大型DCS設備中上位機通信誤差消除方法

夏 輝

(寧波市化工研究設計院設計3室，浙江寧波 315040)

隨著化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在某些場合，大型DCS設備已經(jīng)應用到相關領域，發(fā)揮著不可替代的作用。利用大型分布式控制系統(tǒng)DCS對化工、發(fā)電、核電等相關產(chǎn)業(yè)進行控制成為自動化控制領域的熱點，DCS設備通過長期的高精度設計，對較為復雜的各行業(yè)工作流程進行相關的控制，代替人力完成相關功能。憑借強大的處理能力，得到了眾多化工、電力、水利等相關部門的重視，其應用廣泛，因此受到了諸多專家的關注。

但在大型DCS的工作過程中，面臨一個問題，就是為了協(xié)調(diào)完成任務，上位機與底層的控制器之間需要密集的、時間隨機的通信。通過采集底層的控制信號，完成相應的監(jiān)控和控制的工作，一旦DCS設備較為復雜，底層控制器較多，傳統(tǒng)的CS機構控制器將受到一定限制，最主要的是可能在時域內(nèi)引發(fā)沖突，一旦上下通信沖突加劇，將大幅降低上下級通信效果，造成通信正確率下降。影響整個DCS控制系統(tǒng)的狀態(tài)［1－2］。因此，如何協(xié)調(diào)大型 DCS設備中，上位機與控制器之間的通信，成為設計中的一個難點問題。

1 傳統(tǒng)DCS通信方法的原理及缺陷

1.1 DCS通信原理

以下將通過網(wǎng)絡物理層連接、通訊設置、數(shù)據(jù)處理和畫面顯示4個方面闡述如何實現(xiàn)通訊的過程［3－4］。

在DCS上位機與控制器通信系統(tǒng)中，上位機與控制器之間通過DP總線進行傳感器信號發(fā)送，這種發(fā)送信息中帶有命令特征的，服務器的接口帶有識別指令的功能，完成任務中的通信，以便于更好地協(xié)同工作。大型DCS的通信原理如圖1所示。

圖1 DCS通信原理

(1)物理層連接:和利時集團Smartpro DCS系統(tǒng)的控制層網(wǎng)絡傳送數(shù)據(jù)是通過DP協(xié)議完成，為了與DCS實現(xiàn)最可靠的通訊，在風機控制的AB的PLC硬件中配置了一塊支持DP協(xié)議的通訊接口卡，文中用DP電纜將PLC的通訊卡與和利時現(xiàn)場控制柜卡件底板的DP端子連接，實現(xiàn)兩個系統(tǒng)控制器之間數(shù)據(jù)通訊，再通過光纜將信號送入中控室操作站，即完成了網(wǎng)路物理層的連接。

(2)通訊設置:在Smartpro DCS系統(tǒng)中，所有的硬件模塊的配置均有一個相應的 GSD文件，因此在DCS，要將AB的通訊模塊SST－PFB－CLX的GSD文件拷貝到TARGETHollySys PCBasedIO目錄下，然后在硬件配置處直接添加SST－PFB－CLXFENGJI(DP_Slave)，在硬件屬性中設置從站的站號和名稱以及通訊參數(shù)。根據(jù)所需要通訊的變量數(shù)目，雙方協(xié)商設定通訊區(qū)的大小。在通訊程序中，共有62個通訊變量，其中模擬量輸入21點，模擬量輸出4點，數(shù)字量輸入37點。一個模擬量點占一個Word，而一個數(shù)字量點占一個Word的一位，所以在DCS方，通訊區(qū)長度設定了2個16 Word In和1個12 Word Out。在AB的PLC方，創(chuàng)建一個網(wǎng)絡配置，設置網(wǎng)絡參數(shù)，波特率和站號，初始化通訊參數(shù)。在RSLOGIX5K中設置SST－PFBCLX模塊屬性，指定一個通訊區(qū)，主站側(cè)的輸入模塊對應從站側(cè)的輸出模塊，所以設定了2個16 Word Out和1個12 Word In。在RSLOG IX5K的Main Program中添加程序Profibus－config(通訊初始化程序)和TX－con fig(讀寫和處理通訊變量程序)，將需要發(fā)送給DCS的變量從內(nèi)部緩沖區(qū)中拷貝到該通訊區(qū)的輸出區(qū)中，并從該通訊區(qū)的輸入?yún)^(qū)中讀取DCS發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將之拷貝到自身的內(nèi)部緩沖區(qū)中，然后下裝給PLC。

