（控制理论与控制工程专业论文）基于opc技术的开放式dcs系统的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 论文针对目前工业自动化系统中绝大多数是封闭系统，缺乏统一、标准的开放 式接口，同时，工业控制软件也缺乏统一的工业标准的现状，详细分析了工业控制 软件互操作性标准o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 的产生背景，o p c 规范的基本内 容、程序结构体系和核心技术特点，以及o p c 技术的发展历史、应用情况及其发 展前景；重点阐述了基于微软公司的c o m d c o m ( c o m p o n e n to b j e c t m o d e l d i s t r i b u t e dc o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 技术基础，在操作系统w i n d o w s9 5 和 w i n d o w sn t 支持下运行的新型的用于o p c 组件和o p c 对象之间连接的o p c c o m 通用标准接口，和用于技术人员和终端用户为组态和存取过程自动数据的 o p co l e 自动化标准接口的设计和应用论文还分析介绍了o p c 核心技术 c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d o l e ) 组件对象模型，并学习c o m 部件的实现、发布、 创建方法和c o m 技术在工业自动化软件及o p c 技术中的应用细节；使用o p c 服 务器的线程模型和数据库访问技术；完成o p c 接口程序编制，并联网测试；熟悉了 解o p c 服务器d l l 的开发程序，论文还分析基于c o m d c o m 技术的。p c 技术 规范在短短几年内获得了极大的发展，并得到了国际上自动化领域领先厂商的广 泛支持。采用0 p c 技术规范的产品实现了工业自载化系统中软件之间的互操作和 无缝集成，以及现场监测、控制设备的即插即用，为该领域的硬件、软件厂商及 最终用户带来了直接和明显的巨大利益。符合o p t 规范的硬件、软件产品开始大 量地开发出来并开始得到广泛应用，支持o p c 技术开发的各种开发工具正在不断 地得到完善，并且可以容易地得到。目前工控产品的o p c 支持性能已经成为其综 合性能的一个重要方面n 国内的工控硬软件制造商要抓住时机，抓紧跟上世界先 进技术的发展，开发符合o p c 规范的产品，保证产品市场的生命力。 关键词：o p c 接口：技术规范；c o m d c o m ；实时数据库 茎坚堡三查兰堡兰兰堡丝苎 a b s t r a c t a na c t u a l i t yi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r , t h a tt h ei n d u s 姆a u t o m a t i o ns y s t e mi sa c l o s es y s t e ma tp r e s e n t w h i c ht h eu n i f i e d & n o r m a lo p e ni n t e r f a c ea b o u ts o f t w a r ea n d h a r d w a r ei sa b s e n c e t h eb a c k g r o u n do fa no p e r a t i n gs t a n d a r do ft h es o f t w a r ef o r i n d u s t r yc o n t r o lo fo p cs p e c i f i c a t i o ni sa m p l yd e s c r i b e di nt h i sp a p e r , i t sm a i n c o n t e n t , p r o g r a mc o n f i g u r a t i o ns y s t e ma n dn u c l e a rt e c h n o l o g y , i t sh i s t o r ya n d a p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n ta r ei n t r o d u c e d t h i sp a p e re x p a t i a t e de m p h a t i c a l l yt h a t t e c h n o l o g yb a s e do nc o m d c o mo fm i c r o s o f t ，t h en e wo p cc o mg e n e r a ls t a n d a r d i n t e r f a c eb e t w e e no p cc u s t o m i z ea n do p c s u b j e c tw h i c ho p e r a t i n go nw i n d o v e s 9 5 a n dw i n d o wn t , a