集散控制-第3章_2012(02)

第三章DCS控制层软件及组态,结束,首页,上页,下页,末页,1.6 传统DCS的基本组成,控制层软件,监控层软件,组态软件,网络软件,结束,首页,上页,下页,末页,DCS软件的基本构成是按着硬件的划分形成的。控制层软件运行在现场控制站上，主要完成各种控制功能，包括PID回路控制、逻辑控制、顺序控制、以及对现场连接的I/O处理；监控软件是运行于操作员站或工程师站的软件，主要完成运行操作人员所发出的各个命令的执行、图形与画面的显示、报警信息处理、现场检测数据的集中处理等；组态软件主要完成系统的控制层软件和监控软件的组态功能，安装在工程师站中。网络软件运行于各个站，是各个站软件沟通的桥梁。,DCS软件系统概述,结束,首页,上页,下页,末页,3.1 DCS控制层软件功能简介3.2 DCS的信号采集与数据预处理3.3 DCS 控制器上的实时数据组织和管理3.4 IEC61131-3 控制编程语言与软件模型（组态软件）,第三章 DCS控制层软件及组态,结束,首页,上页,下页,末页,3.1 DCS控制层软件功能简介,DCS控制层软件特指运行于现场控制站的控制器中的软件，分为系统软件和应用软件。系统软件是由DCS的开发商提供的，应用软件是用户根据实际问题编制的程序，由这些程序决定处理方式和算法。基本功能可以概括为O/I数据的采集、控制运算及O/I数据的输出。辅助功能如控制器及重要O/I模块的冗余功能、网络通信功能及自诊断功能等。不同的DCS产品在辅助功能上变化较大，但在基本功能的实现上基本相同。,结束,首页,上页,下页,末页,3.1 DCS控制层软件功能简介,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的配置信息，完成对I/O通道的信号采集与输出。I/O通道信号采集进来后还要有一个数据预处理过程，将这些信号进行质量判断并调理，转换为标准量纲的工程值后才能为控制运算程序使用。,结束,首页,上页,下页,末页,DCS的控制功能由控制器实现，是控制器的核心功能。在控制器中一般有以下几种类型的控制算法：算术运算、三角运算类，如加、减、乘、除、正弦、余弦、正切、余切、开方、平方等。输入/输出类，如AI、AO、DI、DO等。通讯类，如控制器到操作站、控制器间、控制器与其它网络等。函数功能类，如PID、微分、积分、超前滞后等。逻辑类，如与门、非门、或门、异或门、计算器等。反应模件状态、品质类。先进控制算法类，伺候放大、模糊控制等。,3.1 DCS控制层软件功能简介,结束,首页,上页,下页,末页,上述这些控制算法有的在IEC611313标准中已有定义，更大部分是DCS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、专业程度体现了DCS厂商在该行业领域的专业化水平。如:Honeywell、Yokogawa等公司在石化领域；原Bailey、Weistinghouse等公司在火电领域都有相当的行业经验，累积了大量的行业专用算法，其DCS产品在这些领域都有较高的知名度。,3.1 DCS控制层软件功能简介,结束,首页,上页,下页,末页,3.1 DCS控制层软件功能简介,通常，控制系统设计人员是通过控制算法组态工具，将存储在控制器中的各种基本控制算法，按照生产工艺要求的控制方案顺序连接起来，并填进相应的的参数后下装给控制器，这种连接起来的控制方案我们称之为方案页，在IEC611313标准中统称为程序组织单元POU（program Organization Units）。,结束,首页,上页,下页,末页,3.1 DCS控制层软件功能简介,控制运行软件针对每个控制方案，按照方案组织逻辑关系，逐个执行程序的组织单元（POU），针对每个程序组织单元做如下处理。1. 从I/O数据区获得输入数据；2. 执行控制运算；3. 将运算结果输出到I/O数据区；4. 