（计算机科学与技术专业论文）吉化污水处理厂污水处理集散控制系统.pdf

摘 要 吉化污水处理厂二期改扩建采用了英国欧陆e t w o r k 6 0 0 0 集散控制 系统，此系统对污水处理工艺流程中的2 8 个调节回路进行控制。为了 便于操作员监视和调节，建立两个分组匦面，每个画面设立1 4 套调节 仪表。同时监视3 5 8 个工艺参数。 n e t w o r k 6 0 0 0 集散控制系统，它的操作系统采用w i n d o w sn t 作为 实时操作系统，因而即实现了动态数据交换( d d e ) 功能，又与 w i n d o w s 应用程序链接起来，将实时数据送到w i n d o w s 应用程序中。 本系统比较适合象我厂这样控带十规模比较小的污水处理工艺，它 组态方便、使用简便，便于工程技术人员的维护和工艺操作人员操作， 系统投运以来，受到了各方的好评。 本文比较详细地阐述了n e t w o r k 6 0 0 0 集散控制系统的实时操作系 统、基本模拟调节器、控制规律、组态的基本方法、系统的开发利用， 并用简单的微处理器及相关部件模拟了相关的控制过程，这便于对本系 统深层次的了解和研究。 关键字： 集散控制 控制应用 控制模拟 a b s t r a c t t h e s e w a g ed i s p o s a lf a c t o r y o ft h ej i l i nc h e m i s t r y i n d u s t r yc o m p a n y a d o p t e d t h ed c so f e u r o t h e m p r o c e s sa u t o m a t i o n t h e s y s t e md i s p o s a l2 8l o o p s ，u p b u i l dt w og r o u p i n gm e n u ，e a c hm e n u h a s1 4a d j u s ti n s t r u m e n t s ，a tt h es a m et i m e s ，s t a k o u t3 5 8c r a f w o r k p a r a m e t e r t h e o p e r a t i n gs y s t e m o fn e t w o r k 6 0 0 0i sw i n d o w s n t ，i te a r l e x c h a n g e t h ed y n a m i cd a t a ，a sw e l la si tl i n k st h e a p p l i c a t i o no f w i n d o w s i t a s s a r e st h a tt h es y s t e mh a sr e a lt i m ea n d g r a p h u s e ri n t e r f a c e t h e s y s t e ma d a p t s t oo u rs e w a g e d i s p o s ec r a f t w o r k ，b e c a u s ei ti sl e s s e r c o n t r o ls c a l e ，i ti sc o r 】v e n i e n c ef o r c o n n g u r a t i o n ，e m p l o y i n g ，m a i n t e n a n c e ，h a n d l et oo p e r a t e s i n c et h es y s t e mh a dl u l t ，o u ra u t o m a t i z a t i o nh a si m p r o v e d ，a n dl i g h t e nt h e w o r k e r sl a b o ri n t e n s i o n t h er e a lt i m e o p e r a t i n gs y s t e m ，b a s i cs i m u l a ：t ea d j u s t e r ，c o n t r o lr u l et h e b a s i cm e t h o do f c o n f i g u r a t i o n , t h ee m p o l d e ro ft h es y s t e mw e r e e x p a t i a t e d i nt i f f st e x ti nd e t a i l a n ds i m u l a t e dt h ec o n t r o l p r o c e s sb vs i m p l e m i c r o p r o c e s s o ra n dc o r r e l a t e dp a r t s t h i sc a nc o n v e n i e n tf o rr e a l i z i n ga n d s t u d y t h ed e e pa d m i n i s t r a t i v el e v e 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 ls y s t e m c o n t r o la p p l i c a t i o n s i _ m u l a i o n 大连理工大学硕士学位论文 第一章前言 第一节课题的主要研究目的和意义 本课题涉及多方面的控制理论及其应用技术。