n dt h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no fo p c o l ea u t o m a t i cs t a n d a r d i n t e r f a c eu s e df o r c o n f i g u r a t i o n a n d a c c e s s i n g t h e p r o c e s s d a t a a u t o m a t i c a l l y m e a n w h i l e ，t h eo p cn u c l e a rt e c h n o l o g yc o mi si n t r o d u c e di n t h i s p a p e r , s t u d y i n gw a y so ft h er e a l i z a t i o n ，p u b l i s h m e n t ，c r e a t i o na n dt h ea p p l i c a t i o n d e t a i l si no p c t e c h n o l o g ya n di n d u s t r i a la u t o m a t i cs o f t w a r e t h em a i nr e s e a r c h e si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 、u s i n gl i n e a r - m o d e lo fo p c s e w e ra n dd a t a b a s ea c c e s st e c h n o l o g y ； 2 、c o m p l e t et h ep r o g r a m so fo p ci n t e r f a c e ； 3 、l a nt e s t i n go fo p c i n t e r f a c e ； 4 、c o m p l e t et h ep r o g r a m so fo p c s e r v e ri 0d l l k e yw o r d s ：o p ci n t e r f a c ec o m d c o mr e a lt i m ed a t a b a s e 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 选题背景与意义 第一章绪论 随着微电子、计算机、通信和网络等技术的发展，自动化领域发生着深刻 的变化，在分布式异构环境下的数据通讯已经成为研究的一个热点。一个典型 的电力企业内部网络包括大型主机、u n i x 工作站和p c 机，不同设备或不同机组 采用不同d c s ( 分散控制系统) ，各种机器所采用的操作平台和网络通信协议千 差万别，这样的异构环境使得对控制系统实时数据的访问成为一项挑战。 同时，工业生产规模的扩大和过程复杂程度的提高，工控系统需要集成数 量和种类不断增多的现场信息成为一种必然的趋势，由于不同厂家的设备具有 不同的通信机制，迫使工业控制软件中包含了越来越多的低层通讯模块，由于 不同工控软件中的通讯模块访问接口不尽相同，因而造成了工控软件相互之间 不能通信，软件资源不能共享，与高层的管理软件之间又缺乏有效的通信接口， 因此通信规范问题成为了制约控制系统突破“信息孤岛”的瓶颈。另外硬件设 备的改动很可能导致整个软件的改动，给工控软件的设计和维护造成了极大的 不便。o p c 作为一种标准途径能够在异构环境下从数据源( 服务器) 提取数据并 统一传输到应用程序( 客户端) ，这种开放、高效的通信机制，满足了工控领域 的需要。 o p c 的出现建立了一套符合工业控制要求的通信接口规范，它基于 m i c r o s o f to l e ( 现为a c t i v e x ) 、c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 和d c o m ( d i s t r i b u t e dc o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 等技术。该技术完全支持分布式应 用和异构环境下应用程序之间软件的无缝集成和互操作性，它使设备层、自动 化层以及信息层之间的协同工作成为了可能，并且提供了工业自动化应用的统 一数据传输平台，使异构系统之间的数据交换更为方便。 1 2o p c 技术的研究现状 o p c 作为一个工业标准，它是由一些世界上著名的自动化系统和硬件、软件 公司和m i c r o s o f t ( 微软) 紧密合作并在1 9 9 6 年建立的。其目标是制定一套针 对控制对象和设备的公共接口标准，它可以让任何o p c 客户机去请求和获取o p c 服务器，通过这种方式，繁杂的各类设备驱动程序问题可以消除，同时也加速 了数据的传输。为了更好的维护和推出新的开放的o p c 规范，从而使工业数据 的采集通讯更为标准化，诞生了管理该规范的国际组织o p c 基金。 基坚翌三查兰! ! 