由I/O驱动程序执行外部输出，即将输出变量的值转换成外部信号（如420mA模出信号）输出到外部控制仪表，执行控制操作。,结束,首页,上页,下页,末页,3.1 DCS控制层软件功能简介,上述过程是一个理想的控制过程，事实上，如果只考虑变量的正常情况，该功能还缺乏完整性，该控制系统还不够安全。一个较为完整的控制方案执行过程，还应考虑到各种无效变量的情况。例如，模拟输入变量超量程的情况，开关输入变量抖动的情况，输入变量被禁止扫描的情况。输入变量的接口设备或通信设备故障的情况，等等，这些将导致输入变量成为无效变量或不确定数据。,3.1 DCS控制层软件功能简介,I/O数据的采集,控制运算,结果输出到I/O数据区,I/O数据送出到驱动器,控制器的能力与执行效率,控制器运行管理和维护能力,控制器层数据的一致性,一个周期内任务,控制任务完成的情况应考虑,I/O容量控制算法容量采集数据的分辨率控制运算周期,数据下装功能在线控制调节和参数整定功能参数回读功能站间数据引用功能,主从控制器同步站间引用,结束,首页,上页,下页,末页,3.1.1 控制器的能力与执行效率,一个控制器的能力与执行效率一般包括容量和速度两个方面的指标。在硬件资源（容量和性能）同等的条件下，由于软件设计上的优劣，其控制器的能力和运行效率会有很大的差异。评价一个控制器软件的效率和设计能力，具体的指标包括：I/O容量控制算法容量采集数据的分辨率控制运算周期,结束,首页,上页,下页,末页,3.1.1 控制器的能力与执行效率,1）I/O容量 I/O容量是指单个控制器能够接入的I/O点数、如常规的控制器应能在不接扩展器的情况下接入500点以上。此外，更为细致的考核还应考虑，同时接入模拟量的能力、同时接入开关量的能力或混合接入时各能接入多少。,结束,首页,上页,下页,末页,3.1.1 控制器的能力与执行效率,2）控制算法容量 控制算法容量是指单个控制器可接入的控制对象数，可以以典型的控制回路（如PID调节回路数）或以开关量作为参考因子分别考虑3）采集数据的分辨率 采集数据的分辨率是保障采集数据实时性、内部计算同步精度和事件分辨时间精度等重要因素，一般有以下特性： （1）模拟量采集周期 （2）开关量采集周期和SOE分辨率,结束,首页,上页,下页,末页,3.1.1 控制器的能力与执行效率,4）控制运算周期 控制方案在控制器的运行一般是按周期进行的。控制方案的运行周期直接影响到控制的质量。一般，针对不同的的工艺对象，应能根据不同的工艺特征，设置不同的控制周期。一个优秀的DCS系统，应能灵活按照控制方案的要求不同，设置不同的运算周期。如开关量运算周期，可分为25、50、100、 250ms等几挡，最快可达到25ms，模拟量控制运算周期，可分成50、100、125、250、500ms等几挡，最快可达到50ms。,结束,首页,上页,下页,末页,3.1.2控制器运行管理和维护能力,控制器中运行的数据是从工程师站组态后下装到控制器中的。一般控制器中，均提供静态随机存储器SRAM，用来存储下装的数据和控制程序。数据和控制程序一次下装以后，如果没有变化，不应每次启动都下装。但实际上，大多数控制系统都不可能做到一次下装后再也不修改。系统在运行过程中总是避免不了对组态进行修改或在线进行参数修改等情况。这时，作为控制层软件，必需能够配合工程师站或操作员站的在线下装、参数整定和控制操作等功能。,结束,首页,上页,下页,末页,3.1.2控制器运行管理和维护能力,1）控制系统数据下装功能早期的DCS片子从控制器上拔下，通过EPROM写入器擦除原有的内容并重新写入新的程序和数据。目前大多数DCS系统都采用了SRAM来存储程序和数据。计算机系统通过网络就可以直接下装程序和数据。一般，计算机控制组态完成后，经过与数据库的联编成功后，便可通过下装软件下装到控制器中运行。控制系统数据下装分为两种，一种是生成全部下装文件，一种是生成增量下装文件。