分布式微處理器控制系統在工業自動化中的應用

摘要： 自動控制系統在工業生產中的可靠性非常重要，如果發生控制系統失靈，可能會導致嚴重的后果。分布控制方式的可靠性比集中控制的可靠性要高得多。所以，近年來，工業的生產過程自動化中已經趨向于采用分布控制的方式。微處理器的出現大大地加快了分布控制系統的發展，它最適合于作為分級(分布)控制中的末級(前端)單元來使用。本文介紹一種為工業生產過程控制而采用的分布式微處理器控制系統的實施方法。

關鍵詞： 工業自動化 分布式控制 微處理系統

1、概述

自動控制系統在工業生產，特別是在流程工業(化工、石油精練等工業)的應用中，如果發生控制系統失靈，可能會導致嚴重的后果。因此系統可靠性這個因素在控制系統設計考慮中占有決定性的地位。據此，近年來，工業的生產過程自動化中已經趨向于采用分布控制的方式，這是由于它的可靠性比集中控制要高得多。在一個分布式系統中，某一部分失靈并不需要停止整個的生產過程，這是因為分布系統中每一部分都是獨立地操作的。分布系統中的過程控制單元和通信網絡的開發可以利用模塊化技術。這種技術既可適用于硬件也可適用于軟件的開發，并且是研制高可靠性的和易控制系統的關鍵。由模塊化所形成的控制系統的靈活性，實際上增加了整個系統的完善性。此外，它還使系統容易實現，便于擴展或對其中一部分或全系統進行更換。

2、過程控制的要求

(1)分級結構

設計一個工廠控制用分布系統，要考慮整個系統的作業需要，而達到有層次的組織形式。這些作業可以從概念上分成好多層次，最末一級即前端級是緊密地和生產設備的具體控制對象相連接；第二級則要擔負設備控制器的協調以產生一個統一的系統；最高一級則用作全廠的最佳化和信息管理。

(2)實時操作

在時間上有嚴格要求的實時操作貫穿于所有的層次，實時操作的執行對正確執行全廠作業來說是至關重要的，因為它們是分布控制系統設計的基礎。大多數實時操作任務關聯到具體的設備控制，可以包括順序控制或連續控制，并帶有輔助的監控和警報功能。重要的是，這些要求必須實現于安全和可靠的狀態之下。前端單元也必須在實時狀態之下協調，而這就要在通信處理、通信網絡和各種通信協議上有嚴格的要求。最后，在監控和管理系統中也可以包括實時調度、記錄和顯示功能。

(3)輔助功能

分布控制系統也要提供一種通信手段和處理裝置，它們用來提供次要的信息處理、數據記錄或顯示，這些輔助功能是使用了分布在系統中的各種外設來實現的。特別是它能為系統中各單元控制程序的在線編輯提供方便。

3、分布控制系統

分布控制系統可以連接成許多布局結構。通過分別對處理單元和通信網絡的考慮來研究單元的功能以及它們在系統結構中的作用。通常采用模塊化設計技術以產生靈活的系統。

(1)前端單元

前端單元形成自身獨立的控制器。它們與就地的生產過程設備密切地結合起來，并作為一個數字量和模擬量的輸入／輸出接口。控制器既提供順序的控制也提供連續的控制。前端單元往往安裝在每一個機器上，以適應就地設備的需要。分布式獨立單元完成設計所規定的過程控制程序及其有關的數據庫，這便可防止當系統局部失靈時把誤差傳播到整個系統中去。

使用以微處理器為基礎的專用過程控制單元能滿足上述要求。前端單元硬件由Intel8086微處理器組成的。

前端單元的結構系統圍繞著一個16位雙向數據總線，它允許Intel8086或數據公用通道接口能夠獲得任何控制器插件板中的信息，系統使用了同軸數據公用通道和公用通道接口插件板，使一個遠距離監控計算機或中央CRT顯示終端能夠獲得存儲在控制器中的存儲器內的信息。該插件板請求處理機控制總線，尋址所需的存儲單元和調整數據以便傳送到正在請求的設備中去。系統通過這個接口實現分布控制，通過公用通道對所有單元之間進行通信。

