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d c s 系统顺序控制和实时数据采集技术研究 摘要 随着计算机技术、通信技术、图形显示技术、网络技术和现场总线技术的 发展，集散控制系统( d c s ) 向着开放化、网络化、智能化方向飞速发展。d c s 系 统能提高企业自动化水平和管理水平，产生巨大的经济效益和社会效益，因此 具有很高的实际应用价值和研究价值。 论文围绕d c s 系统在以下几个方面展开研究工作。 首先介绍了d c s 系统的系统架构和功能特点，阐述了d c s 发展现状、p l a n t w e b 工厂管控网及d e l t a y 集散控制系统的结构与特点。 由于d c s 的顺序控制缺乏良好的图形界面，不能根据实际需要灵活调整控制 参数，本文结合实际，给出了一个顺序控制功能的实例，该实例具有更加良好 的人机界面，通过对顺序控制主控图的进行二次开发，实现了更加灵活的控制 策略。 在对实时数据库关键技术相关的理论分析和研究的基础上，对实时数据库 的压缩算法，及安全的高优先级的二阶段锁( s 2 p l - h p ) 协议进行深入分析，结合 d e l t a v 系统，研究了其实时数据库和历史数据库。 对d c s 系统的开放性方面，本文研究了组件对象模型c o m ( c o m p o n e n t o b j e c tm o d e l ) ，0 p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n 仃o l 用于过程控制的o l e ) 的数据访 问方式，接口和数据存取方法，并结合实际需求设计基于o p c 技术的客户端软件， 通过该软件从o p c 服务器提供的自动化接口获取实时数据，为企业的管理信息 系统提供信息支持。 关键词：d c s ；顺序控制；d e l t a v ；实时数据库；0 p c r e s e a r c ho fs f cc o n t r o l & c o l l e c tr e a l t i m ed a t ai nd c s s y s t e m a b s t r a e t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , i n d u s t r yc o n t r o lt e c h n o l o g y , g r a p h i c st e c h n o l o g y , n e t w o r kt e c h n o l o g ya n d f i e l db u sc o n t r o l t e c h n o l o g y , d c s r d i s t r i b u t i o nc o n t r o ls y s t e m ) i se n j o y i n gar a p i dd e v e l o p m e n ta n dt e n d st ob e m o r eo p e n , n e t w o r k i n ga n di n t e l l i g e n t d c ss y s t e mc a l lh e l pe n h a n c ee n t e r p r i s e s a u t o m a t i z a t i o na n dm a n a g e m e mc a p a b i l i t y , w h i l ep r o d u c eh u g ee c o n o m i ca n ds o c i a l b e n e f i t s ，s oi th a se n o r l n o u sa p p l i c a b l ea n dr e s e a r c hv a l u e t h et h e s i si sd e v e l o p e df o r t h ef o l l o w i n ga i m s ： f i r s tw ei n t r o d u c et h es y s t e m a t i cs t r u c t u r ea n df u n c t i o n a lf e a t u r e so fd e s ， w h i l ed e s c r i b i n gt h ed e t a i l so fd c sd e v e l o p m e n ta n dt h es t r u c t u r ea n df e a t u r e so f p l a n t w e bo f d e l t a vs y s t e m c o m b i n e d 谢t l lt h ep r a c t i c e ap r a c t i c a le x a m p l eo ft h es f c ( s e q u e n e ef u n c t i o n c o n t r 0 1 ) i sg i v e n , s i n c ed e ss e q u e n c ec o n t r o lh a