林喜祥

一、引言

分布式控制系統(tǒng)（簡稱DCS）是在20世紀給工業(yè)社會帶來重大影響的一項技術。在其長達30年的發(fā)展歷程中，DCS技術雖然日趨成熟，但是和今日信息技術的發(fā)展成就相比，DCS技術在標準化方面還面臨著諸多挑戰(zhàn)，導致現(xiàn)在DCS技術標準化進展緩慢的最重要原因是在DCS的硬件和軟件之間還沒有建立起一種合適的機制?！霸缙诘腄CS是完全封閉的，由各個生產(chǎn)廠自己生產(chǎn)I／O組件、控制站、操作員站、工程師站，自己設計開發(fā)系統(tǒng)網(wǎng)絡和控制組態(tài)軟件；用戶在其中任何一個環(huán)節(jié)都脫離不了該DCS生產(chǎn)廠，處處受其制約。也就是說，各個DCS生產(chǎn)廠的硬件（包括I／O組件、控制站、操作員站、工程師站）不能互相代用，系統(tǒng)網(wǎng)絡互不兼容，無法互通信息，控制組態(tài)軟件種類繁多”[1]。鑒于軟件技術的發(fā)展空間很大，硬件平臺的選擇就成為DCS標準化的關鍵。

二、分布式控制系統(tǒng)標準化需求

分布式控制系統(tǒng)具有兩個方面的特征，一是面對各種各樣的工業(yè)生產(chǎn)過程系統(tǒng)，其規(guī)模與功能是不確定的；二是面對各種復雜的生產(chǎn)工藝要求，其控制邏輯的組合也是不確定的。因此，DCS需要一種性能很好的技術環(huán)境，使之能夠應用戶需求的變化而變化，DCS標準化就是為構建這樣的技術環(huán)境而建立的基礎。目前，最迫切進行的DCS標準化工作是在不同廠家生產(chǎn)的DCS之間能夠統(tǒng)一使用規(guī)范的控制邏輯組態(tài)，雖然IEC 61131、IEC 61499等國際標準在這方面做了努力，但收效甚少；因為這些國際標準僅在控制邏輯組態(tài)語言形式上給予了規(guī)范，而實際上各種組態(tài)元件的定義（包括控制算法）還是要依附于特定的DCS控制站平臺，這就導致不同DCS之間的控制邏輯移植成本很高，而執(zhí)行代碼的兼容性更無從談起；除了DCS控制邏輯組態(tài)的互換性需要相應的技術標準支持外，建立一種能夠獨立于工業(yè)控制對象的泛控制站控制元件算法庫同樣是非常必要的，DCS人機界面子系統(tǒng)中關于控制對象操作處理也是今后DCS技術標準化的重要內(nèi)容之一，這涉及到操作界面的技術規(guī)范，操作過程的信息交換標準，以及操作過程與控制邏輯組態(tài)之間的關系確定問題。

三、數(shù)據(jù)引擎理論與DCS技術標準化

在推動DCS的技術標準化過程中，DCS專業(yè)技術人員提出了一個新的軟件工程概念：數(shù)據(jù)引擎。所謂數(shù)據(jù)引擎，就是一種機制，它一方面將DCS的控制邏輯組態(tài)圖形界面所反映的計算關系轉(zhuǎn)化為實時處理的數(shù)據(jù)；另一方面，它將這些數(shù)據(jù)安裝在一種特定的實時數(shù)據(jù)庫中，憑借該數(shù)據(jù)庫的事件處理機制驅(qū)動整個控制站各項任務的執(zhí)行。數(shù)據(jù)引擎的基本原理是將控制問題中的兩種類型的對象（即控制算法元件和被控制設備）作為研究的基礎（見圖1），采用面向?qū)ο蟮姆椒ò言贒CS控制站中建立相應的實時數(shù)據(jù)庫（RDB）和多代理控制軟件（MAS），從而實現(xiàn)實時控制軟件資源的復用。因此，“該技術的主要特點是能夠根據(jù)輸入輸出的數(shù)據(jù)產(chǎn)生驅(qū)動控制邏輯元件的狀態(tài)變化，達到有效執(zhí)行控制組態(tài)算法的目的”。[2]