如：实时操作系统、 控制算法、控制功能的实现、d c s 控件的机理等。因而通过研究这些方 面的问题，可以对深入理解这些应用技术有重大的帮助。 目前，企业正面l 临困境，生产效率的提高、生产成本的降低、增强 竞争能力等是当前企业急于解决的问题。工厂有些生产方面仍然采用传 统的方式，效率、标准化、准确度等仍较低，影响了企业的发展。通过 对此系统的开发，力求将系统的控制能力有所提高，监视范围有所扩 大，解决一次仪表及执行元件所固有的问题，从而全面提高工厂的自动 化水平，从真正意义上实现对各生产装置的控制，为下一步实施管理信 息系统打好基础。 第二节本论文的工作 因在具体解决某种控制问题的时候，需要了解d c s 的某些控件运行 机理，这样才请进一步开发此系统，在研究系统的某些原理时，我们用 简单的微机和些外围的控件来模拟其工作原理，通过这些工作，才能 第1 负 大连理工大学硕士学位论文 对系统的深层次的机理得到了解。我们在开发工作中主要分以下几个部 分： l 、硬件的设计和软件的编程 这里我们主要对系统的调节单元进行了模拟，采用t p 8 0 1 单板机模 拟其原理，系统中设计了模拟隔离板，可调参数板和手动操作板。软件 主程序按正作用( 即u 卜u 。增加时。输出8 p k 增加) 设计的，如需要 反作用，只须在模拟板接线时，调换u i 、u 。的接线端子。为提高运算 精度，采用8 位采样，1 6 位( 带符号位) 运算的形式。全部程序六百 多条，约占内存1 3 k 。 2 、研究适合我厂的能够克服纯滞后的控制算法 p i i ) 控制是应用最广泛的一种控制规律，数字p i d 控制系统可分为 位置式p i o ，增量式p i i ) 和速度式p i d 。现在在我厂增量式p i d 控制有 比较广泛的应用。 在我厂的生产控制过程中，大多数对象具有较大的纯滞后时间。对 象的纯滞后时间对控制系统的控制性能极为不利，它使系统的稳定性降 低，过渡过程变坏。当对象的纯滞后时间与对象的惯性时间常数之比大 于或等于零点五时，采用常用的比例积分微分( p i d ) 控制，很难获得 良好的控制性能，运用纯滞后补偿( s m i t h 预估) 控制后，系统的稳定 性得到了改善。 3 、对n e t w o r k 集散控制系统的实时操作系统的研究 n e t w o r k 集散控制系统的操作系统使用的是w in d o w s n t 实时控制系 统。随着软件迅速发展，w i n d o w s 为工业控制领域的发展注入了新的活 力。w i n d o w s 中令人注目的动态数据交换( d d e ) 功能，使同一台计算 机中的不同作业或多台计算机之间能动态交换数据，为 ：业实时控制软 第2 页 大连理工大学硕士学位论文 件中刀：发图形界面提供了有效途径。w jn s o w sn t 的推出，使务工业控 制软件丌发者把注意力投向了w in d o w sn t 。w i n d o w sn t 的应用程序建 立在个3 2 位的应用界面a p i ( a p p l i c a ti o ni n t e r f a c e ) w i n 3 2 之 上。w i n d o w sn t 可在p o w e r p c 、a l p h a 工作站、s g i 工作站等多种平台 上运行，还可以在各种硬件平台上运行，还可以在各种对称多处理上运 行。w in d o w sn t 支持u n i c o d e 便于汉化，其人机界面也采用了新型图 形界面。系统对象提供了系统的各种功能和服务，如语音报警、事件列 表、活动字幕等。研究它可以了解系统资源的瓶颈所在。 4 、n e t w o r k 6 0 0 0 集散控制系统在污水处理厂的应用 对系统连续过程的操作方法、历史趋势画面的建立与显示、报警介 绍、报表打印等内容，做了详尽的说明，目的是充分利用系统的资源。 第3 贞 查垄望三查堂翌主堂篁堡墨 第二章典型的集散控制系统 7 0 年代后期，山于半导体技术和计算机技术的迅猛发展以及现代 化生产的迫切需要，集散控制系统如雨后春笋般地涌现，世界各国相继 推出各种型号集散控制系统，尽管各家公司生产的集散控制系统各不相 同但它们都是由微型计算机为核心的基本调节器，高速通道，c r t 操作 站和监督计算机等主要部分组成。 基本调节器实现测量、控制的功能，每个基本调节器通常测量8 一 一6 4 个回路，基本调节器的故障，只是影响少数回路。另外，基本调 节器靠近现场跟传感器和执行器的连线大大缩短，因此可以降低连线费 用，减少干扰，提高系统的可靠性。 数据通道把系统中各个部分连接起来，进行数据交换，实现测量、 控制和集中监视。数据通道通常使用高速通道( d a t a h i g hw a y ， 即d h w ) 进行微机间的通讯。为了提高可靠性，高速通道采用双重化结 构，一条工作，一条备用，由切换开关相互切换。