（热能工程专业论文）可视化控制系统仿真组态软件开发.pdf

摘要 。、 随着控制系统和计算机技术的发展，集散式控制系统( d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ，简称d c s ) 以其先进性、灵活性、高可靠性和合理的性价 比，在电力行业中广泛应用于电厂的运行控制。与之相适应地，电站仿真 培训装置的操作方式也在向d c s 方式的方向发展。基于d c s 的全c r t 仿 真机，不仅与机组实际运行方式一致，能逼真再现操作环境；而且可以具 备多种配套功能，使仿真系统功能更趋完善，并可大大节省仿真机的造价， 具有广阔的应用前景。 、以2 0 0 m w 火电厂全c r t 仿真机的开发为背景，1 本文开发了一套可视 化控制系统图形组态软件。采用结构化的方法，对实际控制环节进行建模。 采用高级编程语言开发了图形化组态平台，在该平台上，工程师通过可视 化的图形方式，调用、连接图元，绘制控制组态图。利用系统提供的接口， 建立控制系统与对象模型之间的数据联系。系统将自动根据回路图的拓扑 关系决定控制功能模块的调用顺序，产生反应控制规律的执行文件。控制 系统文件以d l l 形式在线下装至模型机。通过教练员台控制，实现新系统 的初始化和无扰切换。! 组态软件不仅包括闭环控制，也包括顺序控制和联 锁保护，可用于热控工程师组态培训和控制系统在线分析。 本文开发的组态软件，并不是纯粹地模拟某种控制系统的组态软件， 而是希望热控工程师能够借助本软件掌握d c s 的组态思想。另外，本软件 组态产生的控制源代码也能参与实际控制运行，进行控制参数的调试、控 制策略的检验。所以，也可视为一套新的组态软件。 为验证系统的有效性，对组态软件进行了测试。在组态平台上搭建了 一个单级回路、一个串级回路和一个僳护回路，产生其控制文件，并通过 测试平台检验控制系统d l l 的下装、初始化和无扰切换等过程。测试结果 表明，组态软件可以正确地产生反映回路结构的控制文件，控制系统可以 有效地实现下装和初始化运行。 蒸真，弋专撕盼绫 集散控制系统，仿真，匆l 态、智絮眉事骆坎 a b s t r a c t w i t l lt h e d e v e l o p m e n t o fc o n l r 0 1 s y s t e m a n d c o m p u t e rt e c h n o l o g y , 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 、h a sb e e na p p l i e di nt h eo p e m u o no fp o w e r s t a t i o nf o ri t sa d v a n c e m e n t f l e x i b i l i t y h i 吐r e l i a b i l i t ya n dr e a s o n a b l e c o m p a r e o f c a t i l l t ya n dp r i c e 1 】1 cw h o l ec r t s i m u l a t o rb a s e do nd c si sn o to n l ya c c o r d w i t ht h ea c t u a lo p e r a t i n gm e t h o d , i tc a l la l s oi n t e g r a t e sk i n d so ff u n c t i o n st o r e i n f o r c et h ec a p a b i l ho f s i m u l a t o ra n dc a nc u td o w ni t st o t a lc o s t w i t ht h eb a c k g r o u n do ft h ed e v e l o p m e n to fw h o l ec r ts i m u l a t o rf o r 2 0 0 m w p u l v e r i z e df u e lp o w e rs t a t i o n , as e to fv i s u a ls i m u l a t i n gc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ef o rc o n l r 0 1s y s t e i nh a sb e e n d e v e l o p e d i nt h i sp r o j e c t w i t ht h es t r u c t u r e m e t h o d , t h ea c t u a lc o n l r o l h n gb l o c k sh a v e b e e n m o d e l e d ag r a p h i cc o n f i g u r a t i o n f l a tr o o fh a sb e e nd e v e l o p e db ya d v a n c e dp r o g r a m m i n gl a n g u a g e b yt h i s i n t e r f a c e t h ee n g i n e e rc a i lb u i l dh i sc o n f i g u r a t i o nd i a g r a mi nt h ev i s u a lg r a p h i c m e t h o d a c c o r d i n gt h es y s t e mi n t e r f a c e ，i tc a nb u i l dr e l a t i o n s h i p sb e t w e e n c o n t r o ls y s t e ma n dt h em o d e lo fu n i t 。