第四章-DCS软件系统

分布式控制系统分布式控制系统第四章DCS的软件系统DCS软件的基本构成也是按照硬件的划分形成的，被分成控制层软件、监控软件和组态软件，同时，还有运行于各个站的网络软件，作为各个站上功能软件之间的桥梁。本章将对DCS的软件系统进行详细的介绍。4.1DCS软件件系统概述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，以及这些控制所必须针对现场设备连接的I/O处理；监控软件运行于操作员站或工程师站上，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、报警信息的显示处理、对现场各类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。1.控制层软件控制层软件的昀主要功能是直接针对现场I/O设备，完成DCS的控制功能。包括PID回路控制、逻辑控制、顺序控制和混合控制等多种类型的控制。包含以下主要的软件：(1)现场I/O驱动，主要是完成I/O模块(模板)的驱动，采集现场数据，输出控制计算后的数据。(2)对输入的数据进行预处理，如滤波处理、除去不良数据、工程量的转换、统一计量单位等，总之，是要尽量真实地用数字值还原现场值并为下一步的计算做好准备。(3)实时采集现场数据并存储在现场控制站内的本地数据库中，这些数据可作为原始数据参与控制计算，也可通过计算或处理成为中间变量，并在以后参与控制计算。(4)按照组态好的控制程序进行控制计算，根据控制算法和检测数据、相关参数进行计算，得到实施控制的量。本地数据库可以满足本现场控制站的控制计算和物理I/O对数据的需求，有时除了本地数据外还需要其他现场控制站上的数据，这时可从网络上将其他节点的数据传送过来，这种操作被称为数据的引用。2.监控软件监控软件的主要功能是人机界面，其中包括图形画面的显示、对操作员操作命令的解释与执行、对现场数据和状态的监视及异常报警、历史数据的存档和报表处理等。操作员站软件主要由以下几个部分组成：(1)图形处理软件，通常显示工艺流程和动态工艺参数，由组态软件组态生成并且按周期进行数据更新。(2)操作命令处理软件，其中包括对键盘操作、鼠标操作、画面热点操作的各种命令方式的解释与处理。(3)历史数据和实时数据的趋势曲线显示软件。(4)报警信息的显示、事件信息的显示、记录与处理软件。(5)历史数据的记录与存储、转储及存档软件。(6)报表软件。(7)系统运行日志的形成、显示、打印和存储记录软件。(8)工程师站在线运行时，对DCS系统本身运行状态的诊断和监视，发现异常时进行报警，同时通过工程师站上的CRT屏幕给出详细的异常信息，如出现异常的位置、时间、性质等。为支持上述操作员站软件的功能实现，在操作员站上需要建立一个全局的实时数据库，这个数据库集中了各个现场控制站所包含的实时数据及由这些原始数据经运算处理所得到的中间变量。这个全局的实时数据库被存储在每个操作员站的内存之中，而且每个操作员站的实时数据库是完全相同的复制，因此每个操作员站可以完成完全相同的功能，形成一种可互相替代的冗余结构。当然各个操作员站也可根据运行的需要，通过软件人为地定义其完成不同的功能，而成为一种分工的形态。3.组态软件组态软件安装在工程师站中，这是一组软件工具，是为了将通用的、有普遍适应能力的DCS系统，变成一个针对某一个具体应用控制工程的专门DCS控制系统。为此，系统要针对这个具体应用进行一系列定义，如硬件配置、数据库的定义、控制算法程序的组态、监控软件的组态，报警报表的组态，等等。在工程师站上，要做的组态定义主要包括：(1)硬件配置，这是使用组态软件首先应该做的，根据控制要求配置各类站的数量、每个站的网络参数、各个现场I/O站的I/O配置(如各种I/O模块的数量、是否冗余、与主控单元的连接方式等)及各个站的功能定义等。(2)定义数据库，包括历史数据和实时数据，实时数据库指现场物理I/O点数据和控制计算时中间变量点的数据。历史数据库是按一定的存储周期存储的实时数据，通常将数据存储在硬盘上或刻录在光盘上，以备查用。(3)历史数据和实时数据的趋势显示、列表及打印输出等定义。