系统中的所有数据信 息，都是由高速通道传输的。每个数据信息都有自己的地址，只能由高 速通道指挥器( h w t d ) 的指挥进入目标地址单元的接口，所以不容易出 错( 另外还附加检错措旌) 。与高速通道连接的任何单元的故障，都不 影响其它单元的通信。高速通道用同轴电缆传输信息比用双绞线的传输 质量要高，干扰和噪声的影响小。由于高速传输，可以用电缆的多路切 换，从而减少引线费用。 c r t 操作站可以集中生产过程的全部信息，并在c r t 屏幕上显示出 来。c r t 可以显示多神画面，它完全替代模拟显示器，大大缩小了显示 第4 负 大连理2 1 2 大学硕士学位论文 平台，实现了对整个生产对程有效的集中监视。操作台的“智能化”， 使操作人员通过键盘操作，可以实现复杂的高级功能。 监督计算机通常使用中、小型计算机，配有高级语言( 如 f o r t a n ，b a s i c ，c ) 或汇编语言，并且带有多种外部设备。可实现高 级、复杂的控制和管理，对生产过程的管理功能包括：存取工厂所有的 数据和参数：按要求打印综合报告，进行长期的趋势分析和最优化的监 控。集散型控制系统使用十分灵活，可以适应不同规模和种类工厂的要 求，工厂也可以分期投资，逐步扩建。 第节集散控制系统的特点 集散控制系统自7 0 年代以英国霍尼威尔公司率先推出以来，由于 集散控制系统与常规模拟仪表和集中式计算机控制系统相比具有十分显 著的特点，已在过程控制领域中确立了主流地位，分散控制系统技术的 先进性和功能特点概述如下： 1 、采用微机智能技术 分散控制系统采用了以微处理机为基础的“智能技术”凝聚了计算 机技术、通讯技术、自控技术为一体，成为计算机的扩展领域。 分散控制系统中的现场控制单元，过程输入输出接口、c r t 操作站及数 据通讯接口等均采用微处理机，具有记忆、数据运算、逻辑判断功能、 可以实现自适应、自诊断、自检测等功能。 芷是由于采用了计算机技术，才使历史事件的长期记录处理快：快 速事件的实时响应成为可能，以满足过程控制中的需要。 2 、分级分布式结构： 第5 撕 大连理工大学硕士学位论文 分级分布式结构是分散控制系统主要特征之一，这是从系统工程出 发考虑系统功能分散、危险分散、提高日靠性、强化系统应用灵活性而 提m 来的，同时也使系统降低成本投资成本和便于维修。 分级分布式结构通常分为三级，第一级为过程控制级，即现场控制 单元，根据控制策略直接控制过程或对象的状态。第二级为优化控制 级，计算机工作站级，根据上层给定的约束条件，进行批量控制及对过 程控制进行设定点控制。第三级为工厂管理，大型管理计算机，其任务 是决策计划、管理、调度与协调，根据系统总任务或总目标，规定各级 的任务，担负级间的协调。 3 、丰富的功能软件包 分散控制系统具有丰富的功能软件包，它能提供控制运算模件，控 制程序软件包，过程控监视与显示程序包，信息检索和报表打印程序 等。 由于应用软件模块化，用户只须根据系统设计的要求进行组态，就 能达到程序设计的目的，分散控制系统组态方法有两种，功能块方式、 结构式语言方式，控制功能模块的连接方式为菜单式或填表式，结构式 语言、有c 语言、l a d d e r 逻辑语言及控制语言。 采用局部网络通讯技术 分散控制系统的数据通讯网络是典型的局部网络，传输实时控制信 息，迸行全系统信息综合管理。一般现场级通讯网络主要是对分散的过 程控制单元、人机接口单元进行控制，操作管理，这级网络一般是按厂 家的标准和通讯协议形成的网络，而工作站间的及工作站与管理计算机 之间的主干通讯网络，一般为开放式结构，即采用网络标准为美国电子 和电。tl 程师切哙的i e e e 8 0 2 3 ，8 0 2 4 ，t 一) - - 自动化协议的l f i p 3 0 ，采 第6 页 大连理工大学硕士学位论支 用e t i | e r n e t 或令网结构，信道传输速率可达5 l o m b s ，误码率低 于】0 1 0 。o ，丽大多数分散控制系统的通讯网络采用同轴电缆或 光电传输媒质，通讯的可靠性与安全性大大提高。 分散控制系统采用先进的局部网络技术是优于模拟仪表控翩系统和 计算机系统的主要特点之一。 4 、强有力的人机接口功能 随着微处理器的迅速发展，操作站c p u 的处理速度和存储容量都大 大加强了，功能的增强也使易掌握的操作性提高了，c r t 显示技术的发 展，使画面更加丰富，操作更加简单，现有彩色c r t 操作站有2 5 6 种颜 色带触摸屏跟踪球或鼠标器操作画面，带有高功能分级报警功能，全画 面可在i 2 秒内调出显示。 通常有总貌显示，报警汇总，操作编组，点调整，流程图，趋势画 面等画面，来满员用户的需要，在流程图画面上还有可以组态，各种窗 口、趋势、仪表图、报警过程变量等窗口，有丰富的信息打印输出功 能。标准报表打印，报警打印，班报、月报等自由报表打印，有电子音 报警功能和系统维护功能。 分散控制系统的人机接口，适应了现代化工艺生产控制操作、 管理的各种要求。 5 、采用高可靠性的技术 高可靠性是分散控制系统发展的重要因素，没有高可靠性就没有分 散控制系统。 