戴冬梅

DCS集散控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)組態(tài)研究

戴冬梅

目前，集散控制系統(tǒng)被越來越多地應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中，包括化工、機(jī)械、電力以及石油等領(lǐng)域。它是一種綜合性的控制系統(tǒng)，是隨著生產(chǎn)中自動化水平以及對生產(chǎn)過程監(jiān)控要求的提高而發(fā)展起來的?，F(xiàn)在集散控制系統(tǒng)的發(fā)展趨向是以個人計(jì)算機(jī)作為基礎(chǔ)并配置以運(yùn)行穩(wěn)定的工控組態(tài)軟件。本文分析了集散控制系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)組態(tài)的基本概念、工作原理與具體工作流程，并舉例說明了幾種常見的組態(tài)方式與實(shí)際應(yīng)用。

DCS集散控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；組態(tài)軟件

一、DCS集散控制系統(tǒng)簡介

（一）基本概念

DCS集散控制系統(tǒng)又被稱為分布式的控制系統(tǒng)，主要用于實(shí)際生產(chǎn)過程的集中性管理以及分散性控制，是隨著現(xiàn)代實(shí)際生產(chǎn)自動化水平以及對生產(chǎn)過程監(jiān)控要求的提高而發(fā)展起來的一種綜合性的控制系統(tǒng)。這是一種聚集多種高新技術(shù)的新型控制系統(tǒng)，所融合的技術(shù)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制系統(tǒng)以及通信技術(shù)，主要由通信網(wǎng)絡(luò)、集中管理以及分散控制這三大模塊組成，深受現(xiàn)代工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)的青睞并得到了很大的發(fā)展。［1］現(xiàn)在集散控制系統(tǒng)發(fā)展趨向是以個人計(jì)算機(jī)作為基礎(chǔ)并配置以運(yùn)行穩(wěn)定的工控組態(tài)軟件。

（二）工作過程

為工程師分析實(shí)際的生產(chǎn)過程和控制需求，然后對程序模塊和硬件的實(shí)施組態(tài)，主要有選擇控制的方案、控制回路組態(tài)以及生成趨勢的畫面等。當(dāng)組態(tài)的工作完成以后，就會有一些組態(tài)信息的文件生成。這些組態(tài)信息的文件將在系統(tǒng)運(yùn)行之前根據(jù)文件的屬性匹配相關(guān)的控制單元，然后控制單元就會識別文件中的內(nèi)容并在控制模塊中提供相應(yīng)的控制算法去執(zhí)行，最后將結(jié)果遞送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，便完成了對應(yīng)的控制。系統(tǒng)還可以根據(jù)系統(tǒng)組態(tài)中的內(nèi)容實(shí)現(xiàn)對相關(guān)內(nèi)容的監(jiān)控。

二、DCS集散控制系統(tǒng)組態(tài)軟件的研究

組態(tài)這一概念是最新出現(xiàn)于工業(yè)控制系統(tǒng)的，集散型控制系統(tǒng)的出現(xiàn)帶來了組態(tài)這一概念。組態(tài)廣泛應(yīng)用于自動化生產(chǎn)過程，被每一位自動化技術(shù)者所熟知。DCS控制系統(tǒng)都是較比通用的，用戶不必編寫專門的程序就可以在此控制系統(tǒng)中生成跟自己的需要相適應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)，每一套DCS控制系統(tǒng)中都有預(yù)裝的應(yīng)用軟件與系統(tǒng)軟件，這里所說的應(yīng)用軟件就是組態(tài)軟件。

DCS控制系統(tǒng)有軟件組態(tài)和硬件組態(tài)，其中的硬件組態(tài)中包含：工程師站的選擇、操作員站的選擇、硬件配置的選擇以及現(xiàn)場控制站的選擇等；軟件組態(tài)包含：基本配置組態(tài)、應(yīng)用軟件組態(tài)，其中基本配置組態(tài)的功能是傳遞給系統(tǒng)一個配置信息。而應(yīng)用軟件組態(tài)又包含有兩大部分：圖形軟件組態(tài)與控制算法軟件組態(tài)?？刂葡到y(tǒng)中預(yù)裝有軟件組態(tài)，它的作用是用戶不必專門編寫適合自己的程序就可以生成自己需要的應(yīng)用軟件，軟件組態(tài)所包含的內(nèi)容非常豐富以便不同的用戶所需。［2］

（一）集散控制系統(tǒng)組態(tài)軟件的工作原理

集散控制系統(tǒng)組態(tài)軟件在實(shí)際工業(yè)控制中的應(yīng)用，減少了相關(guān)工作人員編寫程序代碼的煩瑣工作，而且將一直困擾工程人員不懂計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)知識以及計(jì)算機(jī)專業(yè)人員不懂工程現(xiàn)場控制相關(guān)知識的問題徹底解決，在很大程度上提高了工程控制的工作效率。所以中小型的工業(yè)生產(chǎn)控制與工業(yè)自動化越來越青睞工程控制組態(tài)軟件。