sn og o o dg r a p h i c a li n t e r f a c e , w h i c h c a nn o ta d j u s tt h ec o n t r o l l i n gp a r a m e t e r sf l e x i b l ya c c o r d i n gt op r a c t i c a lr e q u i r e m e n t t h i se x a m p l ep r o v i d e sab e t t e rh m ii n t e r f a c e ，v i at h ee x p l o i t a t i o nw i t ht h es f c g r a p h i c 矗i n t e r f a c e ，w h i c hc a nr e a c hm o r ef l e x i b l ec o n t r o ls t r a t e g y b a s e do ns t u d y i n ga n da n a l y z i n gr e l e v a n tt h e o r i e so nk e yt e c h n o l o g i e so f r e a l - t i m ed a t a b a s e t h et h e s i sm a k e sd e e p e ra n a l y s i so nd a t ac o m p r e s s i o no f r e a l - t i m ea n ds 2 p l h pc o n c u n r r e n c yc o n t r o lp r o t o c 0 1 a n dt h e ns u p p o r t e db y d e l t a vs y s t e m ，t h ea u t h o rp u t sf o r w a r dt ot h es t u d yo fr e a l - - - t i m ed a t a b a s ea n d h i s t o r yd a m b a s e a sf o rt h eo p e n n e s so fd c ss y s t e m ，t h et h e s i sm a k e sr e s e a r c hi nt h e c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) ，d a t aa c c e s sm e t h o do fo p c ，( o l ef o rp r o c e s s c o n t r 0 1 ) i n t e r f a c ea c c e s s ，a n da c c e s s t o d a t am e t h o do fi t t h ec l i e n ts o f t w a r ei s d e s i g n e db a s e do no p ct e c h n o l o g ya n dc o m b i n i n g 、i t l lp r a c t i c a lr e q u i r e m e n t s t h r o u g hw h i c hr e a l - - t i m ed a t ac a l lb eo b t a i n e df r o mt h ea u t o m a t i ci n t e r f a c eo fo p c , 5 1 v e rf o rp r o v i d i n gi n f o r m a t i o ns u p p o r tf o re n t e r p r i s e sm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o n s y s t e m k e yw o r d s ：d e s ；c o n f i g u r a t i o n ；d e l t a v ；r t d b ；o p c i i 插图清单 图2 - 1d c s 系统四层体系结构6 图2 2 现场控制站软件执行过程9 图2 3 现场总线系统结构图1 0 图3 - 1d e l t a v 系统硬件结构1 5 图3 2d e l t a v 系统的基本层次结构1 7 图3 - 3d e l t a v 系统浏览器1 8 图3 - 4d e l t a v 系统操作、组态画面2 0 图3 5d e l t a v 历史趋势图2 1 图4 1 实时数据库系统体系结构2 2 图4 2c i m s 的简化体系结构2 8 图4 3 典型的d c s 系统数据结构2 9 图4 - 4p i 的数据流程3 0 图4 5p i 点值和o p c 的数据点3 1 图5 1 碳柱再生工序主控图3 2 图5 2 顺控过程s f c 模块3 4 图5 3 顺控模块组态画面3 5 图5 4 动态变化画面组态3 7 图5 5 数据链接功能组态3 7 图5 6 顺序控制步骤图3 8 图6 1c o m 对象和c o m 接口4 3 图6 2 