(3)數(shù)據(jù)處理:通訊設置完成后，在ConMaker中定義輸入物理點變量和輸出物理點變量，并將其參與組態(tài)程序中的邏輯運算，開始在程序中編寫如何處理讀取和寫入的數(shù)據(jù)。文中在程序中編寫了4個自定義功能塊:IN_BOOL功能是讀由PLC傳來開關量，通過一位位分解，輸出為16個開關量。OUT_BOOL功能是將16個開關量組合成一個PLC能識別的數(shù)據(jù)，然后輸出。IN_REAL功能是讀由PLC傳來模擬量，此時讀取的模擬量與DCS系統(tǒng)模擬量的格式不同，需要首先進行數(shù)據(jù)高低位交換，為使讀入的模擬量有一位小數(shù)，所以將模擬量數(shù)據(jù)在PLC方乘10，因此在DCS上再除以10，再輸出。OUT_REAL功能是先將數(shù)據(jù)乘以10，然后進行數(shù)據(jù)高低位交換，再把數(shù)據(jù)送到PLC。在資源中定義好需要通訊62個全局變量，添加調(diào)用功能塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫的程序，COM_PRG1 COM_PRG2 COM_PRG3，分別實現(xiàn)將通訊變量模擬量輸入輸出，數(shù)字量輸入的讀入和寫出，隨后保存編譯、下裝、登錄與風機連接的轉(zhuǎn)化13#站控制器，可看到通訊成功后讀取和寫入的數(shù)據(jù)。

(4)監(jiān)控畫面顯示:在上位的FacView中，先將風機通訊中讀寫的變量添加到標簽變量和趨勢變量及報警變量表中，在FacView Explor的圖形編輯器中制作風機監(jiān)控畫面，將畫面編譯運行后，下位控制器中讀寫的通訊變量就可在上位的風機流程畫面上顯示數(shù)據(jù)，因此在中控室就可監(jiān)控風機的運行狀態(tài)。

1.2 傳統(tǒng)分配方式缺陷

當前隨著工業(yè)控制規(guī)模的增大，一些大型的通信DCS設備得到廣泛應用。需要的點數(shù)也越來越多，會經(jīng)常出現(xiàn)大量的服務點競爭通信資源的狀況，一旦DCS的信道容量系數(shù)η相對固定，并且要求通信的數(shù)據(jù)量I增加，將造成信道容量η的飽和。傳統(tǒng)方式在計算短時間內(nèi)瞬時出現(xiàn)的通信高峰，有效通信需求增加，在信道飽和的情況下，通信的效率將大幅下降，影響通信效果。

2 DCS防沖突算法實現(xiàn)

2.1 預測指令沖突

在大型DCS進行上下通信中，每個端口都有一個指令接收器，上面帶有計數(shù)功能，初始值為0，接收端的計數(shù)器值從0開始，信號接收端采集底層傳感器的請求，發(fā)送相關的指令到指令讀寫器。指令讀寫器第一次發(fā)送請求，所有指令的計數(shù)器初始值均是0，當?shù)讓拥目刂破鬟M行信號讀取時，可以有效檢測到底層信號，這信號可得到一個有效的回饋，如果回饋的信息有沖突特征，那么應避免新指令的發(fā)送，此時，服務器中的計數(shù)器將開啟，在沖突計數(shù)位加1，并加到計數(shù)器上，如果在底層采集到的信號反饋到服務器中，得到的信息無任何沖突特征，那么計數(shù)器不變，這樣會保持前一個沖突的相關信息，假設前一個信息得到解決，計數(shù)器清0，計數(shù)方法如圖2所示。