組態(tài)軟件是圍繞工程師進(jìn)行工程控制的思路從而生成與不同用戶相適應(yīng)的不同的用戶程序。在DCS集散控制系統(tǒng)中，所有控制模塊的程序都是事先編寫好的，然后儲存在現(xiàn)場控制站的儲存器中。組態(tài)軟件的工作原理是：控制系統(tǒng)軟件的工具與基礎(chǔ)內(nèi)容都是固定不變的，而將具體應(yīng)用的相關(guān)部分以文件的形式儲存起來，可以隨著用戶的不同需要進(jìn)行編輯和修改。也就是說不同的用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際需要更改組態(tài)軟件中的報表文件、系統(tǒng)配置文件、控制回路文件、控制參數(shù)文件等文件數(shù)據(jù)，組態(tài)軟件可以根據(jù)用戶的需要靈活地組件組態(tài)方式且聲稱相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件，從而實(shí)現(xiàn)具體的控制方案。［3］

（二）DCS集散控制系統(tǒng)組態(tài)的工作內(nèi)容

一般情況下，組態(tài)軟件的實(shí)際工作包括以下方面。

1.生成實(shí)時數(shù)據(jù)庫。DCS控制系統(tǒng)中最基本也是最重要的資源便是實(shí)時數(shù)據(jù)庫。它在整個控制軟件中起著核心的作用，而且它的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中是在不斷更新的，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)內(nèi)容是系統(tǒng)對于對象控制狀態(tài)的直接顯示。實(shí)時數(shù)據(jù)庫中儲存由很多渠道得來的數(shù)據(jù)，當(dāng)控制需要時可以直接在實(shí)時數(shù)據(jù)庫中獲得，與此同時，執(zhí)行中的結(jié)果以及中間設(shè)定的值都會及時地存放在此數(shù)據(jù)庫中。

圖1　組態(tài)數(shù)據(jù)庫工作流程圖

2.生成歷史數(shù)據(jù)庫。利用計(jì)算機(jī)對一項(xiàng)實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行控制與管理的顯著性優(yōu)勢為：計(jì)算機(jī)能夠?qū)λ刂频馁Y料很方便地進(jìn)行分析、采集與儲存，而實(shí)現(xiàn)以上過程就要在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之后生成一個項(xiàng)目管理的歷史數(shù)據(jù)庫來記錄項(xiàng)目控制的所有歷史數(shù)據(jù)。其中歷史數(shù)據(jù)中所包含的內(nèi)容有：

（1）短時間間隔的趨勢顯示所采用的是歷史數(shù)據(jù)庫，其所應(yīng)用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一般為循環(huán)資料緩沖區(qū)。

（2）長時間間隔歷史資料的有關(guān)存儲，這一類的資料一般存放的時間為幾天到一個月或者更長。這類資料最后都是要存放在磁盤中的。

（3）帶有計(jì)算的、長時間間隔的歷史資料的存儲，這類結(jié)構(gòu)相似于第二種情況下的結(jié)構(gòu)。［2］

3.控制回路組態(tài)。控制回路組態(tài)是用來完成某一特定的控制功能的，這一功能是利用某一方法連接相應(yīng)的控制算法模塊來實(shí)現(xiàn)的。它的實(shí)現(xiàn)方式主要有兩種：回答問題或者填表的方式；利用圖形形象地表示回路結(jié)構(gòu)及算法。第一種方法比較復(fù)雜且不容易被掌握；第二種方法比較直觀、思路清晰，層次分明、屏幕整潔、整體性良好，也便于掌握。這種方法在完成相應(yīng)的編輯之后就能夠及時生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，文件可以是宏代碼也可以是把控制算法的執(zhí)行代碼轉(zhuǎn)變成的標(biāo)準(zhǔn)庫。

4.相關(guān)圖形的生成。用圖形顯示所需要的內(nèi)容在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)控制中是非常有必要的。因?yàn)閳D形的顯示可以讓負(fù)責(zé)操作的人員一目了然地了解控制現(xiàn)場的情況，而且有一些顯示過程變化的曲線還能夠?qū)刂撇僮鞯娜藛T起到一定的指導(dǎo)作用。工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中的相關(guān)圖形所顯示的內(nèi)容一般可以分為兩種：一是作為背景的靜態(tài)圖畫，二是跟隨記錄的實(shí)時數(shù)據(jù)而一直變化的動態(tài)的圖形。除此之外，在這些動態(tài)的圖形上面可以設(shè)置一些特殊的動態(tài)點(diǎn)，每當(dāng)光標(biāo)指示到這些點(diǎn)的時候，可以通過按下一些功能鍵的方式來打開所需的窗口。