(4)控制层软件组态，包括确定控制目标、控制方法、控制算法、控制周期以及与控制相关的控制变量、控制参数等。(5)监控软件的组态，包括各种图形界面(包括背景画面和实时刷新的动态数据)、操作功能定义(操作员可以进行哪些操作、如何进行操作)等。(6)报警定义，包括报警产生的条件定义、报警方式的定义、报警处理的定义(如对报警信息的保存、报警的确认、报警的清除等操作)及报警列表的种类与尺寸定义等。(7)系统运行日志的定义，包括各种现场事件的认定、记录方式及各种操作的记录等。(8)报表定义，包括报表的种类、数量、报表格式、报表的数据来源及在报表中各个数据项的运算处理等。(9)事件顺序记录和事故追忆等特殊报告的定义。4.2DCS的控制层软件„4.2.14.2.1控制层软件的功能控制层软件的功能DCS控制层软件基本功能可以概括为I/O数据的采集、数据预处理、数据组织管理、控制运算及I/O数据的输出，其中数据组织管理和控制运算由用户组态，有了这些功能，DCS的现场控制站就可以独立工作，完成本控制站的控制功能，如图4.1所示。除此之外，一般DCS控制层软件还要完成一些辅助功能，如控制器及重要I/O模块的冗余功能、网络通信功能及自诊断功能等。„„4.2.24.2.2信号采集与数据预处理信号采集与数据预处理DCS要完成其控制功能，首先要对现场的信号进行采集和处理。DCS的信号采集指其I/O系统的信号输入部分。其功能是将现场的各种模拟物理量如温度、压力、流量、液位等信号进行数字化处理，形成现场数据的数字表示方式，并对其进行数据预处理，昀后将规范的、有效的、正确的数据提供给控制器进行控制计算。现场信号的采集与预处理功能是由DCS的I/O硬件及相应软件实现的，用户在组态控制程序时一般不用考虑，由DCS系统自身完成。I/O软件根据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。DCS系统中I/O部分的设备框图，如图4.2所示。1.A/D转换A/D转换后的信号是二进制数字量，数字量的精度与A/D的转换位数相关。2.采样周期TS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。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。随着半导体技术的进步，CPU、A/D、D/A等器件速度及软件效率的提高，I/O采样周期对系统负荷的影响已减小很多，软硬件本身在绝大多数情况下，已不再是信号采样的瓶颈，一般来说，对采样周期的确定只需考虑现场信号的实际需要即可。对现场信号的采样周期需考虑以下几点：(1)信号变化的频率。频率越高，采样周期应越短。(2)对大的纯滞后对象特性，可选择采样周期大致与纯滞后时间相等。(3)考虑控制质量要求。一般来说，质量要求越高，采样周期应选得越小一些。除上述情况外，采样周期的选择还会对控制算法中的一些参数产生影响，如PID控制算式中的积分时间及微分时间。一般来说，大多数工业对象都可以看成是一个低通滤波器，对高频的干扰都可以起到很好的抑制作用。对象的惯性越大，滤除高频干扰的能力则越强。因此，原则上说，反应快的对象采样周期应选得小些，而反应慢的对象采样周期应选得大一些。表4-1列出了对于不同对象采样周期所应选择范围的经验数据。可帮助初选采样周期，然后再通过试验确定合适的采样周期。3.分辨率和量化误差模拟量在送往计算机之前必须经过A/D转换器转换成二进制的数字信号（模拟量的数字化）。涉及到A/D转换器的转换精度和速度问题。A/D转换器的转换速度不能低于采样频率，采样频率越高，则要求A/D转换器的转换速度越快。现在A/D转换芯片的转换速度都是微秒级的速度，所以这点现在不用过多考虑。A/D转换器的转换精度则与A/D的位数有关。位数越高，则转换的精度也越高。A/D转换器的转换精度可用分辨率K来表示。（ADC的分辨率定义为ADC所能分辨的输入模拟量的昀小变化量。取决于ADC的位数。）式中，N为A/D转换器的位数。量化误差是由于ADC有限字长数字量对输入模拟量离散取值（量化）而引起的误差。其大小在理论上为一个单位分辨率，量化误差和分辨率是统一的，分辨率越高，量化误差越小（不考虑其他误差）。