典型的o p c 体系结构4 5 图6 3o p c 的自动化接口的数据访问对象结构4 6 图6 - 4o p cm i r r o r 工作原理4 8 图6 - 5 引用“o p ca u t o m a t i o n2 0 ”4 9 图6 - 6o p c 客户端采集实时数据运行效果图5 2 图6 - 7 客户端实时数据的上传5 2 v i i 表格清单 表2 1 现场总线参数表1 1 表5 1 站点配置表3 3 表5 2 碳柱再生顺序控制程序3 6 v i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果- 也不包含为获得金肥工业盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字 珥客岛 签字日期：1 印年”, e l 旧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月b 王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金坦 王些盔堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 吩毫毒 签字日期：) 啊年1 1 月j 占日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址； 电话： 邮编： 致谢 本人在硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，导师沈明玉老师倾 注了大量心血，无论从课程学习、论文选题、论文成稿，沈明玉老师给予悉心 指导。在此，谨表示诚挚的敬意和衷心的感谢! 沈老师的严谨，敬业，宽容以及渊博的学识让我在终生难忘之余更觉得能 做他的学生是一种幸运与光荣。论文写作过程中，沈明玉老师在文章结构上、 内容上给予我极为细致的指导，并在论文完稿后仔细地审阅，提出了许多宝贵 的意见。 同时，真诚感谢计算机与信息学院的全体老师，他们的教诲为本文的研究 提供了理论基础，并创造了许多必要条件和学习机会；感谢研究生部、学科学 位建设处的各位老师在办理答辩手续时给予的帮助。 还要感谢我的母亲、妻子和我的家人，他们一直的支持与爱永远是我前进 的动力。 最后，感谢所有帮助过我的老师、同学和朋友，能有机会和他们一起学习 和生活是一件很快乐的事。 m 作者： 2 0 0 7 年1 1 月 第一章概述 1 1 研究背景 上世纪7 0 年代，由于经济的迅速崛起，生产装置迅速向大型化方向发展， 尤其是石油炼制、冶金、化工、建材、电力等行业，这些行业生产装置的大型 化带来了明显的好处，如生产效率提高、原料消耗减少、劳动力成本降低等。 生产设施的大型化要求设备之间具有更好的协调性，一旦停机将会带来更大的 损失。因此用户迫切希望能够有一种产品或者系统能够解决生产设施大型化和 连续化所面临的控制问题。与此同时，在2 0 世纪7 0 年代中期，大规模集成电路 取得突破性的发展，微处理器得到了广泛的运用，使自动化仪表工业发生巨大 的变化，现代意义上的d c s 也应运而生。它是随着现代大型工业生产自动化的不 断发展和过程控制要求的日益复杂应运而生的综合控制系统。它是计算机技术、 系统控制技术网络通信技术和多媒体技术相结合的产物。可提供窗口友好的人 机界面和强大的功能1 。经过3 0 年的发展，现代的d c s 产品与最初的产品相比 在速度、可靠性、功能、通信等方面都取得了巨大的进步。 随着新技术的不断应用，d c s 领域取得很多新的进展，其中美国e m e r s o n 公 司d e l t a v 集散控制系统就是新一代d c s 系统主要代表之一，也集中体现了d c s 系 统的发展趋势，主要表现在：系统结构更加具有开放性，系统兼容性好；智能 变送器、远程i o 和现场总线的应用，进一步使现场测控能力下移分散；d c s ，p l c ， p c s 相互渗透融合，形成数字化、模块化、网络化的分布式控制系统；现场总线 集成于d c s ，工业以太网，o p c ，x m l 等先进技术的应用使系统向标准化、通用化、 开放化方向发展。 在连续工业生产过程中存在着大量实时数据的处理、存储和集成的问题， 仅靠采用关系数据库不能解决全部问题，需要依赖实时采集数据的信息系统进 行管理和决策。实时数据库系统能提供高速、及时的实时数据服务，同时它也 是企业m e s 层的核心，是流程模拟、先进控制、实时在线优化、生产全过程管理 等系统的数据平台，它和关系数据库一起构成了企业的数据支撑环境，在企业 信息化建设中占有重要地位。 现场控制层作为整个企业信息系统的底层部分，在与生产过程管理层和经 营决策层进行集成时，也存在着监控计算机如何与其他计算机进行信息沟通和 传递的问题。由于控制系统往往是不同厂商开发的专用系统，相互之间兼容性 差，与高层的商业管理软件之间又缺乏有效的通信接口。由于相互之间缺乏统 一的接口标准，因此大部分的集成方案都是定制而不能通用，因此通信规范问 题成了制约控制系统突破“信息孤岛”的瓶颈，企业自动化系统的集成迫切需 要一个统一、高效的数据交互标准。