李平 劉偉

摘要：DCS（分布式控制系統(tǒng)）在工業(yè)自控領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。實(shí)時(shí)性是DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要考慮因素。DCS系統(tǒng)實(shí)時(shí)性主要是體現(xiàn)控制系統(tǒng)自身的各項(xiàng)處理功能對(duì)于被控過(guò)程變化速度快慢的適應(yīng)能力。反應(yīng)DCS實(shí)時(shí)性的重要指標(biāo)有：一層控制器循環(huán)處理周期、系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、輸入信號(hào)最小持續(xù)時(shí)間。一層控制器循環(huán)處理周期：控制器循環(huán)處理周期與控制器的性能及控制算法的復(fù)雜程度有關(guān)，也與具體的運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)。系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間包括：系統(tǒng)輸出信號(hào)時(shí)間、系統(tǒng)輸入信號(hào)時(shí)間。系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間是控制系統(tǒng)對(duì)于完成其所負(fù)責(zé)自動(dòng)控制任務(wù)的系統(tǒng)本身消耗時(shí)間。輸入信號(hào)最小持續(xù)時(shí)間：DCS系統(tǒng)所能正確檢測(cè)出輸入信號(hào)正確變化狀態(tài)的情況下，狀態(tài)所需的最小持續(xù)時(shí)間。

關(guān)鍵詞：DCS；實(shí)時(shí)性；自動(dòng)控制；工業(yè)控制

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）10-0241-02

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Research on Real-time Performance of DCS System

LI Ping， LIU Wei

（China Nuclear Control Systems Engineering Co.， Ltd.， Engineering and Service Center， Beijing 102401， China）

Abstract： DCS （Distributed Control System） plays an important role in the field of industrial automation and is widely used in important industrial fields such as chemical， electric power， transportation and nuclear energy. System real-time performance is an important consideration in the design of DCS systems. The real-time nature of the DCS system mainly reflects the adaptability of the control system's own processing functions to the speed of the controlled process. Important indicators for real-time DCS response are： one layer controller cycle， system response time， and minimum input signal duration. One-layer controller cycle processing cycle： The controller cycle processing cycle is related to the performance of the controller and the complexity of the control algorithm， and also to the specific operating state. The system response time includes： system output signal time， system input signal time. The system response time is the time it takes for the control system to complete the system itself responsible for the automatic control tasks. Input signal minimum duration： The minimum duration required for the state in the case where the DCS system can correctly detect the correct change state of the input signal.

Key words： DCS； Real-time；Automatic control； industrial control

1 前言

DCS（Distributed Control System）是分布式控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱。其作為目前主流的過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用在化工、電力、交通、核能等重要工業(yè)領(lǐng)域。DCS系統(tǒng)往往作為以上工業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的核心，為相關(guān)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化水平的提高起到至關(guān)重要的作用。

計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使DCS相較于傳統(tǒng)儀表控制系統(tǒng)，在可靠性、開(kāi)放性、靈活性、易于維護(hù)等方面都有這巨大的優(yōu)勢(shì)。但是，在系統(tǒng)實(shí)時(shí)性上，由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的自身?xiàng)l件與傳統(tǒng)儀表控制系統(tǒng)相比可能要略顯不足。正是這一特點(diǎn)，也決定了DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須把控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性作為重要的考量因素。

2 典型DCS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

主流的工業(yè)控制系統(tǒng)架構(gòu)一般分為四層。

0層：工藝系統(tǒng)接口層，包括測(cè)量設(shè)備和執(zhí)行設(shè)備。

1層：控制和保護(hù)層，由信號(hào)處理和邏輯控制設(shè)備組成，完成對(duì)工藝環(huán)節(jié)控制和監(jiān)視。

2層：操縱和信息管理層，由常規(guī)和數(shù)字化設(shè)備組成，完成對(duì)工藝過(guò)程監(jiān)控和操縱系統(tǒng)。

3層：工廠管理層，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成的對(duì)工廠管理和通訊系統(tǒng)。

典型的DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖1：

3 評(píng)價(jià)DCS系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的重要指標(biāo)

DCS系統(tǒng)實(shí)時(shí)性主要體現(xiàn)控制系統(tǒng)自身的各項(xiàng)處理功能對(duì)于被控過(guò)程變化速度快慢的適應(yīng)能力。主要針對(duì)控制回路中的采集、處理、顯示、輸出各環(huán)節(jié)以及通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸率等方面，其性能指標(biāo)主要包含以下幾個(gè)方面：