墨主兰垡堕茎 o p c 已成为工业控制软件开发的主流，并被工业界广泛接受，它主要适合于分布 式跨平台的信息管理应用，国际范围内工业领域通过采用o p c 技术，推出了一 系列产品，已经取得了显著的效益。在国内，o p c 技术起步较晚，为了在国内推 广o p c ， 以消除我们与其它发达国家的信息差距，于2 0 0 0 年成立了o p c 中国基 金会，以本地化的形式加强与o p c 基金会的联系。目前国内多家单位( 浙江大 学、中科院自动化研究所、华东理工大学、清华大学等) 进行了o p c 技术的研究 和开发工作，已经取得了一定的成果，用o p c 开发出来的产品在工控领域得 到了很好的应用，并且在国家8 6 3 计划重大目标产品项目( 8 6 3 5 1 1 9 2 0 一0 1 1 ) “生产过程自动化监控系统”中o p c 已经成为核心技术之一。 1 3 本文的主要工作 1 3 1 目的和意义 本课题根据o p c 规范探讨o p c 技术在分布式异构环境中的实时数据通讯。 在课题中了建立服务器与客户端，使之在分布式环境能进行数据通讯，同时服 务器的数据由面向硬件设备d e s 分散控制系统提供。o p c 提供了对不同厂商的设 备和软件包进行内部连接的能力，在o p c 诞生前，不同的应用程序和不同厂商 的硬件设备的驱动程序之间存在大量的连接问题，需要开发各种不同的通信程 序。由于o p c 标准的制定，使得所有的通信连接问题变得简单，它提供了一种 软件的总线形式，使得应用变得简单、轻巧、易于使用。应用程序只需知道如 何从o p c 数据源获取数据( o p cc 1 i e n t ) ，设备驱动程序只需知道如何以简单的 格式提供数据( o p cs e r v e r ) 即可进行通信。o p c 定义了一个开放的接口，在这个 接口上，基于o p c 的软件组件能交换数据。因而，o p c 为自动化层的典型现场设 备连接工业应用程序和办公室程序提供了一个理想的方法。该标准接口的引入， 使得硬件制造商为其部件所开发的接口程序的数量减少到一个，只需要开发一 个针对o p c 服务器的接口程序；同样，软件制造商也只需要发唯一的通讯接口 程序o p c 客户机接口。这不但对制造商有利，而且对最终客户也有利。 1 3 2 研究内容 本课题主要完成以下工作： ( 1 ) 对o l e c o m 技术的理论和开发思想进行深入研究； ( 2 ) 基于o p c 基金会提供的o p c 数据访问规范进行o p c 服务器和客户端的体 系结构框架设计： ( 3 ) 对数据访问对象分散控制系统进行系统分析，用自身 所带的软件包对系统进行数据访问； 武汉理丁大学硕士学位论文 ( 4 ) 采用v c 的m f c 与a t l 结合方式建立o p c 服务器，o p c 数据项的刷新通 过内嵌s e r a a p i 数据访问函数实现，同时用v c 实现客户端： ( 5 ) 为了验证课题的可行性与实用性，在实验室的分布环境中构建多个服务器 端和客户端进行试验，验证o p c 在分布式异构环境下的实时数据通信中具 有接口的通用性功能。 武汉理 大学硕士学位论文 2 1d c s 定义 第二章d c s 概述 d u s 即分布式控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) ，在一些资料中也称 集散控制系统。是相对于集中式控制系统而言的种新型计算机控制系统，是 在集中式控制系统的基础之上发展、演变而来的，是继基地式调节器( 变送、指 示、调节一体化的仪表) 、气动、电动单元组合仪表、直接数字控制d d c 系统 ( d i r e c td i g i t a lc o n t r o l ) 以及监督计算机控制s c c ( s u p e r v i s o r yc o m p u t e r c o n t r o l ) 以后又一新兴的自动化控制系统。d c s 系统基于被控过程本身具有层次 性和可分割性的事实，而使用了多台计算机分担了控制的功能和范围，使处理 能力大大提高，并将危险性分散，以其高度的可靠性、方便的组态软件、丰富 的控制算法、开放的联网能力等优点，得到迅速的发展，成为计算机工业控制 系统的主流。 2 2 d c s 研究现状 作为国民经济的支柱产业，制造业的发展对国家经济实力的提高有着战略 意义。由于d c s 思想对以制造业为代表的工业企业的生存、发展问题有着划时 代的指导意义，因此，世界各国都对d c s 给予极度重视，发达国家如美国、日 本、德国等纷纷把d u s 的实施提高到战略高度，许多基础较为雄厚的中小型企 业也都大力投资，冒着巨大的风险进行d c s 试点。特别是自从8 0 年代以来，在 市场剧烈竞争的刺激下，在d c s 有关技术飞速发展的支持下，d c s 已成为制造工 业的热点。 2 2 1 国外研究现状 国外开展d c s 的研究与应用已有2 0 多年历史。世界各国十分重视d c s 等制 造系统集成技术的研究与开发，欧美等发达国家将d c s 技术列入其高技术研究 发展战略计划，给予重点支持。 目前，国外已建成了一批研究基地：形成了一批以大学、研究所为核心的研 究队伍实现了一批不同行业、不同规模的d c s 工厂。在欧美等发达国家已有许 多大中型企业实施了d c s ，不少小型企业也在纷纷采用d c s 技术。