,结束,首页,上页,下页,末页,3.1.2控制器运行管理和维护能力,全下装是全部组态数据编译后进行的全联编，联编成功后，进行系统库全部下装，此种下装模式，需要对控制器重新启动；增量下装是只下装修改和追加部分的内容，控制器中以一种增量方式追加在原数据库中，增量下装为一种无扰在线下装模式，不需要停止控制器的运行，便可实现对控制方案的修改。,结束,首页,上页,下页,末页,3.1.2控制器运行管理和维护能力,2）在线控制调节和参数整定功能算法组态时一般定义的是初始参数，在现场调试时，需要根据实际工况，对参数进行调定。另外，自动控制系统在调试期间，一般要配合手动调节措施。一般控制器中均提供操作员对控制回路进行手动操作和对控制参数进行整定的接口。如PID调节器、操作器、开关手操，顺控设备及调节门等。,结束,首页,上页,下页,末页,3.1.2控制器运行管理和维护能力,3）参数回读功能控制系统在线运行时，控制方案中的参数可能会在线修改。为了保持这种修改与工程师站组态的一致性，系统提供一种参数回读的功能，由工程师站请求控制器将运行参数读回到离线组态数据库中，以保证再次下装不会改变现场参数。,结束,首页,上页,下页,末页,3.1.2控制器运行管理和维护能力,4）站间数据引用功能网络变量一个控制器接入的信号是有限的，或者，因现场接线方便将信号接到了另一个控制器上，或者同一个信号在不同控制器的不同控制方案中要用到，这就牵涉到站间引用的问题。如果一个DCS系统不能支持网络变量，即无法实现站间数据的引用，对工程应用的设计有着非常大的影响。如果DCS控制器具备站间引用的功能，则方案组态时不需关注信号接入位置，系统会自动识别非本站的信号，自动产生站间引用表发向信号源控制器，由信号源控制器自动更新引用站中的站间的引用点。,结束,首页,上页,下页,末页,3.1.3 控制器层数据的一致性,在控制器一级，数据一致性除了自身外，主要表现在两个方面。1）主从控制器同步在控制器冗余配置的系统中，主从控制器同时接收外部输入信号，装载的执行程序也相同，只要拥有相同的基础数据，运算输出就可以保持一致，只是由于相对定时的原因，输出时间会有差异，但不会超过一个执行处理周期（尽管从机实际不输出）。,结束,首页,上页,下页,末页,3.1.3 控制器层数据的一致性,2）站间引用在某些现场，受地理位置、电缆走线等外部因素的影响，或有协调控制要求时，会出现所谓“站间引用”的现象，即从一个DCS控制器采集或生产的信号要送到另一个DCS控制器。站间引用的处理与双机同步机制相似，只是传送的数据不同。,结束,首页,上页,下页,末页,3.2 DCS的信号采集与数据预处理,DCS的信号采集指其I/O系统的信号输入部分，它的功能是将现场的各种物理量进行数字化，形成现场数据的数字表示方式，并对其进行数据预处理，最后将规范的、有效的、正确的数据提供给控制器进行控制计算。,结束,首页,上页,下页,末页,3.2 DCS的信号采集与数据预处理,现场信号的采集与预处理功能是由DCS的I/O硬件及相应的软件实现的。I/O硬件的形式可以是板卡或独立模件，电路原理不论是DCS还是PLC都基本相同。软件形式则根据I/O硬件的功能而稍有不同。对于早期的非智能I/O（多为板卡形式），处理软件由控制器实现，而对于现在大多数智能I/O来说，数据采集与预处理软件由I/O板卡（模块）自身的CPU完成。,结束,首页,上页,下页,末页,3.2 DCS的信号采集与数据预处理,DCS的信号采集系统是按一定时间间隔对现场信号进行的采集，产生过程中的各种参数除开关量和脉冲量外大部分是模拟量如温度、压力、液位和流量等。由于计算机所能处理的只有数字信号，所以必须确定单位数字量所对应的模拟量大小，即所谓模拟信号的数字化问题，信号的采样周期实质上是时间的数字化问题，信号采集所要解决的主要是这两个问题。