n l es o f t w a r ec a ns e tu pt h ec a l l i n g s e q u e n c eo f t h ec o n t r 0 1b l o c k sb yt h et o p o l o g yo f e o m a g u r a t i o nd i a g r a m i tc a n a l s og e n e r a t et h ee x e c u t i v ep r o g r a mw h i c hr e f l e c t st h ec o n u - o lo r d e r l i n e s s 1 1 1 e c o n t r o ls y s t e m sp r o g r a mi sd o w n l o a d e dt om o d e ls t a 矗o ni nt h em e t h o do fd l l r n 碡n e wc o n t r 0 1s y s t e mw i l lb ei n i t i a l i z e da n db es w i s h e dw i t ht h eo l do n e w i t h o md i s t u r bb yt h ec o n t r o lo f t h et r a i n i n gs t a t i o n n o to n l yt h ec c s ，t h es c s a n dt h el o g i c a lc o n n x ) l8 咒a l s oi n c l u d e di nt h i ss 。曲愀n d sc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ec a nb eu s e df o rt h et r a i n i n go f c o n t r o le n g i n e e ro f c o n f i g u r a t i o na n dt h e o n l i n ea 1 1 a l y z m go f e o n l r o ls y s t e m n l cg o a lt od e v e l o pt h i ss o t b g a r ei sn o tt oc o p yo n ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e o fac e r t a i nc o n l r o ls y s t e m i h em a i no b j e c ti st ol e tt h ec o n l r o le n g i n e e rt om a s t t h ei d e ao ft h ec o n f i g u r a t i o no fd c s b e s i d e s ，t h ec o n t r o lp r o g r a mg e n e r a t e db y t h i ss o 小, v a r ec a n p a r 6 c i p a t ct h e a c t u a lr u n n i n g i tc a nb et r e a t e da san e wk i n do f c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e n 他s o r w a r eh a sb e e nt e s t e di no r d e rt ov a l i d a t ei t sa v a i l a b i l i t y as i n g l e s t a g ec o n t r o ll o o p ab u n c hs t a g ec o n t r o ll o o pa n d a p r o t e c tl o o ph a v e b e e nb u i l d u s i n g t h i sc o n f i g u r a t i o ns o f i 、a r e n 砖i re x e c u t i v ep r o g r a m sa r ca l s og e n e r a t e db y t h es y s t e m 1 1 1 ep r o c e s so f d o w