据美国凯格公 司的调查表明，d c s 系统可以给予企业带来很大的经济效益，它可以使次品率减 堕望型三奎堂堡主兰垡堡兰 少1 0 ，库存减少2 0 ，提高工资5 0 ，总生产费用节减1 0 ) 1 5 等。国外发达 国家对于水泥企业d c s 的研究也颇为活跃，尤其是在单元智能控制技术等方面， 狄得了丰硕研究成果。 2 。3d c s 的发展趋势 d c s 发展很快，影响它的发展的主要因素是微处理器及超大规模集成电路技 术的应用。现在的3 2 位微处理器以应用于现场控制站，功能更强，速度更快， 存储器容量不断速增。人一机接口技术的交互图形、复合窗口及触摸屏幕的应 用，使操作站更趋完善，操作更为便捷，彩色c r t 分辨率更高。专用集成电路 ( a s i c ) 和表面安装技术( s m i ) 在硬件上的使用，使板极上的元件数量更少，硬件 的可靠性大大提高。智能半导体器件进入到现场一级，成为现场仪表，包括直 接数字传感器、光纤传感器和智能执行器。标准化的数据通信链路和通信网络 技术的发展，影响网络体系结构的变化。各种公共网络体系的建立和通信网络 技术的普及，使得网络环境下新的各类控制系统的开发成为可能。开放式结构 和集成技术将对d c s 产生深刻影响。下面介绍其现状及前景。 1 开放化 d c s 的通信用实现开放系统互联来满足工厂自动化要求。各种设备( 计算机、 单回路调节器等) 之间通信能力的加强，可方便地构成一个大系统。d c s 各种制 造商为适应这种发展，竞相把自己的专用网络改造成符合国际标准的网络，或 将自己的专用网络与普通网络之间加入网关，使其与以太网、m a p 网连接。 2 小型化 个人计算机的性能不断提高，价格不断降低，使得中小规模d c s 可广泛采 用高档微机以及加固的工业p c 机来构成低价格的集散系统，以满足小型工厂和 装置的应用。 3 智能化 人工智能特别是知识库系统( k b s ) 和专家系统( e s ) 在过程控制中的应用包 括：自整定和自适应控制器、实时数据采集、故障诊断、生产计划和调度、过程 优化、控制系统的计算机辅助设计、仿真培训和在线维修等。可以说人工智能 将会在d c s 的各级( 从控制到工厂管理) 实现。 4 基于现场总线的p l c p l c 以其结构紧凑、功能简单、速度快、可靠性高和价格低等优点，迅速获 得广n 应用，己成为与d c s 并驾齐驱的主流工业控制系统。目前以p l c 为基础 的d c s 发展很快，p l c 与d c s 相互渗透、相互融合、相互竞争，己成为当前工业 控制系统的发展趋势。 茎坚里三_ 大兰堡主兰垡鲨兰 5 新一代智能变送器 高度集成的智能器件正在向现场延伸。国外公司己开发生产出各类数字式 智能变送器，包括温度、差压、流量、液位、密度和压力变送器等多个品种。 6 管控一体综合集成系统c i m s 2 0 世纪9 0 年代以来，计算机控制系统在功能上朝着制造业自动化、过程控 制自动化、办公室自动化和经营管理自动化相结合的万向发展，即构成计算机 集成制造系统c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 或计算机集 成过程系统c i p s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dp r o c e s ss y s t e m ) 。 c i m s 由决策管理、规划调度、监控和控制四个功能层次的子系统构成，实 现管理控制系统的一体化模式。 在新的管理模式与工艺指导下，综合运用信息技术、自动化技术，并通过 软件支持，c i m s 把孤立的工厂自动子系统构成一个完整的系统，对生产过程的 物质流、管理过程的信息流及决策过程的决策流进行有效的控制和协调，以适 用新的竞争模式下市场对生产和管理过程提出的高质量、高速度、高灵活性和 低成本的要求。 2 4d c s 的组成及特点 集散型控制系统通常由过程控制单元过程接口单元、c r t 显示操作站、管 理计算机以及高速数据通道等五个主要部分组成。其基本机构如图2 1 所示。 豳2 1 集教塑控澍莠统箍奉结构 1 过程控制单元( ( p c u ：p r o c e s sc o n t r o lu n i t ) 又叫现场控制站。是 d c 的核心部分，对生产过程进行闭环控制，可控制数个至数十个回路，还可迸 行顺序、逻辑和批量控制。 茎坚望三查堂堡主堂些堡兰 2 过程接口单元( p i l j ：p r o c e s si n t e r f a c eu n i t ) 又叫数据采集站。 它是为生产过程中的非控制变量设置的采集装景，不但可完成数据采集和预期 处理，还可以对实时数据作进一步加工处理，供c r t 操作站显示和打印，实现 开环监视。 3 操作站( o p s ：o p e r a t i n gs t a t i o n ) 是集散系统的人一机接口装置。除 监视操作、打印报表外，系统的组态、编辑也在操作站上进行。 操作站有操作员键盘和工程师键盘。操作员键盘供操作人员用，可调出有 关画面，进行有关操作，如：修改某个回路的给定值：改变某个回路的运行状态： 对某个回路进行手工操作、确认报警和打印报表等。工程师键盘主要供技术人 员组态用，所有的监控点、控制回路、各种画面、报警清单和工艺报警等均由 技术人员通过工程师键盘进行输入。 