,结束,首页,上页,下页,末页,3.2.1模拟量数据的采集和转换过程,在实际应用中，一个来自传感器的模拟量物理信号，一般要经过如下过程进入控制器：变送器，转换为标准的420mA信号；在信号采集卡上经过硬件滤波电路滤波；经A/D转换器将模拟量转换为数字量（转换精度与A/D转换位数相关）；由软件对A/D转换后的数据进行滤波和预处理；经工程量程转换计算，转换为信号的工程量值。,结束,首页,上页,下页,末页,3.2.2 信号采集的主要处理,1. 采样周期 Ts的选择采样周期是指两次采样之间的时间间隔从信号的复现性考虑，采样周期不宜过长，或者说采样频率不能过低，采样定理的选择依据是香侬采样定理。从控制角度考虑，系统采样周期Ts 越短越好，但是这要受到DCS整个I/O采样系统各个部分的速度、容量和调度周期的限制在DCS系统中，I/O信号的采样周期是一个受到软、硬件性能限制的指标。,结束,首页,上页,下页,末页,3.2.2 信号的采集和主要处理,对现场信号的采样周期需考虑以下几点.（1）考虑扰动信号变化的频率。频率越高，采样周期越短。（2）考虑对象特性。当对象纯滞后比较大时，可选择采样周期大致与纯滞后时间相等。（3）考虑控制质量的要求，一般说来，质量要求愈高，采样周期应选得愈小一些。,结束,首页,上页,下页,末页,3.2.2 信号的采集和主要处理,2.模拟量信号的数字化处理 模拟量在送往计算机之前必须经过A/D模数转换，转换成二进制的数字信号。这就涉及到A/D转换器的转换精度和速度问题。A/D转换速度不能低于采样频率。 A/D 转换精度与A/D的位数有关，位数越高则转换的精度越高。A/D的转换精度可用分辨率来表示。假定A/D位数是N，它的分辨率是：分辨率=1/2N,结束,首页,上页,下页,末页,3.2.2 信号的采集和主要处理,现在假定输入的模拟量为y，输出的二进制数字量为y。那么它们之间的关系可用下式表示: y=y/kmq式中km 为变送器物理输入量程范围与输出电量程范围之比。q为A/D 的量化单位，它可以按下式计算：q= M/2NM 为A/D输入模拟量的电量程范围N为A/D的位数。,结束,首页,上页,下页,末页,3.2.2 信号的采集和主要处理,【例】某温度变送器量程是0100，其输出信号为010mA，试求25时经6位A/D转换后，其输出二进制代码应是多少。,结束,首页,上页,下页,末页,3.2.2 信号的采集和主要处理,3. 数字滤波 为了抑制各种频率的干扰，通常在模入部件的入口处设置模拟RC滤波器。这种硬件滤波器能有效地抑制高频干扰，但对低频干扰滤波效果不佳。而数字滤波对此类干扰确是一种有效地方法。数字滤波就是用数学的方法通过数学运算对输入信号进行处理的一种滤波方法，即通过一定的计算方法，减少噪声干扰在有用信号中的比重，使得送往计算机的信号尽可能是所要求的信号。由于这种方法是靠程序编制实现的，因此，数字滤波的实质是软件滤波。数字滤波的方法不需要增加任何硬件设备，是最廉价的。由于数字滤波稳定性高, 各回路之间不存在阻抗匹配问题，易于多路复用，因此，发展很快，用途很广, 很多工业控制领域都在使用。,结束,首页,上页,下页,末页,3.2.2 信号的采集和主要处理,数字滤波有如下几种方法(书上列出了10种)： 1）变化率限幅滤波法； 2）递推平均滤波； 3）加权递推平均滤波； 4）中位值滤波 5）一阶惯性滤波（又称维纳滤波）。,结束,首页,上页,下页,末页,3.2.3 数据的预处理,1. I/O信号数据的读入：检验单位时间内读入计算机的数据数目是否超出允许值2. 模拟量超电量程检查：对每个模拟量输入信号均设置电量程上、下限，用于进行有效性检查。,结束,首页,上页,下页,末页,3.2.3 数据的预处理,3. 模拟量变化率超差检查：当周期变化率（工程值/秒）大于变化率限值时，则认为变化率超差。4. 模拟量近零死区处理：预先设置一个近0死区，当扰动处于近0死区之内时，将变量值强置为0。 5. 模拟量信号工程单位变换：包括以下几种工程单位变化类型：线性变换开方变换热电偶工程单位变换热电阻工程单位变换非线性变换（分段、指数、对数、多项式等）,结束,首页,上页,下页,末页,3.2.3 数据的预处理,6.