保证高可靠性，首先硬件的工艺结构来保证，大量使用c m o s 降低 功耗，通过金属板屏蔽、散热，在很高水准上对每一个元件部件进行分 选和进行可靠性测试。 第7 贝 大连理工大学硕士学位论文 保证可靠性的另一个不可少的技术就是冗余，冗余技术基本代表分 散控制系统的特点，系统各人机接i 、控制单冗过程接口、电源、控制 用t o 模件采用冗余化的配置，通讯接l j 、内部总线、系统通讯网络也 均采取冗余措施。 第二节集散系统的一般构成 集散系统一般由现场控制单元和显示操作站两部分组成，现场控制 单元用于数据采集、过程控制，显示操作站用于人机对话、数据监控。 集散系统一般由以下五部分构成 l 、现场控制单元( 用于过程控制) 2 、用于数据采集和输入输出监视的接口模件 3 、显示操作站( 具有管理功能的人桃接口模件) 4 、通讯网络系统及网络设备 5 、上位机及其接口 以上五部分中，每个模件都有自己的数据库，以提高整个系统的可 靠性。 第三节集散控制系统的发展概况 集散控制系统的产生： 由常规的模拟式调节仪表构成的过程控制系统，成本低、可靠性 高，容易维护和操作。但是随着生产的发展，模拟式调节仪表的局限性 第8 页 大连理工大学硕士学位论文 越柬越明显，如模拟仪表难于实现多变量解耦控制以及其它复杂的控制 规律；控制精度不高；生产规模的扩大和工艺的日益复杂，仪表控制系 统越来越多，控制室仪表屏越来越大，难以实现集中操作和显示；各个 系统之间难于实现通信：当生产工艺要求变更时，往往需要变更调节仪 表。 计算机控制系统可以克服模拟调节仪表的上述缺陷，计算机控制系 统可以实现复杂的控制规德，各个分系统之间可以实现通信，能集中操 作和显示，控制精度比较高。 在计算机控制系统中，一台计算机控制几十个乃至几百个圃路，一 旦计算机发生故障，将影响整个系统的工作，系统的可靠性比较低。当 然，为了提高系统的可靠性，可以采用双机运行方式，但是成本就会提 高。 7 0 年代工业的发展使生产过程更复杂，规模更加扩大，其中石油 化学工业尤为突出。生产规模的扩大和复杂，事故不断出现，而集中控 制，出现事故会中断生产，因此生产的发展迫切要求高可靠性的计算机 控制系统。在总结模拟调节仪表和计算机控制的优缺点的基础上，发 展、形成了集散控制系统。 7 0 年代微电子技术和计算机技术的重大突破，为集散控制系统提 供了体积小、功能强、可靠性高、价格低廉的微处理和各类半导体芯 片，为发展集散控制系统奠定了物质基础。 集散控制系统可以看作是计算机( c o m p u t e r ) 技术、通信 ( c o m m u n i c a t i o n ) 技术、阴极射线管( c r t ) 显示技术和控制 ( c o n t r 0 1 ) 技术的结合。 第9 页 大连理工大学硕士学位论文 7 0 年代初，美同、n 本和欧洲等各国丌始研制集散控制系统。 1 9 7 5 年美国、日本等公司先后发表了各自研制的集散控制系统，蠲j r d c 一2 0 0 0 ，t o s o i c ，c e n t u m ，u n t r o l ，m i c r e x 等系统。 现在集散控制系统应用越来越广泛，据统计霍尼威尔公司的1 、d c 2 0 0 0 系统，载至i 9 8 1 年2 月已投入了1 2 万个回路7 0 0 个系统，用 户达3 6 5 个，遍及3 5 个国家。日本东芝的t o s d i c 系统到1 9 8 1 年3 月 已投运11 0 0 0 个回路，广泛应用在钢铁、石油、化工、电力、水处理、 原子能等工业领域。 1 9 8 3 年1 0 月霍尼威尔公司发表了新一代的分散型信息很容易理控 制系统t d c s 一3 0 0 0 ，这个系统是在t d c s - 2 0 0 0 系统的基础上，组织国际 性研究设计力量( 包括美国、欧洲、日本和加拿大等) 历时五年研制成 功的。t d c s 一3 0 0 0 的开发，解决了过程控制系统与信息管理系统的协 调，为实现整个工厂的生产管理提供了最佳系统。 集散控制系统的发展动向： 基本调节器回路数的多少跟成本、可靠性、通信灵活性和危险性的 分散性有关，早期集散控制系统的基本调节器的回路数是1 6 6 4 ， 后期开发的系统是少回路4 8 回路，8 0 年代以后出现了只控制l 一2 个回路的单回路调节器。最近又开发了直接安装在现场调节阀上的 单回路调节器，成为新一代的基地式仪表。 单回路调节器，成为今后集散控制系统的主要发展方向。 1 、基本调节器除了p i d 和其它算法外，还将逐步采用较为有效的 新的算法如泰勒( 1 a y i o r ) 公司的s l m c 5 2 6 0 r 单回路调节器具有增益自 适应功能。 2 、加强通信私人、机联系功能 第i 0 页 大连理工大学硕士学位论文 采用光导纤维代替高速数据通道，并统一通信规程：c r t 操作站上 简化操作，减少误操作，提高操作台的可靠性；发展标准的c r t 画面， 允许用户编辑显示格式；促进过程控制语言的发展和使用。 3 、研制和发展集散型信息管理和控制系统 生产的发展不仅要求生产过程的控制，而且要求把生产的管理跟控 制结合起来，如霍尼威尔公司推出的t d c s 一3 0 0 0 系统。 4 、提高系统的可靠性 做出无故障的硬件是不可能的，在要求超高可靠性的系统中，硬件 必须是冗余化的，因此必须研究冗余化技术即双重和后备技术。 