操作站一般配有温氏硬盘存储器的软盘存储器：少数系统除硬盘外，还配有 磁带存储器( 如r s 3 ) 。硬盘主要存储操作站的组态软件、系统组态软件、趋势纪 录、过程数据和报表等。此外，d c s 本身的系统软件也存储在硬件中。当系统突 然断电时，硬盘存储的信息不会丢失，再次上电时可保证系统正常装载运行。 软盘和磁带存储器作为中间存储器使用。当信息存储在软盘或磁带后，可以离 机保存，以作备用。 4 数据高速通道( d h ：d a t ah i g h w a y ) 又叫高速通信总线、大道和公路等， 是一种具有高速通信能力的信息总线，一般由双绞线、同轴电缆或光导纤维构 成。它将过程控制单元、操作站和上位机等连成一个完整的系统，以一定的速 率在各个单元之间传递信息。 5 管理计算机( m c ：m a n a g e rc o m p u t e r ) 管理计算机是集散系统的主机，习 惯上称它为上位机。它综合监视全系统的各个单元，管理各系统的所有信息， 具有进行大型复杂运算的能力以及多输入、多输出控制功能，以实现系统的最 优控制和全厂的优化管理。 运用分散控制和集中显示、操作及管理这一基本思想构成的d c s 系统，与 常规模拟仪表相比，具有以下特点： ( i ) 完善的控制功能集散系统可以完成连续、离散、顺序、逻辑和批量的控 制功能。完成从单回路、串级、前馈一反馈复合到非线性、自适应、多变量解 藕、多变量模型优化、多参数预估和摸糊等高级控制。可以执行常规p i n 运算， 也可以执行s m i t h 预估、三阶矩阵乘法等各种运算。 ( 2 ) 丰富的监控功能操作人员通过c r t 和操作盘，可以监视生产装置以及整 个车间情况，将系统总貌、分组和单元数据及时恰当地呈现出来，实现全系统 统一操作。技术人员可按预定的控制策略组态不同控制回路，并调整回路的任 茎坚堡王查兰堡主堂堡堕壅 一参数或设置方式，而且还可以对机电设备进行各种控制，从而实现真正的集 中操作和监控管理。 ( 3 ) 灵活的扩展功能集散系统采用模块结构，用户可根据要求方便地扩大或 缩小规模，或改变系统的控制级别。系统采用组态方法构成各种控制回路，很 容易对方案进行修改。也可通过系列选型或系统生成，构成各种系统。因扩展 灵活，故有利于分批投资，分批受益。 ( 4 ) 极高的可靠性能由于采用了多台微处理机分散控制结构，故危险分散。 系统中关键设备采用双重或多重冗余，如控制站较多使用的3 ：2 ：1 热冗余技术。 系统还设有中断自动备用系统和完善的自诊断功能，使系统的平均无故障时间 m t b f 达1 0 5 天。故障出现时可自动报警，甚至可提供故障维修服务。许多系统 可以提供远方技术中心服务，使平均修复时间m t b f 为1 0 一2 天，系统利用率达 9 9 9 9 9 9 。 ( 5 ) 简便的安装调试集散系统的各单元都安装在标准机框内，模件之间采用 多芯电缆、标准化插件相连：与过程连接时采用规格化端子板，到中控室操作站 只需敷设同轴电缆进行数据传递，所以布线量大大减少，安装工作为常规仪表 的i 3 。系统采用专用软件进行调试，调试时间仅为常规仪表的1 2 0 。 ( 6 ) 良好的性能价格比在性能上集散系统技术先进，功能齐全，可靠性高， 适用于多级递级管理控制。在价格方面，目前在国夕h8 0 个控制回路的生产过 程采永集散系统的投资，已与采用常规模拟仪表相当。系统规模越大，平均每 个回路的投资费用越低。 2 5d c s 的分层体系 层次化是集散型控制系统的体系特征，使之体现集中操作管理、分散控制 的思想。从生产管理角度出发，d c s 大致可以分为过程控制级、生产管理级和经 营管理级。其结构模式见图2 2 。下面介绍各级的功能。 武汉理工大学硕士学位沦文 型2 2 集教型控麓系统匿耀箍构攥式 l 、过程控制级 过程控制级主要是现场控制站、数据采集站和过程管理计算机等，是直接 与生产过程相连接的一级计算机系统，是集散控制系统的基础。过程控制级一 方面与各类现场设备例如变送器、执行器相连，以实现装置的监测与控制：另一 方面还向上与第二层计算机相连，接收上层的管理信息。 2 、控制管理级 控制管理级主要有监控计算机、操作站和工程师站等，主要是实施生产过 程的优化控制，根据产品原材料库以及能源的使用情况，以优化准则来协调装 置间的相互关系。另外，通过获取直接控制层的实时数据，进行生产过程的监 视、故障检测和数据存档。 3 、生产管理级 生产管理级又称产品管理级。这一级采用管理用计算机，主要是规化产品 的结构和规模。根据用户定货情况、库存情况和能源情况来修订生产计划和改 变产品结构。有了产品重新组织和柔性制造的功能，就可应付由于用户订货变 化所造成的各种损失。此外，工厂生产和产品监视，以及产品报告也都在这一 级实现。 4 、经营管理级 这一级管理用计算机叫中央计算机，是工厂自动化系统的最高一层。它管 理的范围除了工程技术方面之外，还应包括经济、商业事务、人事组织以及其 它方面的功能。把这些功能都集中到软件系统中，并与经理部、市场部、计划 1 1 武汉理工大学硕上学位论文 部以及人事部等办公自动化系统相连接，运用优化策略来实现整个制造系统的 最优化。经营管理级的功能是市场用户分析、订货，以及销售统计、销售计划、 产品制造协调、合同事宜、期限监测和财政报告等。 