模拟量信号数字滤波7.模拟量信号上下限检查与报警 8.开关量输入信号采集及预处理：分快速采集信号和一般采集信号。通常需要进行软件“消抖”处理。9.脉冲量信号的量化,结束,首页,上页,下页,末页,3.3 DCS 控制器上的实时数据组织和管理,DCS控制器上的实时数据组织和管理考虑的要点是内存空间的分配和管理。,结束,首页,上页,下页,末页,3.3.1 DCS控制器的一般任务结构,DCS 控制器运行在实时操作系统上，至少应由如下子系统组成。1. 控制器管理子系统控制器管理子系统完成控制器运行环境和数据的初始化和状态总控。主要功能包括：（1）控制器引导和初始化（2）从自己的文件系统或网络上下载配置数据,结束,首页,上页,下页,末页,3.3.1 DCS控制器的一般任务结构,（3）根据执行监督子系统的诊断结果，控制任务的启/停，并向外部输出控制器整体运行状态。（4）响应上位机的命令，完成配置数据的在线下装。数据回读等工作。（5）关键的数据备份，用于控制器异常重启动或主从控制器切换时的控制输出无扰。这些关键数据指的是与控制逻辑相关的，尤其是参与控制逻辑运算且带有中间状态或累计值的变量数据。,结束,首页,上页,下页,末页,3.3.1 DCS控制器的一般任务结构,2.调度子系统调度子系统完成任务的定时调度。调度子系统控制控制器内多任务相对确定的执行顺序和稳定的执行负荷。正常运行时，由周期调度任务按配置好的调度时间表设置各任务的启动条件，确保整个控制器的执行确定性,结束,首页,上页,下页,末页,3.3.1 DCS控制器的一般任务结构,3. 执行处理子系统执行处理子系统是控制器的功能执行主体，主要完成控制运算和数据传输功能。按照调度节拍，每次执行一个“接收新数据计算发送新数据”的循环。对上位机来的一般命令也在这一子系统中真正的执行。,结束,首页,上页,下页,末页,3.3.1 DCS控制器的一般任务结构,4. I/O 子系统：由一组驱动程序组成，完成与控制输入输出设备的交互。 5. 通信服务子系统：完成与上位机、操作站的信息通信和数据交互，包括数据上传、参数设定等。 6. 执行监督子系统：完成各种故障诊断和控制器异常处理。 7. 校时子系统：完成各个现场控制站之间的精确时间同步，一般应达到时间的误差不超过1ms，以确保全系统SOE记录的正确性。,结束,首页,上页,下页,末页,结束,首页,上页,下页,末页,3.3.2控制器的串行化处理,串行化是对数据完整性而言的，即在数据的获取、计算、存储、传输和输出的整个过程中，不希望插入与这一处理过程无关的任何数据读写操作，当然也不能执行真正的I/O操作，因为I/O操作必然引起任务的切换，操作系统可能调度起任何一个任务来强制执行数据读写。,结束,首页,上页,下页,末页,3.4 IEC61131-3 控制编程语言与软件模型,3.4.1 IEC61131-3简介1993年，国际化标准组织IEC（国际电工技术委员会）的SC65BWG7工作组，制定发布了编程软件的第一个国际标准IEC1131-3标准，后来IEC 组织对原有的编号系统进行了升级，将该标准号重新编号为IEC61131-3。这只是标准号的变化，标准内容没有变化。其间增加过一些对IEC1131-3标准的勘误和附录。,结束,首页,上页,下页,末页,3.4.1 IEC61131-3简介,IEC61131标准共包含六个部分的内容：第一部分：概述与定义（general information）第二部分：硬件要求与测试（equipment requirements and tests）第三部分：即IEC61131-3，编程语言第四部分：用户导则（user guidelines）第五部分：通信规范（messaging service specification）第七部分：模糊控制（fuzzy logic）,结束,首页,上页,下页,末页,3.4.3 IEC61131-3 标准的基本内容,IEC61131-3标准由两大部分的内容组成：公共元素（common elements） 和编程语言（programe languages）。 