o p c 作为构建开放工控系统的中间件技术， 为构建开放的自动化系统提供了有效的解决方案和工具嘲。由于它所具有的开放 性和应用潜力，使国内外许多公司都纷纷在自己的d e s 产品中增d 口o p c n 务器或 接口。o p c 已成为构建新型控制系统的有效工具，它使实现过程控制系统的集成 变得方便可行，成为控制系统数据交换的核心技术。同时因为o p c 接口的开放性， 可以通过客户端编程从计算机生产监测系统中对实时数据进行提取、转移、存 储等操作，使之应用于企业的m i s 系统。 现在的d c s 系统运行中主要存在以下问题： ( 1 ) 顺序控制步骤一般是直接下装到现场控制器中，操作员利用系统提供 的仪表板操作。这种方法控制缺乏良好的人机界面，不能根据生产情况灵活调 整控制策略。 ( 2 ) d c s 系统的实时数据库接口都是专用接口，虽然速度快、功能强大但 价格却十分昂贵；o p c 新技术的出现为数据采集接口和现场过程控制d c s 系统应 用建立了桥梁。同时它的开放性也为用户自己开发客户端程序获取实时数据提 供了解决方法。 1 2 研究目的和意义 与发达国家相比，我国的d c s 系统应用还有较大的差距，主要存在控制装置 自动化水平低，控制策略单一，所有d e s 系统精确性，开放性，先进性，规范性 差，应用层次较低等问题。 d e l t a v 系统继承了p r o v o x 和r s 3 系统的优势，并融合了当今的先进技术，如 p c 工作站、以太网、数字总线、o p c 和x m l 等，所以d e l t a v 系统能更好的实现传 统d e s 系统的功能，并且提供了最简单地向现场总线过渡的解决方案。 本文针对d c s 系统顺序控制功能的缺陷，设计出顺序控制功能主控图，通过 二次开发和数据连接，实现了具有良好图形界面的参数可调的顺序控制组态， 具有更好的可操作性和灵活性。 在对实时数据库关键技术相关的理论分析和研究的基础上，对实时数据库 的压缩算法，及安全的高优先级的二阶段锁( s 2 p l h p ) 协议进行了深入分析，结 合d e l t a y 系统，研究了其实时数据库和历史数据库。 对d e s 系统的开放性方面，本文研究了c o m 组件对象模型，o p c 的数据访问方 式，接口和数据存取方法，并结合实际需求设计基于o p c 技术的客户端软件，通 过该软件从o p c 服务器提供的自动化接口获取实时数据，为企业的管理信息系统 提供信息支持。 1 3 论文主要工作 本文以d e l t a v 系统作为应用平台，根据项目需求参与了软件组态与开发， 创建主控图和趋势图等应用界面；了解实时数据库及其并发控制等关键技术； 2 学习和使用o p c 技术接口编程提取和存储实时数据。论文的主要工作如下： ( 1 ) 详细阐述了d c s 和d e l t a v 系统的原理，分析了系统结构和特点。 ( 2 ) 根据生产工艺和生产控制流程，应用d e l t a v 集散控制系统完成软件组态， 参与设计，绘制并动态连接工业控制主流程图及逻辑显示画面。实现了工厂自 动控制良好的人机交互界面和更加灵活的控制策略。 ( 3 ) 对实时数据库的压缩算法，及安全的高优先级的二阶段锁( s 2 p l - h p ) 协议 进行了深入分析。 ( 4 ) 对o p c 技术的基本原理和核心结构进行研究，经由o p c 接口的数据存取方法， 利用v b 编程，通过o p c 自动化接口获取实时数据。 1 4 论文章节安排 论文分为七章，各章内容如下： 第一章分析国内# b d c s 系统发展现状，技术的难点，论文所要解决的问题 以及论文的章节安排。 第二章对d c s 系统的原理、系统结构进行较为详尽的论述。 第三章d e l t a v 集散控制系统的的研究，包括p l a n t w e b 工厂管控网、d e l t a v 的软硬件架构，系统组成和功能特点。 第四章对实时数据库的压缩算法，及安全的高优先级的二阶段锁( s 2 p l - h p ) 协议进行了深入分析，结合d e l t a v 系统，研究了其实时数据库和历史数据库。 第五章根据项目需要画主控图开发新型，具备更好的人机交互界面，控制 更加灵活的顺序控制软件组态，结合活性碳柱的顺序控制给出了一个实例。 第六章探讨c o m 组件对象模型，o p c 的数据访问方式，接口和数据存取方法， 结合实际需求采用v b 设计的o p c 客户端程序通过自动化接口获得实时数据，为 企业的管理信息系统提供信息支持。 第七章结束语。 第二章集散型控制系统d c s 2 1 概述 随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求的日益复杂化， 集散型控制系统( d c s ) 应运而生，集散型控制系统( d c s ) 是建立在模拟仪表 控制系统和集中式计算机控制系统基础上发展起来的分布式控制系统。它的意 思指分散控制，集中管理，即将逻辑控制功能分散，将显示参数和操作部分进 行集中，具有很高的灵活性和可靠性咖。自2 0 世纪7 0 年代中期问世以来，在工 业控制领域被广泛应用。 