n l o a d i n g , i n i t i a l i z a t i o na n ds w i t c h i n go f t h ed l l o f t h en e wc o n t r o is y s t e ma r ea l s ot e s t e d n l er e s u l t st n o v e dt h a t t h ec o n f i g u r a t i o n s o f t w a l 呛c a ng e n e r a t et h ec o n t r o lp r o g r a mp e r f e c t l y ，a n dt h ec o n t r o ls y s t e mc a n r e a l i z ed o w n l o a d i n g , i n j d a l i 西n ga n d n a m i n ge f f e c t i v e l 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 ，d c s ，s i m u l a t i o n ，c o n f i g u r a t i o n 1 l 重庆蝴士学位做 1 奶畿裁螺课题睹景 1 文献综述及课题背景 1 1 仿真培训装置的发展及现状 1 1 1 电站仿真培训装置的发展 电站仿真培训装置始终是随着电力工业水平的发展而不断发展的。 从1 9 6 6 年第一台火电机组模拟式仿真训练器诞生以来，在短短几十年 问，仿真机作为电厂操作人员的训练器，其重要性越来越为各国电力部 门及电厂的管理层所认识。自1 9 8 1 年我国第一台自行开发的火电站全 仿真训练器问世至今，我国电力行业已有数十家单位拥有这种仿真机。 由于研制期间的电力发展水平所限，这些仿真机绝大多数停留在硬盘 台、全范围的基础上。它们模拟的对象单一，运行方式、操作方法在研 制期间就已决定，远远不能适应日新月异的发展，造成大量资产的闲置。 在这种情况下，有些学者提出紧凑型仿真机的概念口1 。采用普通p c 机 组成仿真培训装置，在p c 机上完成模型运算，通过c r t 显示工艺流程 和重要参数，通过键盘或触摸屏在显示屏上进行操作“删，不仅完全 能够实现硬盘台仿真机的功能，而且还具备其他如工程分析、专家系统 等功能，同时，仿真机的造价却大大降低。有的学者进一步提出，利用 计算机的网络功能，将全国的电站仿真培训装置、电力系统仿真装置联 网，组成国家电站仿真培训网p 】。学员在联网的仿真机上运行时，不再 局限于本系统，可以与现场一样感受网上调度、潮流、电压等对本仿真 机的影响，增加培训的真实度。 1 。1 。2 全c r t 仿真培训装置的开发 随着控制系统和计算机技术的发展，我国电力工业的自动化水平有 了显著提高。集散式控制系统c s ) 以其先进性、灵活性、高可靠性和 合理的性价比，在电力部门中广泛应用于电厂的运行控制，尤其是新建 电厂，已经取消常规仪表和手动装置，采用了全c r t 监视和键盘( 触 摸屏) 操作m l 。原电力部向各电厂推荐- j a 类d c s 产品，如表1 - 1 所示。 重庆大学硕士学位论文1 文献缘d 汲课题背景 a c s _ 3 0 0 0 ( 5 0 0 0 )日本日立阳逻、铁岭 i ，a 系列美国f o x b o m 高坝 m a x 1 0 0 0 美目孰贮s 公司彭城、曲靖、丰城 n - 9 0 0 n f o - 9 0 )b a i l e y 公司 大坝、达拉特、维坊 t e l e p e w a - m e s i m s 公司 嘉兴、台州 d p f西屋公司 青岛、汉川 c o r c c o n b e 德国哪出 p r o f t o i - pa b b 深# l 晒部电厂 面对这一全新的课题，无论是电厂运行人员或专业工程师，还是电 站仿真领域的研究和开发人员，都面临着如何更好地掌握d c s 控制系 统的结构和原理，尽早适应这种运行方式的问题。在这种情况下，基于 d c s 的全c r t 仿真机应运而生。下面就以重庆大学系统仿真研究所为 贵州电力学校开发的基于d c s 的2 0 0 m w 火电机组全c r t 仿真机为例， 对全c r t 仿真培训装置作一个介绍。 基于d c s 的全c r t 仿真机的结构 1 ) 硬件配簧 图l l 基于d c s 的全c r t 仿真机的组成 图1 1 表示了一套全c r t 仿真培训装置的配置。该仿真培训装置系 统基于1 0 0 m 带宽的星型网络，网络平台为w m d o w sn t ，由若干台操 作员站( 数量由用户决定) 、一座教练员台、一台工程师站、一台模型 机、网络服务器及打印机、投影仪等辅助设备组成。操作员台采用d e l l 机，主频3 5 0 m h z ，显示器1 9 英寸；教练员台、工程师站、模型机主 机配置与操作员台相同，显示器为1 5 英寸；网络服务器采用h p 机； 各站点通过h u b 相连，教练员台通过分频器与投影仪相连，将教练员台 重庆大学硕士学位论文1 文献综数课题背景 的画面投影到操作员台前方的大屏幕上。 