公共元素定义了IEC61131-3 所有编程语言都用到的公共特征和元素，包括：字符的使用原则数据类型变量配置资源任务程序组织单元,结束,首页,上页,下页,末页,3.4.3 IEC61131-3 标准的基本内容,1. 数据类型：IEC61131-3定义了控制编程最常用的数据类型，将数据类型的含义和使用统一起来，为实现控制程序的可移植性打下基础。,结束,首页,上页,下页,末页,3.4.3 IEC61131-3 标准的基本内容,2. 变量局部变量全局变量外部变量输入/输出变量直接地址访问变量,结束,首页,上页,下页,末页,3.4.3 IEC61131-3 标准的基本内容,3. 配置IEC61131-3 使用配置来定义控制系统的所有资源，并为资源之间的数据交换提供手段。在物理上，一个配置对应一个PLC系统或DCS的一个控制站。在IEC61131-3 中一个配置可以含有多个资源。,结束,首页,上页,下页,末页,3.4.3 IEC61131-3 标准的基本内容,4. 资源一个配置可以有一个或多个资源。物理上，我们可以将资源看成控制器中的一个CPU，可以运行IEC任务。资源当中可以定义自己的全局变量，即只在该资源中有效的变量，资源中也可进行直接的地址访问变量定义。在IEC61131-3中一个资源可含有多个任务。,结束,首页,上页,下页,末页,3.4.3 IEC61131-3 标准的基本内容,5. 任务任务是控制器中一组完成特定功能软件程序，如可以定义任务A完成回路控制，任务B 完成运动控制，任务C完成中断事件的响应。定义任务的目的是为了给不同的任务定义不同的调度周期。如可以将任务A的运算调度周期定义为1s运算一次；将任务B的定义为50ms；将任务C定义为事件驱动运行方式。IEC61131-3的任务不仅支持周期调度和事件驱动方式，任务还可以定义优先级，以保证任务执行的次序。,结束,首页,上页,下页,末页,3.4.3 IEC61131-3 标准的基本内容,6. 程序组织单元POUs (program organization units)：在IEC61131-3中，程序组织单元有三类，函数、功能块和程序。函数：函数是预先编好的程序，它可以有多个输入，但只有一个输出。功能块：功能块也是预先编好的程序，可以有多个输入也可以有多个输出，这是与函数不同的一点。程序：程序就是一个简单的POUs，可以用任意的语言写成，它可以是特殊的代码，或是函数、功能块，函数和功能块可以是内部库，也可以是外部库。程序是唯一的可以插入到任务中的POU类型。,结束,首页,上页,下页,末页,3.4.3 IEC61131-3 标准的基本内容,IEC61131-3的基本原则是应用工程编程（组态）者，可以自由的组合使用语句表IL、结构化文本语言ST、梯形图LD、功能块FBD、顺序图SFC等五种控制语言编程，完成控制运算。这些控制运算包含在可重复使用的POUs中，POU可以是函数功能块和程序。这些POUs在组态程序中可以被复用或被保存在用户自定义的算法库中，并且可以被导入到别的组态程序中使用。,结束,首页,上页,下页,末页,3.4.3 IEC61131-3 标准的基本内容_五种编程语言简介,1、语句表IL(Instruction List) 语句表是一种用汇编语言风格的编程语言，由于IL程序的高效、执行速度最快而为软件工程师或高级专业工程师所喜欢，但是单调、沉闷的IL编程语言，可读性差，不利于非计算机专业工程师的理解和使用。例1：计算 的值。例2：计算 的值。,结束,首页,上页,下页,末页,3.4.3 IEC61131-3 标准的基本内容_五种编程语言简介,2、结构化文本语言ST (Structured Text) ST是一种高级程序语言，风格类似Pasica