对于某一具体应用的集散系统，并非都有匹层功能体系。中小规模的控制 系统只有、二层，少数使用到第三级：在大规模的控叙系统中才应用到四层模 式。 2 6d e s 的基本功能 集散型控制系统内含丰富的功能，以下是必备的基本功能。 1 输入数据处理 对模拟量来说，一般要进行采样、增益最佳化、a d 转换、规格化、合理性 检查、零偏校正、热电偶冷端补偿、线性化处理、超限制判断、工程量变换、 数字滤波、温度和压力校正、开方处理及上、下限报警等处理，对脉冲系列进 行瞬时值变换及累积计算。 ( 1 ) 数据的采样速率按系统不同的需要，：沮态不同的扫描采样频率。流量、 压力、液位、温度与成分的采样频率f 的经验数据是1 i 1 h z ，1 1 0 1 3 h z ， 1 8 ) 1 s t t z 和1 2 0 1 1 5 h z o ( 2 ) 增益最佳化模拟量信号在a d 转换之前要进行前置放大，以使被转换量 落在a d 转换线性范围之内( 通常在s 0 9 6 1 0 0 满度范围之内) ，提高通道的相 对测量精度。因此要选择合适的量程，增益最佳化即能自动挑选最佳增益。 ( 3 ) 模拟量信号的规格化模拟量信号的规格化是指1 ) s v 的模拟信号经a d 转换电路变成规格化的数字量。 ( 4 ) 合理性检查如果a d 变换超出限定对间或接到指令后根本未进行变换， 则“户以d 卡故障”置位，而给出不合理标志：如果是a d 超量程或欠量程( 小 于下限值) ，则该数将进一步处理，给出读数不合理标志。 ( 5 ) 零偏校正由温度、电源等环境因素变化引起的放大器的零点漂移，可通 过软件校正。通常是把输入短路时采集的放大器零漂码平均值存入内存，然后 在当前测量结果中扣出此零漂值。这种方法常用于零漂不超过通道模拟输出动 态范围1 1 0 的场合。零漂严重时可能使系统发生饱和，因此在零偏校正时常设 定一漂移限值，超过该码，则状态字中“零偏超出故障”置位，并发出报警。 ( 6 ) 工程量变换当上位机或操作站需显示或打印时。还应将规格化的数据转 换成工程量单位值。 ( 7 ) 超限判断当参数超限时，一般均需进行报警。通常需要绝对值报警、偏 差报警、速度报警以及累计值报警。 ( 8 ) 热电偶冷端补偿对于安装在现场多路切换箱中的热电偶，其冷端温度自 1 2 苎坚坚三查堂堡圭堂垡堡苎 动补偿是通过一支专用的冷端检测热电偶进行的。输入处理时先接通一次，测 量工作电势：再短路一次，测量短路电势。这两者相减即可消除外线路影响。 ( 9 ) 非线性校正对于温度与热电动势m v 数值或热电阻。数值间的非线性关 系，可通过折线近似或曲线拟合的方法加以校正。采用曲线拟合法时，多采用 高次方程。 ( 1 0 ) 开方处理对于平方特性的数据( 例如节流式流量计的差压信号与流量 信号成平方关系) 需进行开方处理，才能使信号与流量成线性关系。 ( 1 1 ) 热电偶开路检查测点在切入之前，用一小电流流过模拟信号线、多路 切换电路和变换器。假如通过外电路的压降超过正常值，就表明热电偶已经开 路。 ( 1 2 ) 数字滤波数字滤波就是为了克服随机干扰引入的误差而进行的数据平 滑处理。常用的数字滤波算法有程序判断法、中位值法、算术平均滤波法、加 权平均滤波法、一阶惯性滤波法和复合滤波法。 ( 1 3 ) 温度、压力校正当用孔板测量气体或蒸汽流量时，因测得的差压值偏 离孔板设计时的标准温度、标准压力，计算将有误差，因此需将此值校正到标 准条件下的差压。 2 输出处理 集散系统的输出一般分模拟量输出和开关量输出。模拟量输出时，c p u 算出 的数字结果再经d a 转换成4 - 2 0 m a 的信号送端子板输出：在输出需限幅信号时 可经限幅处理。在d a 转换之前，数据先与限幅信号作比较，正常时将输出送 d a ，反之将限幅值送d a ，在开关量输出时，由主机电路送出数字信号，先存 输出锁存器，再经驱动电路进行功率放大，去控制现场执行机构。通过组态， 数字输出可有三种不同形式： ( 1 ) 瞬时输出式信号一消失，触点就断开。 ( 2 ) 延时输出式信号消失，延时一段时间后触点断开。 ( 3 ) 锁定输出式触点闭合后，待下次信号来时才断开。 即使是模拟输出信号，也是以数字信号形式给出，再经d a 转换后采形成 的。正确的数据输出后，外部干扰有可能使输出装置得到错误的数据。这种错 误的输出结果有时会造成重大恶果，但措旋得力，也是可以补救的。输出装置 与c p u 的距离越远，连线就越长：受干扰的机会就越多。输出设备是电位控制型 还是同步锁存型，对干扰的敏感性相差较大。前者有良好的抗“毛刺”能力：而 后者不耐干扰，当锁存线上出现干扰时，就会盲目锁存当前的数据，而不管这 时数据是否有效。输出设备的惯性( 响应速度) 与干扰的承受能力也有很大关系。 惯性小的输出设备( 如通信口、显示设备等) 耐受干扰能力就差一些。 茎望堡三查兰堡圭兰垡笙奎 不同的输出装置对干扰的耐受能力不同，抗干扰措施也就不同。其措施如 下： ( 1 ) 各类输出数据锁存器尽可能和c p u 安装在同一电路板上，使输线上传送 的都是已锁存好的电位控制信号。有时这一点不一定能做到。例如用串行通信 方式输出到远程显示器，一条线送数据，一条线送脉冲，这时就特别容易受干 扰。 ( 2 ) 对于重要的输出设备，建立检测通道，c p j 可以通过检测通道来检查输 出的结果是否正确。 ( 3 ) 软件上重复输出同一数据。只要有可能，其重复周期应尽可能短些。当 外部设备接收到一个被干扰的错误信息后，还来不及作出有效的反应，一个正 确的输出信息又来到，就可以及时防止错误动作的发生。 有关输出芯片的状态在执行输出功能时也一并重复设置。例如8 1 5 5 芯片和 8 2 5 5 芯片常用来扩展输入输出功能，很多外设均通过它们来获得控制信息。这 类芯片均应编程，以明确各端口的职能。由于干扰的作用，有可能在无形中将芯 片的编程方式改变了。为了确保输出功能正确实现，输出功能模块在执行具体 的数据输出之前，应该先执行芯片的编程指令，在输出有关数据。这样做，也 将对芯片端口重新定义，使输入模块得以正确执行。 对于以d a 转换方式是实现的模拟输出，区本质上仍为数字量，同样可以 通过重复输出的方式来提高模拟输出通道的抗干扰性能。在不影响反应速度的 前提下，在模拟输出端接一适当的r s 滤波电路( 起到增加惯性的效果) ，配合重 复输出措施，便能基本上消除模拟输出通道上的干扰毛刺。 3 控制功能 控制部分是集散系统的核心。带微处理器的控制站按所具有回路数的多少， 可分为单回路、双回路和多回路。多回路的控制一般为1 6 ，3 2 或6 4 个回路， 最多达到4 0 0 个回路。控制算法的数目从2 8 种、3 0 种到上百和。随着微机技术 和控制理论的发展，控制算法己达1 0 0 0 种以上，运算功能越来越强。控钊方 式从早期只有连续控制功能的状况，己发展到普遍具有逻辑控制、顺序控制和 批量控制的功能。 ( 1 ) 连续控制 严格来说，计算机控制全部是离散控制，但为区别于顺序控制和逻辑控还 是称它为连续控制。连续就是调节器能随输入信号的不断变化而按一定规则输 出，不间断地修正输出值的大小。 连续控制算法一般有常规p i d 、微分先行p i d 、积分分离、选择性控制采样 控制、非线性控制、s m i t h 预估控制和多变量解祸控制等常规及高级控制算法。 武汉理t 大学硕士学位论文 此外，还有模糊控制和p i d 自整定算法等智能控制算法。 除了各种算法之外，连续控制还必须具有一些附加功能才可以完成实际的 过程控制。这些附加功能如下： 回路手动( l m ：l o o pm a n u a l ) 对于一个控制回路进行手动操作。 手动方式( m a n ：m a n u a l ) 由操作站( 包括本地操作站) 经由通信系统进行手 动操作。 自由方式( a u t ：a u t o ) 以本地设定值( l s p ) 为基准进行运算，实现闭环控制 方式。 串级方式( ( c a s ) 以另一个控制回路的输出值作为本回路的设定值进行自 动运算，实现串级控制方式。 计算机方式( c o m p ) 经由数据通道接受上位计算机的输出数据，作为本回 路的设定值进行自动运算控制方式( s p c ) ：或者直接作为输出值的控制方式 ( d i ) c ) o p v 跟踪p v 算法必须具有p v 跟踪功能，即在手动状态下，使本回路的设 定值不再保持原来的设定值，而跟踪p v 值。p v 跟踪时，从手动切换到自动偏差 总是零。因此，即使比例带较小，p i d 输出值也不会产生扰动，实现平滑切换； 切换到自动后，再逐步把设定值调到所要求的值。 输出值跟踪p i d 算法在设置p v 跟踪的同时，还需要设置输出值跟踪功能， 即在手动状态时，使内存中上次输出单元的数值跟踪手操输出值。这样，再切 换到自动时。由于单元数值与手操输出相等，因而实现无扰动切换。 予置p i d 算法在偏差为零时，输出为一不定的常值。构成串级控制时， 次级回路在处于串级断开状态时，把次级回路的设定值( l s p ) 送到主回路的输出 单元( o p ) ，称为予置。这样，若串级的主回路设置p v 跟踪，次级回路设置予置 和p v 跟踪，则串级调节回路从任何非串级调节状态值切换到串级时，都是无扰 动切换。 反算若串级调节主回路p i d 算法输出插有静态偏置，则算法必须具有反 算功能，即算法块( 比如是加法功能块) 必须反算出( 逆运算) 一个平衡无扰的输 入值作为主回路的输出。 ( 2 ) 逻辑控制 根据输入变量的状态，按逻辑关系进行的控制称为逻辑控制。在集散系统 中，由逻辑块实现逻辑控制功能。逻辑运算包括a n d ( 与) 、o r ( 或) 、x o r ( 异 或) l i n k ( 连接) 、o f f d e l a y ( 停止延时) 、o nd e l a y ( 进行延时) 、f i l p f l o p ( 触发 器) 和p u l s e ( 脉冲) 等。逻辑块的输入变量包括数字输入输出状态、逻辑块状态、 计数器状态、局部故障状态、连续控制s l o p 的操作方式和上位机的计数溢出状 垡翌堡三查兰堡主兰垡笙苎一 态。它可童接用于过程控制进行工艺联锁，也可作为顺序控制中的功能块，进 行条件判断、状态变换等。 ( 3 ) 顺序控制 顺序控制是根据预定顺序或逻辑，逐步进行各阶信息处理的控制方法。在 顺序控制中兼有连续控制、逻辑控制和输入输出监控的功能。 ( 4 ) 批量控制 批量控制就是利用顺序程序，控制一个间断的生产过程，以得到规定的产 品。