前端單元的基本實時循環周期是由執行程序控制的，它必須與設備的需要相匹配，增加采樣率的能力是由前端單元的工作負荷和控制算法的復雜性所決定。前端單元備有一個ROM存儲器，其中包含有實時執行程序、算法庫、用戶DDC(直接數字控制)和順序指令以及控制和順序解釋程序。特殊的控制參數和錯誤數據庫也存在ROM中。在ROM中還存有專門用于通信處理和報文生成或報文翻譯的程序。在前端單元中也提供了一個RAM的工作存儲器。

ROM中存有許多控制算法。操作者可以通過一個按鈕操作板來配置他的控制策略，也可以通過CRT控制站或直接通過小型計算機來作出他的選擇。小型計算機是分級(分布)系統的最高一級。一般來講，微處理器控制數據總線是通過ROM中的特定部分來實現存儲在RAM中的控制策略。

(2)通信網絡

前端單元可以由一個通信網絡連接在一起以形成分布控制系統。發送到網絡中去的信息用來控制和協調這些單元。對于設備操作至關重要的信息必須通過安全協議進行傳送以及使用的安全碼。網絡還提供一種用于基礎操作的器件，使不重要的數據傳輸采用較簡單的辦法。

對過程控制應用的網絡可采用異步串行通信鏈路建立起來。這些鏈路能夠經濟地安裝起來，一般只要使用普通的雙鉸線連接用于遠距的接口；對于更高速可采用同軸電纜；對于超高速傳輸則采用光導纖維技術。

微處理器可以連接成各種分級的樹型、星型或點對點型網絡。網絡通信使用路徑選擇報文技術(Routed MessageTech-nique)。從過程控制的觀點出發，許多概念對這些網絡是共同的，下面僅介紹星型(或稱徑向)網絡。

在星型的網絡中所有通信通過中央處理機，中央處理機扮演了一個報文協調者的角色。徑端單元連接到生產過程設備的前端處理機(即前面所述的前端單元)，這些前端處理機通過徑向鏈路與中央處理機進行通信。

(3)通信協議

整個系統具有三種可能的操作方式，它包含了中央處理機和前端處理機之間的相互通信。中央處理機負責報文的啟動。

在各處理機之間的主要通信方法是通過標準報文。報文通信優先于其他通信。每一個報文系統按照一種嚴格的協議來構成的，協議提供了報文的發送和接收。用誤差校驗碼來檢測錯誤數據；語法誤差的檢測留給報文翻譯程序去進行。在基本的操作方式中，各前端單元通過異步和基本上獨立的操作來維持設備的控制。中央處理機通過產生詢問報文對這些操作進行監控；如果需要校正或協調動作時，中央處理機發送命令報文到前端單元，前端單元作出正確執行的應答。該操作方式可以經過修正給出一種“透過”操作方式，在其中，中央處理機的控制臺通過中央處理機可以啟動一個特定的前端單元，并可以當作前端單元的控制臺使用。這就允許操作者來詢問或修改在分布處理機上的控制算法、順序或數據庫。在故障發生時還有第三個或鏈路失靈的操作方式，此時前端單元在完全獨立狀態下使用當前的數據庫，將繼續維持就地設備的控制直至通信被重新建立起來為止。在持續故障條件下，中央處理機將啟動診斷和恢復程序。數據錯誤和通信失靈的各項記錄被保持下來以便于維修。

(4)中央單元

中央處理機具有兩個任務：它們對于分布系統的操作來說都是很基本的。作為報文的協調者和通信的監控者，中央處理機管理著整個通信網絡。中央處理機也是理想的過程控制管理者，它對前端單元進行排序和協調，并記錄狀態數據和監控警報。它要花更多時間于數據記錄、顯示驅動和提供管理信息。中央處理機往往具有一個大的通信接口配套定額，并支持就地控制臺或后備存儲器。

中央處理機包括一個ROM存儲器，存在執行程序，用于順序和控制操作的程序庫、編輯程序和翻譯程序；用戶指令和一個錯誤數據庫以及加強的通信軟件。中央處理機運行于它自己的實時執行程序。中央處理機也備有一個燦M工作存儲器，其中一部分用于在數據記錄／管理信息任務的系統狀態和數據記錄的中間存儲。

4、小結

大規模集成電路和微處理器使分布式計算機控制系統從根本上改變了它們的能力和應用性。分布式計算機控制系統正在不斷地迅速擴大其應用領域。分布式控制系統的模塊化和靈活性使它們比集中系統更為可靠和易于實現。在許多情況下，它們在控制課題上呈現出一種更加吸引人和經濟的答案。