2 ) 软件组成 该全c r y 仿真机的软件由对象模型s i m m o d 、操作员台监控软件 c r t p 、教练员台控制程序t r a i n e r 、监控画面组态软件p i d s 以及控制 系统回路组态软件组成。整套装置由教练员台控制程序t r a i h e r 控制调 度，以线程的方式调用对象模型，在模型机与操作员站之间实现数据传 输；s i m m o d 位于模型机，以d l l 的形式被t r a i n e r 调用；c r t p 软件位 于各操作员站，实现操作站的运行；p i d s 软件是操作员台监控画面组 态软件，借助该软件，可在线离线修改操作画面；控制系统回路组态 软件是控制算法组态软件，位于工程师站，利用本软件，可以在线，离 线进行控制回路算法的组态。 全c r t 仿真机的优点 1 ) 操作环境、运行方式与现代大型机组一致，逼真度高 现代大型火电机组采用d c s 后，操作员站全部采用工业借通p c ， 运行控制通过软手操在c r t 上实现。控制盘台只保留必需的硬开关， 控制室保留监控墙用于监视重要参数。从前述c r t 仿真机的结构组成 可以看出，无论是操作环境还是运行方式，该仿真培训装置的逼真度还 是非常高的。如图1 2 就是仿真机操作员台的一幅操作画面。 图1 _ 2 操作员台界面 2 ) 造价少、投资低 基于d c s 系统的全c r t 仿真机，不仅与现代大型机组实际运行方 式一致，能逼真再现操作环境，而且将大大降 氐仿真机的造价。据测算， 重庆大学硕士学位论文1 文献综述及课题背景 i i i i i i i 国产硬盘台仿真机的价格一般在6 0 0 万元左右，其中b t g 盘台及操作 员台1 0 0 2 0 0 万元，各种接口5 0 1 0 0 万元，主机般5 0 - , 1 0 0 万元，硬 件造价几乎占总造价的2 3 t ”1 。如果采用全c r t 仿真机，b t g 盘台将由 c r t 图形操作界面代替，并省却了为数众多的接口，只需若干台操作员 站( 数量由用户决定) 、一台教练员台、一台模型机、一台工程师站、 网络服务器及打印机、投影仪等辅助设备。在计算机技术飞速发展的今 天，用普通p c 机完全可以实现仿真机的各项功能。硬件方面总的投资 一般只需要4 0 - - 5 0 万，仅仅是b t g 盘台仿真机硬件投资的1 1 0 。 3 ) 功能强大 传统的硬盘台仿真机，一般只针对某一特定机组建立全范围仿真模 型。设计工作一旦完成，仿真机的对象模型、运行方式就决定下来，其 对象特性不变、运行方式单一、功能单一，不利于培训工作的长期开展。 并且只能用于培训工作，没有充分发挥设备的功效。 基于d c s 的全c r t 仿真机，一套仿真软件一般几百兆，对于目前 计算机硬盘海量的存储能力完全绰绰有余；基于网络的运行模式将软件 的运行分摊到各计算机并行完成，减轻了系统的负荷；再加上高容量的 内存、高速的运算以及宽带网的高速传输，使基于d c s 的全c r t 仿真 机在完成一套机组的仿真工作之余，系统性能仍然有极大的冗余，这就 使全c r t 仿真机还能够具备许多传统硬盘台仿真机所不具备的功能： 一机多模 建立多个不同容量、不同类型机组的对象模型，建立不同d c s 的 控制系统模型就可以实现对不同机组、不同d c s 的仿真培i ) l i 。培训系 统的适应性增强，更加灵活。 控制系统工程分析 通过在工程师站离线在线建立控制系统回路模型，可以检验控制 策略、整定调节参数，通过建立系统回路模型，可以计算系统经济性。 专家系统 建立仿真培训自学习系统，可以实现学员在线自学习；建立对象模 型库，实现热学科计算机辅助设计、教学；建立运行故障专家系统，实 现在线故障分析。 随着计算机技术、控制理论和人工智能的发展，全c r t 仿真机将 向着复合型电站仿真装置的方向发展。 4 ) 适应性强 传统的硬盘台仿真机除对象模型外，其他功能都用硬件实现，适应 性、灵活性差，一经设计完成，系统很难进行修改、升级；而全c r t 仿真机，所有功能全部通过软件实现，只需在前期设计时对各部分接口 4 重庆大学硕士学位论文1 文献综述及课题背景 作出规范，预置部分冗余的容量，在以后的仿真运行当中，可以很方便 地对相关软件进行修改、增删，加入新的软件、新的功能，灵活性得到 了极大的提高。 从以上对传统硬盘台仿真装置和全c r t 仿真机的比较可以看出， 随着我国电力工业水平的发展，基于d c s 的全c r t 仿真机必将会有广 阔的应用前景。 1 2 集散控制系统 4 3 】 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 ，简称d c s ) 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，可以方便地用于工业装置的生产控制和经营管理。预计到2 0 0 0 年，我国能源、冶金、化工、轻纺等部门，将需要1 0 万套工业控制系 统，市场规模将达1 7 0 亿一2 0 7 亿元人民币，其中：工业p c 机及o e m 产品3 5 亿4 0 亿元；嵌入式计算机及控制器2 5 3 0 亿；p l c 装置2 5 - 3 0 亿；d c s 系统3 0 - - 3 5 亿【5 】。