在提高硬件可靠性方面，可以做如下几方面的工作：开发低功耗的元 件；尽量减少开关、接插件、插座、表头；尽量少用电解电容、内部电 池、c r t 等有寿命的元部件。 5 、加强软件的研究 规格记述语言的标准化；通用功能的标准化、模块化；改善软件语 言和操作系统；确定校验方法和充实纠错手段：文件的自动化。 目前应力求灵活运用现代控制理论，以得到通用的控制算法。 第1 i 页 大连理工大学硕士学位论文 第一章新型的集散型信息管理摔制系统 n e t w o r k 6 0 0 0 第一节n e t w o r k 6 0 0 0 集散型控制系统简介 n e t w o r k 6 0 0 0 集散型控制系统是英国欧陆公司在原n e t w o r k 的 基础上，在1 9 9 5 年1 月发表的。系统的结构如下： n e t o r k 6 0 0 0 系统是为了解决当前过程控制领域内关键问题过 程控制系统与信息管理系统的协调，为实现全厂的生产和管理而提供最 佳系统。 i 、系统的构成如3 1 所示 陌丽 1 j 剀3ln e t w o r k 6 0 0 0 系统的方框图 第1 2 页 大连理工大学硕士学位论文 ( a ) 装置对应型人一机接口 图3 2 人机接口方式 ( b ) 练合管理型人一机接口 ( “单一窗口”方式) 由图3 1 可以看出n e t w o r k 6 0 0 0 系统包含了原n e t w o r k 系统的全部设 施，但是n e t w o r k 6 0 0 0 的设计思想则有了进一步的发展，其中： 完全包含原n e t w o r k 的高速数据通道：引入了“单元”的概念，确 定了与过程装置相对应的工厂运行管理方法：与过程有关的设备跟原 n e t w o r k 的高速数据通道连接，n e t w o r k 6 0 0 0 的各个设备由局部控制网 络( l i n ) 连接：高速数据通道与局部控制网络之间的信箱交换则通过 通信接口。 由于以上设计思想，使n e t w o r k 6 0 0 0 具有如下特点： 过程级的数据采集和控制，采用原有的n e t w o r k 集散控制系统：由 过程连接设备和各种功能组件的组合，可以灵活构成各种规模的系统； 局部控制网络上的设备，由于功能彻底分散，确保了系统具有高的可靠 性和处理能力；彳i 论系统的规模和组成有何不同，用同一个人一机接口 第13 页 田 圈 大连理工大学硕士学位论文 就能支持整个系统的信息，即所谓“单+ 窗n ”方式，如图： 2 ( b ) 所示： 2 、基本设备 除了原n e t w o r k 系统外，新加的n e t w o r k 6 0 0 0 局部控制网络上的设备 有： 局部控制网络l i n ，在局部控制网络上的各种用双重化的同轴电缆 以5 0 0 k b it l s 的速度传输数据，一个局部控制网络晟多可经连接6 4 台 设备；通用操作站u s ，通用操作站可以对整个工厂的生产运彳亍进行监 视、运行操作、运行档案的显示及打印，过程报警和系统报警等，还可 以实现全部工程管理、维修等功能；通信接口h g ，通信接口是局部控 制网络上的设备与原n e t w o r k 高速数据通道上的设备之间通信的接口， 局部控制网络在工作性质、通信速度、通信规程等与高速数据通道是不 相同的，但是h g 则具有变换调整功能，使相同工程单位具有统一的数 据形式；历史组件h m ，为了保存过程数据档案、事件档案，与l c n 相 匹配，在h m 中备有大容量的存储器，所存贮的数据，既可由通用操作 站显示、打印，也可由计算机组件进行数据处理；应用组件a m ，应用 组件是比原n e t w o r k 高速数据通道上的基本调节器( b c ) 更上一级的高 级控制运算组件，它利用标准的的控制算法和控制专用语言c l ，构成 具有高级控制功能的回路：计算机组件c m ，n e t r k 6 0 系统中有两种 计算机组件，c m 一3 0 是以微处理机为基础的组件，c m 一6 0 是计算机级的 组件。计算机组件比应用组件有更高一级的控制功能。另外c w 6 0 还具 有整个系统的数据处理功能和跟其它计算机通信的功能，实现全厂范围 内的信息管理。上述几种与局部控制网络有关的设备，全部采用通用化 的硬件，从而获得了系统的可靠性和很好的可维护性。 第】4 页 大连理工大学硕士学位论文 第二节n e t w o r k 6 0 0 0 集散控制的特点 n e t w o r k 6 0 0 0 是典型的集散型计算机控制系统。它具有很多特点： 它把批量、顺序和模拟功能组成一个完整的系统。系统巾每个单元只完 成几个功能，当其中某个元件发生故障时不会影响整个系统工作。整个 系统采用标准化、模块化结构，扩展极其方便，可靠性很高。它便于组 态，具有浮点运算能力，通信网络具有较高带宽，系统使用非常简便。 主要性能指标： 最大点数： 2 5 2 0 0 0 最多的控制回路： 3 6 0 0 0 最多的指示回路数： 1 4 4 0 0 0 控制回路数：每台c p u 控制模件数最多2 个回路，每个控制单元可插 入3 2 个控制模件，最多6 4 个回路。 