圖2 指令沖突預測

2.2 防止底層指令沖突

根據(jù)時間間隔沖突計算方法能夠?qū)CS上位機與終端內(nèi)的通信沖突進行檢測，有效的消除通信中的誤差。設置上位機與下位機之間進行信號通信的時間是Q，完成全部通信指定信號的間隔是q，Uq是DCS的有效通信效率，DCS設備通信數(shù)目是p。在DCS的設備通信調(diào)度過程中，需要利用下式計算z個通信信號在DCS的上下端通信中計算可執(zhí)行概率

通過以上方法計算DCS通信過程中的沖突可能性。計算通信效率

計算式(2)的極大值，這個極大值在DSC通信中有著特殊含義，其可以進行調(diào)整，使DCS的通信效率最大化。對每個等待的DCS通信任務進行合理的調(diào)度，可計算出在時刻t進行等待的通信任務的有效數(shù)量

對式(3)進行離散變換，可得到

如果在DCS通信的過程中，不同的調(diào)度任務均需要在時間t進行通信，可以計算在這種狀態(tài)下，DCS通信的沖突概率

通過式(6)可以獲取第k個時間段中的情景數(shù)目

計算DCS通信中，等待任務的有效數(shù)量

也可進行一定程度的簡化處理，保證通信的穩(wěn)定性

通過上述方法能夠有效地調(diào)節(jié)DCS通信中上下層的沖突。

3 仿真實驗與結(jié)果分析

為了驗證文中方法的通信效果，采用和利時集團的火力DCS設備進行系統(tǒng)仿真實驗，構造信息堆積、信道飽和的容易沖突環(huán)境。傳統(tǒng)的DCS設備通信方法，只能按照節(jié)點位置分配節(jié)點流量，無法避免由于海量突變性通信需求造成的通信資源分配失衡的缺陷，導致節(jié)點信道資源分配效率降低。為驗證該算法的有效性，需要進行一次實驗。對火力的DCS通信設施進行計算機模擬通信，通信的原理如圖3所示。

分別利用傳統(tǒng)算法和文中提出的動態(tài)優(yōu)先比例算法進行資源分配優(yōu)化處理。其中參數(shù)設置如下t=200，aj=45，bj=38，對每次移動通信資源比例分配優(yōu)化處理的效率結(jié)果μ進行標定統(tǒng)計，統(tǒng)計5次不同需求下的具體實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 通信效率對比折線圖

在圖4中，利用文中算法進行DCS的通訊遠高于傳統(tǒng)算法，表示在大型設備的通信過程中，文中算法體現(xiàn)出了一定的優(yōu)越性。對實驗中的相關數(shù)據(jù)進行記錄，能得到表1和表2。其中，表1是大型DCS設備通信需求正常的情況下，進行通信資源分配的相關參數(shù)，表2是大型DCS設備通信較多數(shù)據(jù)情況下，進行移動通信資源分配的相關參數(shù)。

表1 大型DCS設備通信情況

表2 海量數(shù)據(jù)DCS數(shù)據(jù)通信清零

通過對表1中的數(shù)據(jù)進行有效的診斷和分析能得出，在通信數(shù)據(jù)較多的情況下，文中方法得到的通信效率更高，這主要是因為該方法能夠在沖突的情況下，進行合理的調(diào)度，最大程度地避免沖突的發(fā)生，實驗表明，利用文中算法進行DCS設備通信的效率高于傳統(tǒng)的DCS設備通信算法。

4 結(jié)束語

文中提出一種大型DCS設備中上位機通信誤差消除方法，算法利用一種時間空閑間隔的有效填充方法，利用信號間的通信機制，解決上位機與控制器之間時域信號沖突。利用信號預測檢測技術，提前對下個時隙進行調(diào)整，減少沖突的可能性。解決時域內(nèi)的信號沖突問題。實驗結(jié)果表明，此方法在DCS系統(tǒng)較大的情況下，能夠較好地協(xié)調(diào)上位機與控制終端之間的聯(lián)系，提高了多機器人的通信成功率。

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