表1 2 说明了d c s 在我国工业部门中的应用 情况。近2 0 年来，d c s 不断发展，结构日臻完善，技术更加成熟，已 经成为生产自动化不可缺少的自控装置。特别是9 0 年代，d c s 硬件方 面广泛采用技术指标更先进的高档工业p c ，有的甚至采用r i s c ( 精简 指令集计算机) 工作站，软件方面引入通用的商业化软件包，系统互连 方面采用国际标准的商业网络，逐步向信息集成的方向发展。 表卜2d e s 的应用情况( 截止1 9 0 8 年) 2 4 1 工业部门应用套数所占比例 化工 7 1 33 4 5 石化 3 9 31 9 2 油田 9 14 4 冶金 2 6 41 2 8 电力 2 5 l1 2 5 轻工 1 2 46 1 9 其他 2 2 11 1 合计嬲 1 0 0 - 5 - 重庆大学硕士学撇i 文献综i 极课礅 1 2 1 d o s 的体系结构 为了体现管理集中，控制分散的思 想，般把集散控制系统分为四个层次( 参 见图1 3 ) ： 1 直接控制级： 控制站直接与现场装置相连，对所连 接的装置实施监测、控制，同时，还与上 层计算机相连，接收上层的管理信息，并 向上传递装置的特性数据和采集的实时数 据。传统的d c s 控制层的结构如图1 - 4 所示。 2 过程管理级： 图1 _ 3d c s 结构模式 这一级的计算机主要有监控计算机、操作站和工程师站。它综合监 视各控制站的所有信息，集中显示操作，进行控制回路组态和参数修改， 优化过程处理等等。 3 生产管理级： 对于制造系统雨言，这一级主要根据产品各部件的特点，协调各单 元级设定参数。 4 总体管理和经营管理级： 这一级位于中央计算机上，担负全厂的总体协调管理。 图l 一传统d c s 的控制层 重庆大学硕士学位沈文1 文献缘叛课题背景 1 2 2d c s 的组成 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。 集中管理部分分为工程师站、操作站和管理计算机( 也称上位机) 。 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 键盘和打印机等组成，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，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和计算。 分散控制监测部分按功能可分为控制站、监测站或现场控制站，用 于控制和监测。 监视控制站包括三方面的功能； 现场检测模拟量、数字量及脉冲的输入输出并进行转换处理； 各种控制回路的运算( 调节回路、逻辑运算等) ； 控制运算结果的直接输出。 网络通信部分连接控制系统各部分，完成数据、指令及其它信息的 传递。 软件方面，集散控制系统软件包括实时多任务操作系统、数据库管 理系统、数据通信软件、组态软件以及各种应用软件。工控软件首先是 实时、多任务操作系统；应用软件应该重视实时性和可靠性，并有基于w i n d o w s 的友好界面，面向国内的产品尽可能汉化，同时做到模块化和标准化。软件 应该有开放眭，尽可能采用国际标准。 1 2 3d o s 的特点 控制功能多样化 d c s 采用标准化、模块化和系列化的方法设计。具有灵活的配置， 可以方便地增加或更改控制模块，实现多种控制功能和先进的控制策 略。d c s 最低一级的现场控制单元( l o c a lc o n t r o lu n i t ，简称l c u ) ，一 般都具有几十种控制运算算法如四则运算、逻辑运算、前馈、p i d 控制、 自适应控制和滞后时间补偿等，有的还包括顺序控制和逻辑控制、联锁 保护和报警等功能。针对不同工艺对象的不同要求，把这些功能有机地 结合起来，满足生产系统的要求。这种综合功能的组态和系统生成方法 对复杂的系统更能显示出优越性，特别是对与快速回路、快速复杂联锁 相关联并要求绝对安全的复杂控制，d c s 更是必不可少，而且常常需 要采用d c s 与p l c 的联合控制装置。 重庆大学硕士靴论文1 文献综述及课题背景 操作简便 操作站是功能很强的人机接口。早期的d c s 采用专用i o 设备， 成本高，功能简单。目前，d c s 大量采用通用显示器、键盘，甚至完 整的通用计算机，操作平台逐步向流行的w i n d o w s9 x n t 及u n i x 操作 系统移植。通过c r t 显示器可以对工艺对象进行综合性的集中监视。 通过键盘可实现各种操作功能【4 0 】。打印机可以即时打印各种需要的数据 和报表。d c s 的组态软件也由原来的填表式过渡到现在基于w i n d o w s 的图形组态方式，不仅操作更简洁、直观，而且还提供丰富的系统图元 和控制功能模块以及先进的控制策略，令组态工作更轻松。 便于扩展 d c s 可以根据不同规模的工程对象进行专门设计。部件设计采用 积木式结构，各种模板、模板箱和控制卡( 或箱) 可多可少地进行组合， 从而生成规模大小不同的系统。原有的小规模系统可以很容易地扩展成 大规模的系统，特别是利用了现场总线和智能仪表后，系统扩充更方便。 