集散型控制系统( d c s ) 目前尚无确切定义，其实质是利用计算机技术对生 产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术，它是将控 制技术、计算机技术、通信网络技术和人机接口技术融为一体的先进控制系统， 即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 两者的优点而发展起来的一门系统工程技术。集散控制系统的主要特性是它的 集中管理和分散控制，i ) c s 系统概括起来由集中管理部分、分散控制监测部分和 通信部分组成娜。集中管理部分可分为工程师站、操作员站和管理计算机。工程 师站主要用于组态和维护，系统的生成和下装。操作员站用于监视和操作，负 责生产工艺的操作控制、过程状态显示、报警状态显示、实时数据和历史数据 的显示、打印等。管理计算机则用于全系统的优化控制和信息管理，实现生产 调度管理、优化计算、生产经营管理与分析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，用于实时的控制和监 测。通信部分连接d c s 的各个分布部分，完成数据、指令和其他信息的传递。d c s z 各工作站通过网络接口连接起来，各工作站独立完成分配的规定任务，如数 据采集、处理，计算、操作和控制等。d c s 系统软件是由实时多任务系统、数据 库管理系统、数据通信软件、组态软件和各种应用软件组成，使用组态软件这 一工具，就可生成用户所要求的实用系统。 d c s 推出以前，计算机控制技术已日趋成熟并开始应用于各种工业控制领 域。但是，几乎所有的计算机控制系统都遇到了以下几个问题： ( 1 ) 现代化生产的规模不断扩大，使中央控制室的仪表数量越来越多，更 新换代周期越来越短，仅靠传统的模拟仪表，操作人员难以对生产过程进行准 确的分析和操作。 ( 2 ) 对全厂、车间和工序级的控制和操作需要有统一的协调和管理，加上 大量过程信息的数据传递，因而在整个控制系统之间需要有高速的数据传输。 ( 3 ) 计算机控制技术在工业控制领域采用d d c ( 直接数字控制) 或s c c ( 监督 计算机控制) 系统，控制作业过于集中，风险太大，一旦计算机出现故障则整个 生产过程失去控制，其损失难以估计。 4 d c s 的可以有效解决上述问题： ( 1 ) 分散控制使控制失效的风险极大的分散，当某个环节出现故障时，其 影响仅仅是局部的，不会对整个生产过程带来致命的威胁，从而提高了控制系 统的可靠性，冗余概念的引入更是使控制的风险降到了最低。 ( 2 ) 把集中的计算机控制系统分解为分散的控制装置，它们在过程控制级 各自完成生产过程中的部分控制和操作，便于实现各生产环节的最优控制，而 集中管理级的协调控制又可以使整个生产过程的运行达到最优，并且还具有良 好的人机操作界面，使现场人员对整个生产过程进行准确的判断和操作，因此 大大地提高了控制质量。 ( 3 ) 在操作站间和过程控制装置之间分别建立高速的数据通信通道，使数 据能在操作人员和生产过程间快速传递。 1 9 7 5 年，美 h o n e y w e l l 公司首先推出t d c 2 0 0 0 集散型控制系统，标志着 d c s 应用的开端，从d c s 诞生到现在，d c s 经历了三个大的发展阶段，又称为经 历了三代产品，新一代的d c s 向更宽广范围的集中和对控制更彻底的分散两个 方向发展，也称做第四代d c s ，其技术特点包括全数字化、信息化和集成化田1 。 第四代d c s 尽管仍然在加强和丰富其各种控制功能，但是已经超越了控制 工程的范围，而是变成了一套综合控制与信息管理系统。第四代d c s 已经超越 了过去各家独自开发的技术线路，尽可能采用世界先进技术和成熟产品。其不 再限于过程控制范围，而是全面提供连续调节、顺序控制和批处理控制，实现 混合控制功能。第四代d c s 支持现场总线规约，包容f c s 的多种产品，并且现场 信号处理组件也采用集成方式，实现小型化、智能化、分散化和低成本。 2 2d c s 系统的体系结构 集散控制系统是一个分级递解系统，层次化是d c s 系统的体系特点，体现 出集中操作管理、分散控制的理念。通常将d c s 的体系结构分为4 级”1 ，第一级 为直接过程控制级，也称现场级，第二级为过程管理级，第三级生产管理级( 车 间级) ，第四级为工厂总体管理级。各级之间由通信网络相连，级内各站点由本 级的通信网络进行通信联系。四层结构模式如图2 1 所示： 5 经营管理级 生产管理级 过程管理级 直接控制级 c r m 、e r p 、e - b u s i n e s s 生产调度工艺管理 计划管理质量管理 资源分配设备管理 网络信息发布 显示数据与分析 d e s ，p i z 、r t u 、调节器 现场仪表、传感器、变送器、执行 器 图2 - id c s 系统四层体系结构 2 30 c s 系统的硬件结构 d c s 的一个突出优点是系统的硬件配置灵活、方便，所以现实中的d c s 硬 件很难统一，特别是下位机的差别就更大了，但基本的输入输出通道具有相同 特性，上位机为p c 机，有工程师站、操作员站、管理员站等嗍；下位机有控制 器、p l c ( 可编程逻辑控制器) 、r t u ( 采集发送器) 、智能仪表等组成。 