具有顺序控制能力、数字输入、输出能力及c r t 显示画面能力。通信最 大长度2 k m 。 通信速度：5 0 0 k b s ( 千比特秒) 。 控制器件的硬件允许温度o 7 0 。 第三节系统的结构 构成图3 ，3 如下： 系统主要由五部分组成 l 、过程控制单元t 9 2 0 ； 筇l5 贞 大连理工大学硕士学位论文 3 、通信环路l i n 、a i 。i n ： 4 、计算机接口单元t 2 2 l ； 5 、监督管理计算机。 过程控制单元7 9 2 0 是系统中最基本的组成部分，它直接与过程控 制对象相联系，具有模拟及数字控制功能，每个系统可根据控制要求选 用一个至几十个t 9 2 0 组成。 通信环路l i f t 、a l i n 作为t 9 2 0 、t 3 0 2 、t 2 2 l 、工作站之闻的通 信，通信速度为5 0 0k b s ( 千比特秒) ，各相邻t 9 2 0 之间通信距离 为5 0 0 m ，以串行例外方式进行通信。 操作接口单元t 3 0 2 ：由微处理机为基础组成。通过诊断系统可以 监视t 9 2 0 、t 1 0 2 、t 1 0 0 等状态，可以进行控制系统的组态的参数调 整，还可以通过彩色c r t 画面显示生产工艺流程和主要动态参数，为操 作员进行各种操作提供方便。 计算机接口单元t 2 2 1 提供了工厂环路与上位监督计算机进行联系 的接口。上位监督管理计算机可以监督整个系统的运行，并可以控制与 管理功能密切地结合起来，完成更加复杂的控制。 以t 1 2 i 、t 9 2 0 、t 1 5 0 为例进行分析，t 1 2 1 为模拟量输入模块， t 1 5 0 为模拟量输出模块，t 9 2 0 为主c p u 和运算功能组件。 陶3 4 过程控制输入输出流 第1 7 页 大连理工大学硕士学位论文 过程信号的输入及控制信号的输出流程见图4 ，从模拟量输入端子 输入的模拟信号，经t 1 2 1 a d 转换进入t 9 2 0 主c p u 和运算功能组件， 加工后的信息经d a 转换作为输出信号送至某模拟量输出端子完成控制 功能。 控制软件和功能库的功能块，控制模件由t 1 2 1 、t 9 2 0 、t 1 5 0 组 成，其结构如下图3 5 ： e p r o m 图3 5 控制模件结构图 控制模件中过程接口的作用是经现场端子板采集现场输入信号并通 过端子板输出控制信号。所有软件都在e p r o m 和可改写的存储器e a r o m 中。e p r o m 中的软件由三部分组成。操作系统：用于控制多个任务连续 执行；控制固件：能提供算术运算、通信功能、过程i o 操作：功能程 序：库中集中了适合于模件操作的各种固定程序块。每个固定的程序块 称为功能块。组件中e a r o m ( 可改写只读存储器) 的作用是记入组态信 息，用以建立控制方案。功能库是一组常用的固定程序( 称为功能 块) 。其中包括l1 类功能的6 0 余种功能块。如在调节器控制和逻辑控 第1 8 负 大连理工大学硕士学位论文 制中有? i d 控制，超前滞后、逻辑“与”，“非”“或”，以及延 叫功能等。如下表所示。 表3 i 控制功能库 功能库分类功能 控制功能p i d 控制、p i d 控目0 1 偏差、脉冲定位自适应、手动加 载、大林控制器、史密斯预估器、贝克调整器 现场输入、输从现场端子板输入、输出模拟量、输入、输出数字量 出 模件总线的输从模件总线输入、输出模拟量、输入、输出数字量、数 入、输出功能字表、模拟表 厂区环路输从工厂通信环路输入、输出模拟量、输入、输出数字量 入、输出功能 信号选择功能高输入选择、低输入选择、传送数字量、模拟量 信号状态高低报警、值( 大小) 检验、量( 大小) 捡验 计算功能平方根、4 个输入求和、2 个输入求和、乘、除、函数 发生器、超前滞后、脉冲速率、高低限位、速度限位 逻辑功能时间延迟、存储、数字缓冲、逻辑与、或、非、计时 器、计数器、马达控制逻辑 站功能基本站、指示站、串线站、比率站 执行功能控制模件、逻辑主模件、模拟量主模件的执行、例外报 告时间的定义、输入、输出信号的分配 其它功能手动设置常数、手动设置开关、手动设定整数、闪烁、 脱出、遥控手动设定常数、分散模拟趋势 第1 9 负 大连理工大学硕士学位论文 第四节控制功能的实现一一组态 过程控制单元控制功能的实现靠组态过程。所谓组态，就是根据控 制功能的需要，指定印r o m 功能库中的功能块，用填表格的方法( 用键 盘输入) 指定功能块的参数和地址，进行功能块的连接。这一组态过程 的信息则记入可改写的只读存储器e a r o m 中，组态可随意改变，新的组 态信息可以方便取代被修改的组态，因此使用这种方法改变控制方案十 分灵活。 组态的基本单元是功能块，每个功能块由几个元素组成，如图： 1 、功能码：是给各功能块编排的序号，功能码与该块的功能是一 对应的。例如功能码为7 的功能块就执行开方功能，也称为开方功能 块。在该系统中的功能码规范表里提供了功能码规范及其对各功能块的 说明，可供髓时查阅。 2 、特征参数：每个功能块都有自己的特征参数s ，s ，s ， s 。，由用户根据要求填写。特征参数根据它的作用可分为两类，但并不 是所有块都同时具有这两类参数。 