工程师站可以根据控制对象重新编程组态，按需生成自动控制系统。 维护方便 由于d c s 装置的硬件和软件，都按照标准化、积木化和系列化进 行设计，各种模板功能单一，便于装配和维修更换。系统有自动故障检 查诊断程序和再启动功能，维修非常方便。 可靠性高 硬件方面，采用系统结构容错技术和冗余备用；软件方面对程序采 用分段和模块化设计，采用程序卷回或指令复执，使得发生局部软、硬 件故障时系统仍然能够正常运行。系统还设计有在线快速排除故障的功 能，采用在线故障诊断、模件热拔插、硬手操备用等措施，保证了系统 的高可靠性和可用性。 1 2 4 发展趋势h 3 4 随着超大规模集成电路( v l s i ，v e r yl a r g e s c a l ei n t e g r a t i o n ) 技术、 智能仪表、计算机技术、容错技术、标准化通信网络、人工智能和知识 工程等的发展，标准化、开放化、智能化成为d c s 新的发展趋势。d c s 生产厂家不断引入新方法、新设备来改造传统d c s 的硬件和软件。特 别是9 0 年代以后，d c s 开始采用技术指标更先进的高档微机、标准化 的通信网络以及商品化的软件，使其具有了高度的开放性，鲁棒性更强， 可靠性更高，控制方法更先进更丰富，性价比更高，易于扩展，开发周 期更短，并正在向管理控制一体化的方向发展。 计算机通用化，软件商品化 随着计算机性能的飞速提高，价格不断下降，促进了普通微机在 重庆大学硕士学位论文1 文献综述及课髁 景 d c s 系统中的广泛应用。p c 机的原理、结构统一，不必担心维护、维 修和备件问题，尤其是p c 机拥有广泛的软件资源、网络支持和强大的 图形处理能力，能更进一步提高d c s 的功能和性能。当今d c s 的控制 站一般采用4 8 6 以上的c p u ，操作员站采用p e n t i u m 以上的i p c ( l n d u s t r i a l p r o c e s sc o m p u t e r ，通用工控机) 或r j s c 工作站。许多d c s 操作站还 加入多媒体技术，不仅具有友好的界面，而且实现了对现场装置实际运 行状态的监视和监听。 通用商品化软件包在d c s 中得到了广泛应用。d c s 和常规仪表控 制系统之间的本质区别就在于d c s 的控制功能完全靠软件设计来实 现。要使d c s 满足各种使用要求，除了要有高性能的硬件设备，还需 要与这些硬件相匹配的各种软件，软件的功能直接关系到d c s 的质量。 各d c s 厂家常常把专业软件商开发的软件产品拿来做d c s 的控制模 块，以提高d c s 的控制功能。d c s 操作平台向w i n d o w sn t 移植，更 便于互操和互通信息。所有这些举措都加速了d c s 的开放性。图形处 理软件、电子报表软件、数据库软件和多媒体软件都具有标准化的接口， 便于与其他商品化软件连接，也便于与其他系统连接。新一代d c s 普 遍采用动态数据交换( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ，简称d d e ) 、动态链 接库( d y n a m i cl i n k i n gl i b r a r y ，简称d l l ) 、目标链接与插入( o b j e c t l i n k & e m b e d ，简称o l e ) 、开放数据访问、结构化查询语言( s t r u c t u r e q u e r yl a n g u a g e ，简称s q l ) 和应用编程界面( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g i n t e r f a c e ，简称a p i ) 等技术，解决了与商品化软件的接口问题。 些新开发的d c s 将标准化的控制策略和先进控制方法以软件形 式融合进来，增加了系统的控制功能t 4 , 4 ”。如基于数学模型的多变量预 估控制( m p c ) 、专家系统、统计过程控制、自适应控制、推断控制、 模糊控制和神经元网络等控制策略，都可以以软件形式融合于d c s 中， 从而扩大了d c s 的应用范围，使现代工业过程客观上存在的复杂性( 如 系统结构和参数具有高维性、时变性、模糊性和非线性) 、不确定性( 系 统及其外部环境具有许多未知和不确定性的因素，这些因素会随着时间 或空间的变化发生难以预料的变化) 、高标准的性能要求( 因系统复杂 而导致的控制目标多样性和各种目标之间的矛盾性) 等问题得以解决。 近年来，w i n d o w sn t 和w i n d o w s9 5 成为台式机进行数据处理和 控制的流行的平台，许多d c s 的系统软件向w i n d o w sn t 移植【l ”。如 f o x b o r o 的姒系列把w i n d o w sn t 和o p c ( o l e f o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 的台式环境用于过程控制系统【4 9 1 ：h o n e y w e l l 的邪s 植用了具有o l e 和o p c 功能的w i n d o w sn t 操作系统；r o s e m o u n t 的r s 3 操作站亦采 用w i n d o w sn t 。