3.1 一層控制器循環(huán)處理周期

一層控制器執(zhí)行一次完整的算法、通信和輸入/輸出任務(wù)的時(shí)間被稱為一個(gè)控制循環(huán)處理周期。一般主控制器在循環(huán)處理中，依照順序執(zhí)行：I/0數(shù)據(jù)輸入（包括網(wǎng)絡(luò)通信）、邏輯運(yùn)算及數(shù)據(jù)輸出（包括網(wǎng)絡(luò)通信）任務(wù)。以上任務(wù)往復(fù)循環(huán)進(jìn)行。如下圖2：

控制器循環(huán)處理周期與控制器的性能及控制算法的復(fù)雜程度有關(guān)，也與具體的運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)。在滿足控制器處理器負(fù)荷率要求的前提下，循環(huán)處理周期選擇的越短，代表DCS系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制回路控制響應(yīng)越快，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性越好。

3.2 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間

對(duì)于一個(gè)DCS系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間由信號(hào)采集、控制器邏輯運(yùn)算處理、通信網(wǎng)絡(luò)傳輸、系統(tǒng)服務(wù)器數(shù)據(jù)處理、信號(hào)輸出、操作員畫面顯示等多個(gè)時(shí)間環(huán)節(jié)決定。具體如下圖3。系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間是控制系統(tǒng)對(duì)于完成其所負(fù)責(zé)自動(dòng)控制任務(wù)的系統(tǒng)本身消耗時(shí)間。系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間是綜合時(shí)間指標(biāo)，體現(xiàn)了DCS系統(tǒng)整體對(duì)控制和反饋過(guò)程響應(yīng)快慢，表征了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性好壞。DCS系統(tǒng)對(duì)于不同信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間一般不同，不同運(yùn)行狀態(tài)下，響應(yīng)時(shí)間也會(huì)有所區(qū)別。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)往往需考核最大系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。

3.3 輸入信號(hào)最小持續(xù)時(shí)間

DCS系統(tǒng)實(shí)時(shí)性高說(shuō)明系統(tǒng)能夠?qū)ψ兓俣雀斓男盘?hào)進(jìn)行檢測(cè)，變化速度越快意味著輸入信號(hào)的狀態(tài)持續(xù)時(shí)間可以更短，因此可以認(rèn)為，在系統(tǒng)所能正確檢測(cè)出輸入信號(hào)正確變化狀態(tài)的情況下，狀態(tài)所需的最小持續(xù)時(shí)間就反映了實(shí)時(shí)性。輸入信號(hào)被系統(tǒng)檢測(cè)到可分為兩種情況：

1）被一層控制器監(jiān)測(cè)到；

2）被服務(wù)器記錄并顯示于操作員畫面。

以數(shù)字量DI信號(hào)為例說(shuō)明：

圖中Tj為輸入信號(hào)持續(xù)時(shí)間。當(dāng)DI信號(hào)維持Tj，在這個(gè)時(shí)間間隔下被一層控制器掃描識(shí)別到（這里掃描識(shí)別指信號(hào)狀態(tài)存入控制器輸入存儲(chǔ)區(qū)），控制器可以根據(jù)此信號(hào)完成自動(dòng)控制功能。Tj需維持最小時(shí)間（Tmin1）根據(jù)處理器能力、循環(huán)周期配置、控制程序復(fù)雜度等因素有關(guān)，小于Tmin1持續(xù)時(shí)間的信號(hào)變化將可能被控制器漏掉，進(jìn)而無(wú)法以此做出自動(dòng)控制動(dòng)作。主流DCS品牌Tmin1一般在幾十到幾百毫秒之間。

由于，存在網(wǎng)絡(luò)傳輸、服務(wù)器處理等時(shí)間，如果輸入信號(hào)要確定被服務(wù)器處理記錄、操作員畫面顯示，那么此時(shí)信號(hào)的對(duì)應(yīng)的最小維持時(shí)間（Tmin2）要大于上面表述Tmin1，當(dāng)信號(hào)持續(xù)時(shí)間Tj在Tmin1與Tmin2之間（即Tmin1

4 總結(jié)

綜上所述，DCS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性涉及多個(gè)技術(shù)指標(biāo)參數(shù)，而每個(gè)指標(biāo)參數(shù)均有多個(gè)環(huán)節(jié)、設(shè)備、因素決定。DCS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性就是這些參數(shù)指標(biāo)的集合體。DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中也要綜合各種因素，找到各約束條件的平衡點(diǎn)，最終使DCS系統(tǒng)滿足工業(yè)過(guò)程對(duì)實(shí)時(shí)性的需要。

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【通聯(lián)編輯：梁書】