在系統(tǒng)生成畫面會相應(yīng)地生成一個下裝的文件，可以將每一圖畫所顯示的信息分別地存放在這個文件之中，圖畫所顯示的信息包括背景圖畫的信息、動態(tài)點(diǎn)的信息以及子圖畫的信息。［4］

總而言之，一個成熟組態(tài)軟件的采用可以使控制者減少編程的煩瑣環(huán)節(jié)，能夠?qū)Ｐ牡厝タ紤]控制回路中所涉及的問題，而且也可以很大程度上提高系統(tǒng)軟件的可靠性。

（三）DCS工程項(xiàng)目的具體作業(yè)流程

每一項(xiàng)DCS項(xiàng)目都要經(jīng)歷一系列的階段過程，這些階段主要包括前期準(zhǔn)備、選型階段、合同簽訂、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)際安裝調(diào)試、后期運(yùn)行維護(hù)。

其中，前期準(zhǔn)備階段跟工程設(shè)計(jì)階段的關(guān)系如下圖所示。

圖2　前期準(zhǔn)備與工程設(shè)計(jì)階段的圖解

（四）常用的幾種組態(tài)方式及其實(shí)際應(yīng)用

1.功能框表填充組態(tài)。大型的集散控制系統(tǒng)中經(jīng)常采用的組態(tài)方式便是功能框表填充法，在利用這一種的組態(tài)方式時，首先需要搞清楚的就是該控制系統(tǒng)將要和哪一些功能模塊進(jìn)行連接以及要如何連接，然后將這些內(nèi)容填寫到相應(yīng)的表格之中，這樣方便將其輸入控制器中。一般流程是先對輸入點(diǎn)進(jìn)行組態(tài)，然后對每個回路進(jìn)行組態(tài)，最后對每一個輸出點(diǎn)進(jìn)行組態(tài)。功能框表填充法的組態(tài)方式是一種相對較靈活的組態(tài)方式，它不僅可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)配置的組態(tài)，還可以實(shí)現(xiàn)控制組態(tài)。

2.用組態(tài)語言進(jìn)行控制組態(tài)。我國的組態(tài)軟件中大部分所采用的是組態(tài)語言的方式，因?yàn)楹芏嗟募⒖刂葡到y(tǒng)都給用戶提供了專門的組態(tài)語言，用來方便用戶完成相應(yīng)的控制組態(tài)。組態(tài)語言的針對性較強(qiáng)，它的形式與高級語言的形式相似，其基本的元素是語句。這種方式除了有普通的邏輯運(yùn)算、算術(shù)、程控語句和函數(shù)以外，還有一些可以直接控制工業(yè)設(shè)備和操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的語言，組態(tài)語言相似于高級語言的編程。

3.圖形組態(tài)。目前國內(nèi)除了以上介紹的兩種組態(tài)方式以外還出現(xiàn)的一種新型的組態(tài)方式即為圖形組態(tài)法。這種組態(tài)方式的原理和語言組態(tài)方式是類似的，不過它組態(tài)每個控制回路的方式不是用編程語言，而是用控制的框圖來代替。［5］這種組態(tài)方式實(shí)現(xiàn)起來一目了然，讓人能夠很清楚地讀出系統(tǒng)所提示的信息，而且屏幕上所顯示的每個模塊之間的相互聯(lián)系也非常清晰，很容易識別系統(tǒng)中所出現(xiàn)的錯誤。更重要的是，工程師在組態(tài)的時候不必費(fèi)盡心思去斟酌編程語言的語法結(jié)構(gòu)，所以大大地壓縮了系統(tǒng)開發(fā)所需要的時間。依照我國目前的狀況來看，這種組態(tài)方式并沒有語言編程的方式靈活以及成熟，不過使用起來比較方便。

不同的領(lǐng)域中集散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也不盡相同，為了使得集散控制系統(tǒng)便于操作，我國的DCS集散控制系統(tǒng)還有待進(jìn)一步的發(fā)展，因此，開發(fā)通用且小型的組態(tài)軟件是很有必要的。

［1］鄧紅霞.DCS集散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)組態(tài)及應(yīng)用［D］.華東師范大學(xué)，2009.

［2］麻建華.集散控制系統(tǒng)組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)［D］.電子科技大學(xué)，2007.

［4］吳秋峰.集散控制系統(tǒng)概述［J］.石油工業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用.1995（4）：1-12.

［5］王英.集散控制系統(tǒng)組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2002.

責(zé)任編輯：郭一鶴

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1671-6531（2015）21-0148-03

戴冬梅/婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士（湖南婁底417000）。