运用这些技术后，用户连接更方便，现场装置接入控 制系统后数据更容易取得，使系统更加开放。 重良 ：学硕士学位论文l 克磷窬越列髓群 景 系统向综合化、开放化的方向发展 d c s 的通信趋势是向开放系统互连( o s i ) 的方向发展。所谓开放， 是要求各d c s 厂家的产品具有互换性、互操作性、可扩充性，并提供 多平台支持。早期d c s 的网络也是由厂家自己开发，与其他计算和自 控设备之间很难互相通信，形成自动化的孤岛，极大地阻碍了计算机控 制系统的发展。开放性成为d c s 厂商和用户共同关注的问题，并直接 导致了m a p 协议( 制造自动化协议，m a n u f a c t u r ea u t o m a t i o np r o t o c 0 1 ) 的产生。原有的专用网络被废除，系统内部的控制站和操作站均采用符 合m a p 协议的令牌环网( t o k e n r i n g n e t w o r k ) 、以太网( e t h e r n e t w o r k ) 或f d d i ( 光纤分布数据接口) 网络产品，使d c s 与外界的信息交换成 为可能。 采用人工智能技术 人工智能特别是知识库系统( k b s ，k n o w l e d g e b a s es y s t e m ) 和专 家系统( e s ，e x p e r ts y s t e m ) 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。 现代控制理论的探索 随着状态空间法的建立，现代控制理论已经逐步发展和成熟起来， 除线性多变量系统和最优控制理论外，随机控制、自适应控制、大系统 控制理论也已经成熟。目前，基于非参数模型的计算机控制、不确定性 系统的控制、分布参数系统的控制、智能控制等理论正与计算机技术结 合，促进着过程控制的发展。 引入现场总线口6 l 现场总线的引入促进了d c s 控制机制的分散。现场总线变革了传 统的模拟仪表，显示出更多的优点。智能化仪表可以支持双向信号数据 传输，并且具有多种功能和独立工作能力。采用智能仪表将使d c s 的 控制单元迸一步分散。 利用现场总线连接智能t 0 模块、现场设备和智能仪表，构成分布 式控制站，进而形成了控制网络、系统网络和管理网络三层结构的新型 d c s 。位于底层的i 0 模块、设备、智能仪表都具有独立运行的能力， 通过现场总线实现信息交换，即可完成检测、信号处理与转换、控制运 算、报警和自诊断等一系列功能。各个智能单元并不依赖于上位机，即 使上位机发生故障，各智能单元仍然可以独立运行并完成预定任务。 管理控制一体化 在激烈的市场竞争中，市场交易合同决定着各企业装置的生产负荷 和产品品种。这时，需要自动化系统提供更多的生产管理数据和市场交 易信息，甚至提供最佳生产策略，要求生产自动化把生产控制和企业生 1 0 - 重庆大学硕士学崮仑文1 文献综述及课题背景 产管理、经营决策结合起来，逐步从单一的运行控制向管理信息系统 ( m i s ) 、企业资源计划( e r p ) 的方向发展。现在的工业自动化系统 中，生产过程控制信息占8 5 ，生产管理信息仅占1 5 。而今后的工 业自动化系统，控制信息将由8 5 下降到4 0 ，管理信息将由1 5 上 升到4 0 ，其他信息占2 0 ，管理信息将成为企业的重要资产f 6 1 。 d c s 的控制网络与企业的管理信息系统( m i s ) 联网，即构成了d c s 与m i s 继承的计算机制造系统c i m s ( 或称计算机集成过程控制系统 c p i s ) 。当今企业综合信息控制系统的结构分为6 个层次，如下表所 刁r 。 表1 - 3 信息控制系统的层次及功能o 层次区域功能性质 经营管理 6企业 战略、供销、物流信息管理 工厂管理 0工厂 生产计划、管理、研发 信息控制 分厂管理 4 分厂 工程计划、生产数据、质量数据 运行控制 3单元单元控制 回路控制 2 现场站装置控制 l 设备机器驱动部分、自动化机构 其中2 、3 层的实施是d c s 可以充分发挥作用的区域。同时d c s 也为管理信息系统提供了有效的信息资源，用于生产管理和工艺过程解 析。d c s 从现场采集的大量实时数据经过压缩后可以长期保存，技术 管理部门可以随时利用这些数据进行解析、制表，辅助进行设备管理和 运行管理。例如进行各种趋势图、二元相关图的制作，物料平衡热量平 衡计算，库存量统计及库存平衡，生产计划修改，故障发生前后原因分 析，设备运行数据分析及维修计划预测等。这些工作可以在软件支持下 由上位机自动进行，借助计算机辅助决策系统( c a d s ) ，为生产管理 人员提供决策依据，以便实现生产单元的协调控制。通过整个生产过程 的总体优化，可以进一步对全厂生产调度、物料平衡、成本控制、库存 控制、质量控制和统计分析等功能实现综合自动化，形成现代企业的计 算机管理控制一体化系统。目前普遍在低两层网络采用以太网，高层采 用t c p i p ，软件采用s q l 、o p b c 或d d e 标准界面。