圖1 分布式控制系統(tǒng)問題對象示意圖

DCS控制站數(shù)據(jù)引擎技術架構示意圖（見圖2），很顯然，數(shù)據(jù)引擎理論能夠應用到所有計算控制平臺中。在控制平臺上應用數(shù)據(jù)引擎理論，除了能夠直接應用DCS的控制邏輯組態(tài)軟件之外，還可以實現(xiàn)控制邏輯組態(tài)的完全兼容和標準化，因為所有控制組態(tài)的信息在平臺中將不會以控制指令的形式出現(xiàn)，而是以數(shù)據(jù)的形式出現(xiàn)。另一方面，采用數(shù)據(jù)引擎之后，控制平臺的實時計算模式發(fā)生了根本的變化，DCS用戶可以在DCS實時運行過程中對相關控制邏輯組態(tài)進行修改，無需中止DCS的運行并能確?？刂葡到y(tǒng)的連續(xù)性。這其中最關鍵的原因就是所有控制邏輯組態(tài)的在線修改過程并非是數(shù)據(jù)結構和數(shù)據(jù)處理機制的改變，而是數(shù)據(jù)引擎中實時數(shù)據(jù)庫的局部數(shù)據(jù)的調(diào)整，因此可以實現(xiàn)實時在線組態(tài)。

圖2 DCS控制站數(shù)據(jù)引擎技術架構示意圖

在DCS的數(shù)據(jù)引擎機制中，控制邏輯的組態(tài)軟件是一個重要的組成部分，也是DCS技術標準化的重要手段。該軟件和傳統(tǒng)的DCS控制邏輯組態(tài)軟件表面上并沒有什么區(qū)別，但是它卻可以和不同的控制平臺組成的DCS控制站連接在一起的，即能夠?qū)⑾嗤目刂七壿嫿M態(tài)傳送到不同的控制平臺中運行，實時監(jiān)控它們的運行狀態(tài)，并能夠支持DCS控制站控制邏輯的在線組態(tài)。這是DCS技術標準化的主要特征。該軟件以控制邏輯編輯窗口為中心，須具有自動診斷控制邏輯語法錯誤和對控制元件進行拓撲排序的功能，在切換至運行監(jiān)控狀態(tài)時，該軟件可以對DCS控制站的所有控制元件的動態(tài)輸出和靜態(tài)參數(shù)進行監(jiān)控，并且能夠以實時趨勢圖和X－Y關系圖的形式來繪制所有控制元件的動態(tài)關系曲線，給DCS的在線調(diào)試創(chuàng)造了非常便利的條件；還應具有實時仿真功能，即在完成相關控制邏輯的設計之后，DCS用戶可以應用這個仿真功能來驗證邏輯的合理性；此外，控制元件的管理功能也很有特色，該項功能能夠使得用戶在無任何DCS廠家技術支持的前提下，幫助他們方便地進行控制元件算法的修正和新控制元件的添加工作。

四、標準化機柜

根據(jù)數(shù)據(jù)引擎理論，提出一種標準控制機柜的設計方案，在這樣的一個機柜中，配置著一套冗余的系統(tǒng)控制站和相應的輸入輸出模塊和一些接線端子及必要的隔離或者驅(qū)動用繼電器。在DCS中，通過網(wǎng)絡設備可以連接若干套標準控制柜?？刂乒竦臄?shù)量取決于控制對象的輸入輸出規(guī)模，各個控制柜的硬件體系完全一致，因此系統(tǒng)配置的設計過程非常簡單，設計成本可以大幅下降。在這里各個控制站的內(nèi)部底層支撐軟件也是完全一致的，只有它們的控制邏輯組態(tài)內(nèi)容不同，因為這要取決于被控對象的控制要求。為確保這種標準控制柜在重要的工業(yè)系統(tǒng)應用場合的可靠性能，特別強化了冗余配置的設計。標準控制柜中，CPU模塊、電源模塊、以太網(wǎng)模塊以及局部重要的控制輸出模塊均采用了雙重的配置設計。基于PLC的DCS標準控制柜結構（見圖3）。

圖3 基于PLC的DCS控制站標準機柜示意圖（雙面機柜）

五、結論

隨著工業(yè)生產(chǎn)過程的復雜化和工藝技術要求的不斷提高，分布式控制系統(tǒng)的技術標準化需求日趨緊迫。DCS在控制邏輯組態(tài)方法、硬件技術規(guī)范和控制站支撐軟件方面的標準化將對DCS產(chǎn)品和技術的發(fā)展、提高DCS系統(tǒng)的開發(fā)效率以及降低DCS實施成本都具有非常重要的意義。應用數(shù)據(jù)引擎和采用標準機柜，將有助于DCS向著標準化、多元化、智能化和信息化的技術方向發(fā)展，在DCS直接應用先進控制方法、工業(yè)系統(tǒng)過程仿真、設備運行的性能分析以及運行操作指導系統(tǒng)研究等方面還有更多有益的工作做。

[1]作者不詳.在DCS中標準化編程的IEC 1131-3應用分析[C／OL].http：／／www.jdzj.com／plc／article／2011-12-28／33181-1.htm.

[2]王龍南.數(shù)據(jù)引擎技術的原理及其在DCS 中 的 應 用 [C／OL].http：／／tech.bjx.com.cn／html／20071219／51144.shtml.