2 3 1 现场控制器的组成 传统d c s 控制器的物理结构分为3 种形式。一种是采用控制总线，把回路控 制、逻辑控制和数据采集器件分开，3 种控制器都包含c p u 、r o m 、r a m 。各 控制器间以控制总线连接并分别与自己的i o 卡相连。过程控制单元还有网络接 口，人机界面通过接口与控制总线相连，控制器通过控制总线与人机接口交换 数据。第二种物理结构是将3 种任务集中由一个控制器来完成，一个控制器连接 不同功能的插卡，如c p u 卡、存储器卡、电源卡和i o 卡等。控制器通过网络接 口直接与上位机相连。第三种是以微机为基础的软d c s 嵌入式结构。所有软件 ( 如操作系统、控制策略等) 都可由上位机下装，控制器本身就是一台p c 。 2 3 2t o 通道模件 i o 接口模件是d c s 中种类最多，使用数量最大的一种模件。它的基本作用 是对生产现场的模拟信号、开关量信号、脉冲量信号进行采样量化，处理成微 处理器能接收的标准数字信号，并将控制器的运算结果经过d a 转换，还原成模 拟信号或开关量信号，去控制现场执行机构。所以说，它是联系生产过程与控 制器的一座桥梁。 6 当前i o 通道的发展趋势是进一步智能化和开放性，使i o 模板成为一个可独 立运行的智能单元，可自动地对各路输入信号巡回检测，非线性校正和补偿运 算等，而装有a i 于a o 通道的模板，在功能上和多回路的数字调节器相近。这样 就分担了一部分c p u 的工作，使c p u 有比以前更多的时间进行其他更复杂的控 制运算，提高了系统的速度和可靠性。同时控制器还通过一些现场总线的接口 卡，如h a r t 协议卡或f fh 1 卡与现场总线的设备相连。 2 3 3i ) c s 的操作站 d c s 操作站一般分为操作员站和工程师站两种。其中工程师站主要是提供 技术人员生成控制系统的人机接口，或者对应用系统进行监视。工程师站上配 有一套组态软件，为用户提供一个灵活的、功能齐全的工作平台，通过它来实 现数据库的生成、历史记录创建、生产流程图、连续控制回路的组态和用户所 要求的各种控制策略1 。d c s 操作员站的主要功能是过程显示和控制、系统生 成与诊断、趋势显示、历史数据的显示和统计结果等。 为了保证d c s 的可靠性，绝大多数d c s 都采用可冗余设计，以保证在系统 中的某一个硬件设备出现故障或损坏时，系统不会因此而出现失控，导致被控 对象发生事故，特别是具有危险性的生产过程。在d c s 中，现场控制站是直接 与生产过程相联系的单元，承担着多个回路的计算，一旦某个现场控制站出现 问题，受到影响的是所有此站控制的回路，其危害和后果很严重，因此对它提 出了最高的可靠性要求，它的冗余应首先考虑。 在现场控制站采取了冗余设计后，与其相应的部分也应该同步地采取冗余 设计，否则解决不了保证回路控制可靠性的问题，如电源的冗余可保证现场控 制站的主控单元和相应i o 模板的可靠供电；系统网络的冗余可保证站间引用的 可靠实现；重要i o 模板的冗余可以保证关键控制回路的控制功能等。 关于网络的冗余，一般采用双网方式，两条网络的工作方式可以是并行的， 即同样的信息在两条网络重复传输，以获得发生故障时的零切换时间。 2 4i ) c s 系统的软件结构 d c s f l j 于其分布式结构，它的软件主要分为两个部分哺1 ：首先就是作为上位 机人机界面的组态软件，它主要完成数据组态、主控图生成、生产记录报表的 管理、历史数据的存储、报警信息的管理、参数列表显示等功能。第二就是现 7 场控制软件，它通常被固化成控制器中的软件，用来进行数据的采集、报警检 测、输出控制、连续控制调节和顺序控制。此外还包括通信管理软件和辅助诊 断软件等。 2 4 1d c s 的组态软件 “组态”的概念是伴随着d c s 的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人 员所熟悉的。组态软件( 有时也称为监控组态软件或工程组态软件) 为自动化 工程技术人员提供了一种采用搭积木的方式制作现场过程控制过程和控制界面 的工具。 每一套d c s 都是比较通用的控制系统，可以应用到很多的领域中，为了使 用户在不需要编写代码程序的情况下，便可以生成适合自己需求的应用系统， 每个d c s 厂商在d c s 中都预装了系统软件和应用软件，而其中的应用软件，实 际上就是组态软件，但一直没有人给出明确定义，只是将这种应用软件设计生 成目标应用系统的过程称为“组态( c o n f i g u r e ) ”。 组态软件是面向监控与数据采集的软件平台工具，具有丰富的设置项目， 使用方式灵活，功能强大口3 。组态软件最早出现时，人机接i u h m i 是其主要内 涵，即主要解决人机图形界面的问题。随着它的快速发展，实时数据库、实时 控制、s c a d a 、通信及联网、开放数据接口、对i o 设备的广泛支持已经成为它 的主要内容。随着技术的发展，组态软件将会不断被赋予新的内容。 过去的工业控制计算机系统的软件功能( 如实时数据库、历史数据库、数 据点生成、控制回路及图形，报表功能的实现) 是靠软件人员通过编程实现的， 工作量大得惊人，这样设计出来的软件通用性极差，对于每个不同的应用对象 都要重新设计或修改程序。 