a n d 2 3 填写地址 参数说明 s ：第个输入块地址 s ，：第二个输入块地址 s s 、 y 000 0 lo 100 1 l 】 围4 l 两个输入“与”功能块 第2 0 贝 大连理工大学硕士学位论文 输 i 图42 功能块的组成元素图 功能码 特征参数 一类为链接参数，代表块与块之间的连接关系。 如图4 1 所示，它是两个输入“与”的功能块表示图。它有两个参 数，表示着2 个输入信号的地址，所守成的功能与通常所说的与门完全 一样，只不过是用“软件”把输入信号连接起来，它的输出则通过该块 所填写的地址来取用。 j 另一类为操作参数，即功能块完成功能操作所必须具备的参数。如 图4 3 所示：为偏差p i d 功能块表示图。这个功能块对过程变量和设置 值的偏差信号进行比例、微分、积分运算。通过适当选择s ，s 。， s ，s 。这四个参数，可以在很宽的范围内改变调节功能。其中s ，是 ( k ) 总增益；s 。是( k 。) 比例系数、s 。是( k f ) 积分系数；s 。是 ( k ，) 微分系数。 大连理工大学硕士学位论文 实现的功能： = p v - s p y 引即坻i e d t 城老， 式中e 是偏差e = 一6 圈4 3 偏差p i d 功能 参数说剧j s ：p v 输出地址 s ，：设定点块地址 s ，：跟踪信号块地址 s 。：p 目踪开关信号块地址 ( 0 ：跟踪：i ：不跟踪) s 。：( k ) 总增益 s6 ：( k 。) 比例常数 s ，：( k f ) 积分常数 s 8 ：( kd ) 微分常数 s 。：输出上限 s i o ：输出下限 s 设定点修改 s 1 2 ：反向或正向作用控制器 3 、功能块号：即功能块的地址，它包括控制单元号、模件号和功能块 号。例如写成6 3 1 0 ，即表明是6 号控制单元的3 号模件l o 号功能 块。功能块号是用户根据在组态时需要设定的，与块功能无对应关系。 图4 4 是鼓风机导叶串级控制回路的组态情况。串级控制回路如下 图所示： 目4 4 串级控制回路方框幽 第2 2 兜 大连理工大学硕士学位论文 串级控制系统由主回路及副回路组成，并具有主控和副控两个调节 器d ( s ) 与d 。( s ) ，在实现串级控制时，第二调节器即副控调节器 d ，( s ) 的给定值是主控调节器d ( s ) 的输出。 根据串级控制回路方框图选择适当的工能块，便可绘出串级控制回 路的组态图，如图4 5 所示： 串级控制回路由地址为2 0 1 ，l l ，1 2 的功能块组成主控回路；由块 地址为2 0 2 ，1 8 ，1 9 的功能块组成副控回路。 现场输入的模拟信号，通过由硬件组成的现场端予板，分别进入地 址2 0 l 和2 0 2 功能块，分别为块地址1 1 ，1 8 的p i d 功能块的过程变量 输入值( p v ) 。 主控回路p i d 功能块的设定值( s p ) ，由块地址1 2 的s t a 站功能 块提供。 副控回路p i d 功能块的设定值( s p ) 是主控回路p i d 的输出，这样 副控回路经块地址2 1 1 的输出去控制现场，实现串级控制。 这里应说明的是站功能块1 2 ，1 9 的作用：它是作为控制单元、计 算机接口单元和数字控制站的接口，也就是信号传递站。所有参数改变 是通过站功能块1 2 ，1 9 来实现的包括给定控制对象的运行参数、工 作方式和手动、自动的转换。 块1 9 的手动自动( m a ) 的作用如下：当自动时，副控同路设定 值( s p ) ( 由主控回路块地址1 l 输出值决定) 与副控回路( p v ) 值， 在副控回路p i d 功能块中运算，然后经块地址1 9 ，2 1 l 输出去控制现 场；当手动时，操作人员可以用手动方式直接控制输出，这时为保证副 控回路p i d 正常工作，块1 9 的输出值接到块地址1 8 的跟踪值( t r ) ， 而m a 接 鲸且 大连理工大学硕士学位论文 现场输入信号 现场输入情号 去控制现场 图4 5 串级控回路组态图 到块1 8 的t s ，作为跟踪开关。使p i d 手动工作时跟踪输出信号，使控 制回路投入自动时实现无扰动切换。 第五节n e t w o r k 集散控制系统的实时操作系统 第2 4 页 大连理工大学硕士学位论文 n e t w o r k 集散控制系统的操作系统使用的是w t n d o w s n t 实时控制系 统。现就w i n d o w s 操作系统在工、i k 中的应用作如f 阐述： 1 、w i n d o w s 在工q k 中的应用 w i n d o w s 和实时控制：随着软件迅速发展，w i n d o w s 为工业控制领 域的发展注入了新的活力。w i n d o w s 有助于组织和管理数据信息，利用 过程描述、历史趋势、面板等功能，可将数据用图形方式显示在彩色屏 幕中，并可同时观察多幅画面。w i n d o w s 中令人注目的动态数据交换 ( d d e ) 功能，使同一台计算机中的不同作业或多台计算机之间能动态 交换数据，为工业实时控制软件中开发图形界面提供了有效途径。 