3 课题内容 1 3 1 课题背景 各种高性能集数控制系统得到广泛应用，高度的自动化使工业系统运行的安全 性、经济性愈来愈依赖于控制系统的性能【1 1 1 、水平及控制构筑与维护控制系统的能 力。所以一般d c s 的系统功能，如系统控制、数据处理、性能计算等功能则由开发 其功能仿真软件来实现，即采用仿真方式实现。仿真方式易于适应仿真机的操作方 式和模拟的故障；又能减少成本，尤其是在有现成的仿真软件可用及仿真计算机的 资源可共享的情况下，既会缩短工期又会降低成本；还能降低硬件维护、培训和备 品备件费用。但是由于d c s 本身十分复杂，其所实现的功能也相当多，为了实现对 d c s 的逼真仿真，必须根据用户要求、工厂设计资料和d c s 制造厂家提供的资料 仿真。 本课题主要是针对应用在过程工业领域的集散控制系统开发一套仿真软件，主 要着重控制系统的组念构建。实际d c s 中所指的组态包括硬件组态和软件组态两部 分，而仿真软件中就只包含了软件组态。软件组态【2 2 乜括实时数据库的组态、历史 数据库的组态、流程图的组态、报表的组态以及控制回路的组态。流程图的组态是 指用户在系统提供的平台上，能快速的制作操作站的监控画面。报表的组态即是规 重庆大学硕士学位论文1 文献综述及课题背景 定报表打印的格式、内容以及打印时间等等。由于实时数据库、历史数据库的组态、 流程图的组态、报表的组态都已由自行开发的p i d s 界面组态软件完成，因此，本 控制系统组态软件就是提供这样一个平台，让控制工程师能集中精力于控制回路及 逻辑保护的构成，而不必拘泥于其他一些具体而烦琐的程序操作中。 其传统的控制组态一般有两种方式：种方式是采用模块宏的方式，一个模块 对应一个宏命令f 即子程序) ，在组态生成时，每用到一个模块，就将该模块对应的 子程序调入执行文件当中，运算所需的参数由子程序一并带入，直接用子程序来完 成控制规律( 如日立的h i a c h 5 0 0 0 t 2 3 2 4 j ) ；另一种方式是将各算法编成独立的可反 复调用的功能模块，对应每一个功能模块有一个数据结构，该数据结构定义了该算 法所须的各个参数。系统运行时，控制调度程序依据控制数据结构的顺序依次执行 f 如西屋的w d p f l 2 5 1 1 。本课题拟采用类似第二种方式进行处理。 1 3 2 课题内容及特点 对于仿真软件而言，常常采用的模式是将系统的逻辑和控制直接在模型编程来 实现。这种方式和实际的d c s 的处理模式并不一样。于是当一个逻辑或控制策略改 变时就必须去更改模型，难以实现在线修改。而对于模型的更改常常不是由控制管 理人员完成的，所以对于控制管理人员就难以进行培训。本文以d c s 的设计思路， 将整个系统的逻辑及控制与模型本身分离开来，并开发了组态系统提供给用户进行 组态。利用该系统即可使用户根据实际需要设计控制逻辑和控制策略并实现在线修 改等功能，也可用于对控制管理人员的培训。 本课题的目标是开发一套仿真d c s 的控制组态软件的平台，该软件应具备以下 功能： 1 1 通过调用系统提供的控制算法模块、逻辑运算和输入输出模块，方便地进行 组态。 2 ) 根据组态，在线生成控制逻辑，对电站运行进行控制。 3 1 可在线进行控制回路的参数整定、控制系统性能分析。 4 ) 具有良好的开放性，可由用户加入自己的控制算法模块，具有通用性。软件 设计中要保证整个控制组态功能的可靠和完备，同时人机接口采用标准的模式， 使以便于用户应用和熟悉。本软件的开发将遵循这一要求，将系统设计成一套界 面友好、实时性强，具备开放性的平台软件。 本文的主要工作： 1 1 功能模块的开发 主要包括控制部分的输入输出、代数运算、逻辑运算、p i d 类模型的开发。 重庆大学硕士学位论文1 文献综述及课题背景 2 1 组态软件的开发 组态软件的开发，坚持“计算机适应人”的原则，在软件设计时，采用了目前 通用的w i n d o w s 平台。使人机界面更加友好，同时充分地利用w i n d o w s 系统的资 源，使组态软件的功能更为强大。 在w i n d o w s 平台上，本组态软件应能够进行在线离线组态，能进行控制系统、 逻辑保护的调试和诊断，支持功能块组态、梯形逻辑组态，支持全局变量，从而实 现站问通信和不同画面的点与点之间的连接。 3 ) 采用客户机朋疆务：i 器( c l i e n t s e r v e r ) 模式进行系统组织 与组态软件的组态结果相对应，在操作显示管理软