例如研制生产一种催化剂溶液，需经投料一加放一定量溶剂一搅拌一加热 控制到一定温度一保温规定时间一过滤排放等操作。每个操作都不是连续的， 但有规定的要求，每步的转移又都必须有一定的条件。这里除了要进行连续常规 的温度流量闭环调节外，还必须执行打开阀门、启动搅拌等开关控制及判断。 因此，要用顺序程序把这些操作按次序连接起来。定义每步操作的具体条件和 要求，直接指挥有关的现场控制设各，以得到满意的产品。因此，批量控制是 顺序控制的一种应用。 4 、人一机接口功能 按照现场控制的连接方式，集散系统的人一机接口可分为现场简易接口和 c r t 操作站两种。前者直接与现场控制站相连，后者是通过通信网络与现场控制 站相连。简易操作接口使现场工作人员能对系统进行操作、设定和监视。c r t 操 作站不是为某个现场控制器所专用，而是几个控制站共享。c r t 系统信息集中地 反映在屏幕上，并自动地对信息进行分析、判断和综合。操作站的功能归纳起 来有以下几个方面： 对全部过程变量进行各种格式的显示，并允许操作人员对过程进行干预， 如参数调整、状态切换和紧急处理等。 对过程变量的历史数据进行处理和存储。 显示和打印过程报警。 编制和调用各种用户画面。 编制和打印各种报表。 组态并装载监视、控制和管理软件。 对通信总线上所连接的设备进行组态，并将组态结果装载到对应设备。 完成系统的自诊断和故障维修。 5 通信功能 通信功能是集散系统的重要支柱，执行分散控制的各单元以及人一机接口 要靠通信系统连成一体。它是一个高通信速率、低误码率和快速响应的网络， 具有组织灵活、易于扩展和资源共享的特点。 茎坚堡三查鲎! 堕主兰垡堡茎 6 自诊断功能 为了提高可靠性，集散控制系统的各装置具有较强的自诊断功能。系统投 运前用离线诊断程序检查各部分工作状态：系统投运中各设备不断执行在线自 诊断程序，一旦发现错误，即切换到备用设备。同时，经过通信网络在c r t 上 显示出故障代码，等待及时处理。通常故障代码可以定位到插件板，用户只需 要更换插卡。 7 冗余技术 自诊断可以及时检查出故障，但要使离散系统的运行不受故障的影响，主 要靠冗余应用。冗余有两种方式：工作冗余和后备冗余，俗称“热备用”和“冷 备用”。操作站采用工作冗余的方式。对现场控制器，各冗余方式不同，有的采 用1 ：1 冗余，也有的采用n ： 1 冗余，但均采用无中断自动切换方式。集散系 统特别重视供电系统的可靠性，除了2 2 0 v 交流供电外，还要有备用电源、不间 断电源u p s ，以及各种掉电保护措施。集散系统中，大多数采用两套相同通信网 络的冗余形式。但具体工作情况有所不同，工作冗余和后备冗余的情况都有。 除了硬件冗余外，集散系统还采用了信息冗余技术，就是在发送信息的末 端增加信息位，以提高检错和纠错的能力。 2 7d s c 的通信网络与系统特性 集散型控制系统的通信网络的作用是互联各种通信设备。它完成的是工业 控制，因此与一般的办公室用局部网络有所不同，应具有以下特点： 具有快速的适时响应能力一般的办公室自动化计算机局部网络响应时间 为2 6 s ，而它要求0 0 1 一o 5 s 。， 具有极高的可靠性不许连续、准确运行，数据传送误码率为1 0 一l 1 0 8 s 。系统利用率在9 9 9 9 9 以上。适应于恶劣环境下工作能抗电源干扰、 雷击干扰、电磁千扰和接地电位差干扰。 分层结构为适应集散系统的分层结构，其通信网络也必须具有分层结构， 例如分为现场总线、车间级网络系统和工厂级网络系统等不同层次。集散系统 中参加网络通信的最小单位成为节点。发送信号的源节点对信息进行编码，然 后送到传输介质( 通信电缆) ，最后被接收这一信号的目的节点接收。网终通信 的三要素是：要保证在众多节点之间的数据合理发送：必须将通信系统构成一定 网络：遵循一定的网络结构的通信方式。 2 7 1 通信介质 通信介质又称为传输介质或信道，是连接网上站或节点德物理信号通路。 垦竖堡三茎兰堡主兰堡垒奎 它主要有双绞线，同轴电缆和光纤三种。 1 双绞线 把两根平行导线按定的节距绞合在一起的信号线称为双绞线。由磁场干 扰引起的感应电流，在处于相邻绞线回路的同一根导线上方向相反，互相抵消， 从而能较好的抑制电磁感应干扰。双绞线频带宽为1 5 k h z 或更贫。双绞线的价 格比同轴电缆低的多，通常把多股导线封装在屏蔽护套内构成一根电缆。由于 双绞线具有较大的分布电容，故不宣传送高频信号。 2 同轴电缆 同轴电缆由中心导体、定中心导体的电介质绝缘层、屏蔽导体和外绝缘层 构称。它又分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆两种。它们的传输速率可分别达 到l o m b p s 和5 0 m b p s ，传输距离为几k m 。同轴电缆的抗干扰能力比双绞线好， 可以传送中频和高频信号。同轴电缆中心导线数少，安装时必须特别小心。若 外层圆筒形导体弯衄或变形。则电缆阻抗容易改变，致使信号衰减。因此，在 使用中对于不同尺寸的同轴电缆，都应按它规定的最小弯曲半径和最大长度进 行连接：连接时都需要用专用接头，以实现阻抗匹配。同轴电缆成本介于双绞线 和光缆之间。 3 光缆 网络信号也可经光缆转换成光信号，在光缆中进行传输。光信号在光纤中 的传输速度大约是电信号在铜导线中传输的2 3 ，因此光缆传输的延迟就大些。 但光导纤维不