监控组态软件是伴随d c s 的出现走进工业自动化应用领域的，后来逐渐发 展成为第三方独立的自动化应用软件，尤其是w i n d o w s 操作系统的广泛应用， 有力地推动了基于p c 监控组态软件的发展和普及。监控组态软件犹如“自动化应 用软件生成器”似的，借助它可以神工般地生成特定的应用程序。无需编址，可 以直接操作系统硬件；随心所欲，可以积木搭建人机监控界面；实时在线，可 以随意修改应用配置，包括硬件、图形、t a g 、控制、表格和管理等配置；还可 以按需任意构建新的监控系统。它不仅提高了自动化系统的开发速度，也保证 了自动化应用的成熟性和可靠性。 2 4 2 控制层软件功能 d c s 的控制层软件特指运行于控制器中的软件，其基本功能可以概括为i o 数据的采集、控制运算和i o 数据的输出，有了这些功能，和位于控制室的各个 操作、管理站连接起来、就能共同实现分散控制、集中管理的功能。 i o 数据的采集与输出由控制器按照工程师站的硬件配置来实现，控制器接 受工程师站下装的硬件配置信息，完成对i o 通道的采集与输出。i o 通道信号采 集进来后还要有一个数据予处理过程，将这些信号判断并调理、转换为符合量 程的工程值后才能为控制程序所使用。 控制器是d c s 的核心部件，它的软件主要有控制算法，如p i d 、微分、积分、 超前滞后、数学运算、逻辑运算、三角函数、伺服放大、模糊控制和先进控制 等控制算法程序和一些自诊断软件构成。其中大部分控制算法是各d c s 厂商多 年行业经验积累下来的专有控制算法，这些专有控制算法的丰富程度、专业程 度体现t d c s 厂商在该行业领域的专业化水平和知名度。 目前，各知名的d c s 厂家在过程控制算法的功能和使用方法都相差不远， 但从控制器结构、软件性能方面各d c s 系统差别很大。主要体现在控制器内算 法的容量，控制器的运算效率、运算周期，算法编程语言的支持程度、变量类 型的支持程度，有效性处理能力和使用限制方面的内容，如是否支持算法的在 线无扰下装，是否支持网络变量、是否支持控制器冗余和无扰切换，是否支持 在线工程和在线参数回读等。有的d c s 不支持在线下装，如果修改了某一算法， 则必须停止控制器的运行，待修改后的程序下装后，重新启动控制器运行。还 有的系统不支持网络变量，一个控制回路的对象，其关联的信号必须接在同一 个控制器中，这样，给用户的灵活使用上带来很大的不便，影响系统的可使用 性。 一个典型的现场控制站的周期软件的执行过程如图2 2 所示： 图2 - 2 现场控制站软件执行过程 2 5 现场总线与o c s 系统的区别和联系 2 5 1 现场总线系统结构 现场总线是2 0 世纪8 0 年代在国际上发展起来的，现场总线技术起源于用户 现场控制信息传递、维护管理等方面的要求“。随着计算机网络及通信技术的 迅速发展，现场有越来越多的信息需要往上传，通信技术越来越往下延伸到现 场。为实现企业的信息集成，实施综合自动化，使模拟仪表向智能化仪表发展、 工业控制分立设备向共享设备发展、网络向现场级网络发展，最终用户需要一 种适应工业现场环境运行、可靠性高、实时性强、造价低廉、结构简单、维护 方便的控制系统，以形成工厂的底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数 字通信，以及自动化系统与外界的信息交换。现场总线就是在这种实际需求的 驱动下产生的。它是以自动控制、自动化仪表、计算机、通信、微电子为主要 内容的一门综合技术、开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。 现场总线把专用微处理器植入控制仪表，使它们各自都具有了独立承担某 些控制、数字计算和数字通信能力，拓宽了信息内容，采用了可进行简单连接 的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成网络系统，并按公开、规范 的通信协议，在位于现场的多微机化测量设备之间以及现场仪表与监控计算机 之间，实现数据传输与信息交换，提供传统仪表所不能提供的如阀门开关动作 次数、故障诊断等信息，便于操作管理人员更好、更深人地了解生产现场和自 控设备的运行状态。 图2 3 所示为典型的现场总线系统结构。 r 。 v罗 l 操作站1 操作站i il l 厶奠 总线数字仪表 画回回画 llljjii i_ l h 2 i ； 网络服务器实时数据服务器 图2 - 3 现场总线系统结构图 2 5 2 现场总线的国际标准 1 9 9 9 年底i e c 通过的现场总线标准i e c 6 1 1 5 8 共有8 种类型，2 0 0 3 年有了修订 版将8 种类型增加了2 种达1 0 种类型“”：分别是：基金会现场总线f f 的h i 、c o n t r o l n e t 、p r o f i b u s 、p n e tp r o c e s sd a t a 、f f 的h s e 、s w i f t n e t 、w j d df i p 、i n t e r b u s p h o e n i x 。