w i n d o w s 虽然具有多任务功能，但由于它的结构是为办公室自动化 而设计的不具备实时性和坚固性，人们很少将它直接用于实时控制，而 是寻求一种更佳的实时操作系统。因此i n t e l 公司推出了i r m xf o r w i n d o w s 操作系统，q u a n t u m 公司推出了q h xw i n d o w s 搡作系统，以及 i n t e l l u t i o n 公司推出了f i x 组态软件，b j 公司推出了r e a l f l e x f o r w i n d o w s 工业控制；软件等。这些控制系统没有抛开w i n d o w s ，而是通 过d o e 将它们原有实时控制软件直接与w i n 应用程序链接起来，将实时 数据送到w i n d o w s 应用程序中去。既保证了应用系统的实时性，又充分 利用了w i n d o w s 的图形用户界面。 w i n d o w sn t 的推出，使各工业控制软件开发者把注意力投向了 w i n d o w sn t 。现在已经成熟的w i n d o w sn t 在工业控制领域占有了一席 之地。 2 、w i n d o w sn t w i n d o w sn t 的应用程序建立在一个3 2 位的应用界面a p i ( a p p l i c a t jo ni n t e r f a c e ) w i n 3 2 之上。而w i n d o w sn t 面向的是技 第2 5 大连理工大学硕士学位论文 术型用户，其网络管理功能十分强大，系统的脚靠性高、安全性好( 具 有荧国国防部制定的c 2 安全缴) 。w i n d o w sn t 可在p o w e r p c 、a l p h a 工作站、s g i 工作站等多种平台上运行，还可以在各种硬件平台上运 行，还可以在各种对称多处理上运行。为d o s 、2 、p o s x 和 w in d o w s 所编写的应用程序都能在m 中运行。此外，w i n d o w sn t 支持 u n i c o d e 便于汉化，其人机界面也采用了新型图形界面。 w jn d o w sn t 的结构：w i n d o w sn t 的结构如图4 、6 所示，在有特权 的内核模式下，系统允许动用硬件的系统内存；而应用程序是在用户模 式下运行，需要利用系统资源时，它只有靠调用系统子程序。w i n d o w s 舯中与内核有关的部分被称为执行器( e x e c u t i v e ) 。 w i n d o w sn t 并非把全部代码都放于有特权的内核下，它依靠一组 用户模式下的子系统来支持不同的a p i 。 对象管理器：w i n d o w sn t 采用面向对象的编程控方式，系统中的 对象都用同一结构，用对象管理器对它们进行维护。每个对象的头含有 以下结构： 第2 6 负 大连理工大学硕士学位论文 * 护子系荟、 一 文装甏p 矿r ( 服务系统，一 、二 i ) 用月念 ； ； 核心态 ! wk 系统服务 7 对象安全进程本地虚拟1 o 管理程序 管理调用管理过程内存文件系统 程序监视程序调用管理 缓冲存储器管理程 程序功能程序序 内核设备驱动程序 网络服务程序 硬件抽象层h a l ) y山 ： ，v 硬件 消息传递系统捕获 u - 硬件操作 图46 w i n d o w s n t 结构 第2 7 负 大连理工大学硕士学位论文 刘象名 对象目录( 在各对象形成的层次树中的路径) 安哞：= 描述符 花费额度 打开句柄计数 打开本对象的进程队列 状态 模式 类型对象指针 w i n d o w sn t 管理对象的方式与管理文件的方式相似，使用一个对 象，先得用名称打开它，系统大多数部件都创建了适合自己需要的对 象。 w i n d o w sn t 的内核 内核通过处理中断、异常、调度线程等来管理进程。进程是容纳程 序的机构，它包含程序运行所需的所有资源。线程是执行单位，它寄生 于进程之中。进程通过对象表跟踪线程及其它对象。 进程内多个线程的切换与传统的多进程间的任务相比较，系统开销要 小得多，是一种先进的多任务技术，它由内核负责调度。 帮2 8 页 大连理工大学硕士学位论文 调度优 先级 l 调度优先级 3 l 线程j 1 9线程i 1 6 线程i t 1 5 线程g 5 线程e线程f 4 线程b线程c线程d 0 线程a 实 叫 可 变 的 优 先 级 就绪线程 图4 7 线程调度优先级 如上图所示，内核可支持3 2 个不同的优先级( o 3 1 ) ，将它们 分为两类，实时的和可变的。优先级从1 6 3 i 为实时程序所作的优 先级。例如，实时监控应用程序等要求处理器立即响应的程序线程，使 用这种高优先级 大多数程序的线程拥有( o 1 5 ) 之间的某一动态可变优先级。 这种动态优先级会随着需求( 如用户鼠标点击它的窗口) 而动态提高或 下降。这是调度程序为了优化系统响应时间，在线程执行过程中调整它 的优先级。线程提高的程度基于线程所执行的内容。交互式线程趋向于 运行在较高的可变优先级；i o 限制的线程运行在中间的优先级：用于 第2 9 页 奎篷里三查堂翌圭兰堡垒查一 计算的线程处于较低的优先级。但无论如何，可变优先级不可能提高