通过这些标准化 网络将d c s 、p l c 、智能仪表和上位机等联系起来构成大型企业管控一 体化综合系统。 重庆大学硕士学位做1 文献综述及课题背景 1 3 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、控制站乃至操作站等系统硬件的配置。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 信息。应用软件的组态则是完成数据库、历史库和图形的生成以及进行 控制系统组态等等。 组态软件是数据采集与过程控制的专用软件。它是位于控制系统监 测层的软件平台和开发环境，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。其预置的软件模块可以实 现和完成监控层的各种功能，并能支持各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后，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、智能化的特点，所以具有很强的通用性。 控制模块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，将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 3 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 年代初进入中国市场，大的发展在 9 5 、9 6 年。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。现代企业的运行方式和管理模式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。 目前，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 ，h e u r i s t i c s 的o n s p e c ，i c o r d c s 的g e n e s i s ，w o n d e r w a r e 的i n t o u c h ，国内如清华的组态王、虎翼等等。另外，还有众多专门研 制开发的小型组态软件。但是，通用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。 1 2 - 重庆大学硕士学位缴l 文献综述及课题背景 表卜4 国外主要组态软件贪绍啪 软件名称 i n t o u c hf i x 研制公司 w o n d e r w a r e ( 美)i n t e l l u t i o n ( 美) 特点最早的1 6 位w i n d o w s 环境下的组态软件 优点图形功能比较丰氨i 0 硬件驱动丰富功能较i n t o u c h 强 控制功能较弱，i o 硬件驱动采用d d e 方 缺点实时性差 式，实时性较差，3 2 位环境下已受到冲击 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 - 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，不仅在界面上要求直观、操作简便，更要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。 1 3 2 组态软件的作用 d c s 的软件一般都采用较为成熟的软件模块。但是在将某d c s 产 品具体应用到实际场合时，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，要求可能差别很大。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 面通过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 3 3 组态软件的组成4 3 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、顺序控制组态系统、连续调节组态系统。 表1 - 5 表示了d c s 组态软件的组成及其功能。 表1 _ 5d c s 组态软件的组成及其功能 组成功能 实时数据库生成系统数据库点记录的编辑、记录的连接、转换和打印 历史数据库生成系统编辑历史记录、历史库与实时点的连接、趋势曲线 操作界面图形生成系统 生成操作监控画面、动态显示点的编辑、动态 点与实时数据和历史数据的连接 报表生成系统底表的编辑、点记录值的生成、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 1 3 - 重菀蝴士学位做 1 文魂藏劬晴魉潸景 实时数据库生成系统 实时数据是d c s 最基本的资源。实时数据库包括系统中各种点( 采 集点、输出控制点、计算中间变量点、控制算法结构) 的几方面信息： 点索引标识、仪表号、说明信息( 说明该