还有有4 种现场总线早已成为国际标准，他们是i e c t c l 7 b 通过的 a s i ( a c t u a t o rs e n s o ri n t e r f a c e 执行器传感器接口) ，d e v i c e n e t ( r o c k w e l l 公司) ， s d s ( s m a r t d i s t r i b u t e ds y s t e m 灵巧式分散型系统) ，此外，i s o 还有一个i s 0 11 8 9 8 的c a n 总线，所以有1 2 种现场总线技术国际标准。目前较为流行的现场总线主 要有p r o f i b u s 、f f 、w o r l d f i p 、c o n 打o i n c t 、h a r t 等。数字化、互操作、分散 控制、全开放是现场总线的突出特点。 1 0 表2 1 现场总线参数表 现场总线开发商网络拓扑最大节点数传输特性最大传输距1仲裁方式 p r o f i b u ss i e m e n s总线型、星型和1 2 7 节点1 2 49 6 k b p s 1 2 m b p 晦令牌( 主站之 d p p a环型 从站( 4 段，31 2 m b 秘段( 1 0 0 m ( 双间) 个重复器+ 3 绞线) ) ； 主站) 2 4 k m ( 光纤) d e v i c e n e ta l l e n b r a d l e总线型或树状结6 4 节点 5 0 0 k b p s , 2 5 0 k每段最大长 c s m a 和非 构 b p s 5 0 0 m , 总长 破坏性位仲 1 2 5 k b p s ,最大6 k i n ( 使 裁 用重复器1 f f - h lf i e l d b u s总线型、星型2 4 0 节点 3 1 2 5 k b p s 3 1 2 5 k b p s 时 调度 f o u n d a t i o n段，最多传输距离 6 5 0 0 0 书 点1 9 0 0 m f f h s ef i e l d b u s星型小于1 0 2 4 节 1 0 0 m b p s细缆：1 8 5 m , c s m a ，c d f o u n d a t i o n 点双绞线：1 0 0 米, s t w o f l d f l p w 硼d f l p 总线型2 5 6 节点3 1 2 5 k b p s , l & 4 0 k m 主节点仲裁 2 5 m k b p s , 6 m b p s l o n w o r k se c h e l o n总线型、星型和3 2 0 0 0 节射域 1 2 5 m b p x 全7 8 k b p s 时 c s m a c o r p 环型双工 2 0 0 0 m c o n t r o ln c ta l l e n - b r a d l e总线型、树状和9 9 节点 5 m b p s 1 0 0 0 m 同轴c t d m a 时 环型或相结合电缆两节分复用 点 c a n o p e n c a n i i l 总线型1 2 7 节点1 0 , 2 0 , 5 0 , 1 2 5 ， 2 5 1 0 0 0 m c s m a 和非 a u t o m a t i o n 2 5 0 5 0 0 , 8 0 ( 0破坏性位仲 b p s , l m b p s 裁 m o d b u sp l u sm o d i c o n 带分支的总线结 3 2 节点煅，最 i m b p s5 0 0 m s t 构多“节点 m o d b u sm o d i c o n 总线型、树状和2 5 0 节触段3 0 0 k b p s 3 83 5 0 m 删，a s c i i 环型或相结合 4 k b p s 2 5 3 现场总线系统与集散控制系统的比较 现场总线系统与集散控制系统的相比“1 ，具有以下不同之处： ( 1 ) 通讯总线传输的是数字信号。f c s 在数据传输上干扰小于d c s 的模拟 信号，而且，传输数据信号可以用网络总线，只用总线加冗余可替代模拟传输 数量庞大的信号线。如p r o f i b u s 的现场总线产品，其d b 信号网络传输可达1 2 m s 。 ( 2 ) f c s 将d c s 的三层典型结构简化成两层结构，d c s 的控制站在f c s 已 不存在，设备数量减少了；去除集中式的控制站，系统的安全性得到提高。 ( 3 ) 控制全分散。现场总线控制系统比d c s 优越性体现在系统的数字化。 f c s 不用冗余的i o 卡，而采用了现场总线安全栅，如果现场设备或导线遭到破 坏，最多影响到1 2 个回路，使控制功能和危险分散到各个局部。 虽然f c s 技术具有传统d c s 所无法比拟的优越性，但其推广应用也受到诸多 因素的制约凹 。 ( 1 ) 目前我国控制现场好多还不是智能仪表，不能直接与现场总线相连。 ( 2 ) f c s 的价格特别是智能设备比较昂贵，f c s 的综合成本仍然高于d c s 。 ( 3 ) f c s 标准种类繁多，标准始终未能得到统一，不同的设备相互通讯很 繁琐。 ( 4 ) 在一些强调安全、可靠的应用场合，更多的考虑