图(a)是ADC输入输出曲线,其中虚线为理想转移曲线,实线为实际转移曲线,可见,昀大量化误差为1LSB。有的器件将实际转移曲线在零刻度处偏移1/2单位，使得量化误差为±1/2LSB，如(b)所示。量化方法之一四舍五入法四舍五入量化法：采用四舍五入的方法量化取整。昀大量化误差为Δ/2。（Δ=1LSB）舍去小数量化法：舍去小数直接取整，昀大量化误差为△。量化方法之二舍去小数法4.信号采集的预处理1)数字滤波为了抑制进入DCS系统的信号中可能侵入的各种频率的干扰，通常在AI模块(板)的入口处设置硬件模拟RC滤波器。这种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(包括周期性和脉冲性干扰)却是一种有效的方法。所谓数字滤波就是用数学方法通过数学运算对输入信号(包括数据)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。靠程序编制来实现的，实质是软件滤波。不需要增加任何硬件设备，由程序工作量比较小的I/O模块(板)中的CPU来完成。数字滤波可以对各种信号，甚至频率很低的信号进行滤波。弥补了RC模拟式滤波器的不足。而且，由于数字滤波稳定性高，各回路之间不存在阻抗匹配的问题，易于多路复用，很多工业控制领域都在使用。数字滤波方法很多，各有优缺点，往往根据实际情况要选择不同的方法。以下介绍几种常用的数字滤波方法。(1)限幅滤波法(又称程序判断滤波法)：是根据经验判断，确定两次采样允许的昀大偏差值(设为A)。每次检测到新值时判断：如果本次值与上次值之差≤A，则本次值有效。如果本次值与上次值之差＞A，则本次值无效,放弃本次值,用上次值代替本次值。当|y(n)－y(n－1)|≤A时，则y(n)为有效值；当|y(n)－y(n－1)|＞A时，则y(n－1)为有效值。优点：能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰缺点：无法抑制那种周期性的干扰，平滑度差。(2)中位值滤波法：计算机连续采样N次(N取奇数)。把N次采样值按大小排列。取中间值为本次有效值。优点：能有效克服因偶然因素引起的波动干扰。对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果。缺点：对流量、速度等快速变化的参数不宜采用。(3)算术平均滤波法：算术平均滤波法是计算机连续取N个采样值进行算术平均运算。当N值较大时，信号平滑度较高，但灵敏度较低；N值较小时，信号平滑度较低，但灵敏度较高。N值的选取一般按照流量：N=12；压力：N=4；液位：N=4～12；温度：N=1～4。优点：适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波。这样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动。缺点：对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用。比较浪费存储器RAM。(4)递推平均滤波法(又称滑动平均滤波法)：把连续取N个采样值看成一个队列。队列的长度固定为N。每次采样到一个新数据放入队尾,并扔掉原来队首的一次数据(先进先出原则)。把队列中的N个数据进行算术平均运算，就可获得新的滤波结果。优点：对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高。适用于高频振荡的系统。缺点：灵敏度低。对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差。不易消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差。不适用于脉冲干扰比较严重的场合。比较浪费存储器RAM。(5)中位值平均滤波法(又称防脉冲干扰平均滤波法)：相当于“中位值滤波法”+“算术平均滤波法”。连续采样N个数据，去掉一个昀大值和一个昀小值。然后计算N－2个数据的算术平均值。N值的选取：3～14