DCS系統(tǒng)實時性問題研究

李平 劉偉

摘要：DCS（分布式控制系統(tǒng)）在工業(yè)自控領域發(fā)揮著重要的作用。實時性是DCS系統(tǒng)設計中的重要考慮因素。DCS系統(tǒng)實時性主要是體現(xiàn)控制系統(tǒng)自身的各項處理功能對于被控過程變化速度快慢的適應能力。反應DCS實時性的重要指標有：一層控制器循環(huán)處理周期、系統(tǒng)響應時間、輸入信號最小持續(xù)時間。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雜程度有關，也與具體的運行狀態(tài)有關。系統(tǒng)響應時間包括：系統(tǒng)輸出信號時間、系統(tǒng)輸入信號時間。系統(tǒng)響應時間是控制系統(tǒng)對于完成其所負責自動控制任務的系統(tǒng)本身消耗時間。輸入信號最小持續(xù)時間：DCS系統(tǒng)所能正確檢測出輸入信號正確變化狀態(tài)的情況下，狀態(tài)所需的最小持續(xù)時間。

關鍵詞：DCS；實時性；自動控制；工業(yè)控制

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）10-0241-02

開放科學（資源服務）標識碼（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)的簡稱。其作為目前主流的過程自動控制系統(tǒng)，被廣泛應用在化工、電力、交通、核能等重要工業(yè)領域。DCS系統(tǒng)往往作為以上工業(yè)領域生產(chǎn)過程自動化的核心，為相關企業(yè)生產(chǎn)過程自動化水平的提高起到至關重要的作用。

計算機及網(wǎng)絡技術使DCS相較于傳統(tǒng)儀表控制系統(tǒng)，在可靠性、開放性、靈活性、易于維護等方面都有這巨大的優(yōu)勢。但是，在系統(tǒng)實時性上，由于計算機網(wǎng)絡技術的自身條件與傳統(tǒng)儀表控制系統(tǒng)相比可能要略顯不足。正是這一特點，也決定了DCS系統(tǒng)設計必須把控制系統(tǒng)的實時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，包括測量設備和執(zhí)行設備。

1層：控制和保護層，由信號處理和邏輯控制設備組成，完成對工藝環(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)字化設備組成，完成對工藝過程監(jiān)控和操縱系統(tǒng)。

3層：工廠管理層，由計算機系統(tǒng)組成的對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 評價DCS系統(tǒng)實時性的重要指標

DCS系統(tǒng)實時性主要體現(xiàn)控制系統(tǒng)自身的各項處理功能對于被控過程變化速度快慢的適應能力。主要針對控制回路中的采集、處理、顯示、輸出各環(huán)節(jié)以及通信網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)傳輸率等方面，其性能指標主要包含以下幾個方面：

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/輸出任務的時間被稱為一個控制循環(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)絡通信）、邏輯運算及數(shù)據(jù)輸出（包括網(wǎng)絡通信）任務。以上任務往復循環(huán)進行。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雜程度有關，也與具體的運行狀態(tài)有關。在滿足控制器處理器負荷率要求的前提下，循環(huán)處理周期選擇的越短，代表DCS系統(tǒng)對現(xiàn)場控制回路控制響應越快，系統(tǒng)實時性越好。

3.2 系統(tǒng)響應時間

對于一個DCS系統(tǒng)來說，系統(tǒng)響應時間由信號采集、控制器邏輯運算處理、通信網(wǎng)絡傳輸、系統(tǒng)服務器數(shù)據(jù)處理、信號輸出、操作員畫面顯示等多個時間環(huán)節(jié)決定。具體如下圖3。系統(tǒng)響應時間是控制系統(tǒng)對于完成其所負責自動控制任務的系統(tǒng)本身消耗時間。系統(tǒng)響應時間是綜合時間指標，體現(xiàn)了DCS系統(tǒng)整體對控制和反饋過程響應快慢，表征了系統(tǒng)的實時性好壞。DCS系統(tǒng)對于不同信號的響應時間一般不同，不同運行狀態(tài)下，響應時間也會有所區(qū)別。系統(tǒng)設計時往往需考核最大系統(tǒng)響應時間。

3.3 輸入信號最小持續(xù)時間

DCS系統(tǒng)實時性高說明系統(tǒng)能夠?qū)ψ兓俣雀斓男盘栠M行檢測，變化速度越快意味著輸入信號的狀態(tài)持續(xù)時間可以更短，因此可以認為，在系統(tǒng)所能正確檢測出輸入信號正確變化狀態(tài)的情況下，狀態(tài)所需的最小持續(xù)時間就反映了實時性。輸入信號被系統(tǒng)檢測到可分為兩種情況：

1）被一層控制器監(jiān)測到；

2）被服務器記錄并顯示于操作員畫面。

以數(shù)字量DI信號為例說明：

圖中Tj為輸入信號持續(xù)時間。當DI信號維持Tj，在這個時間間隔下被一層控制器掃描識別到（這里掃描識別指信號狀態(tài)存入控制器輸入存儲區(qū)），控制器可以根據(jù)此信號完成自動控制功能。Tj需維持最小時間（Tmin1）根據(jù)處理器能力、循環(huán)周期配置、控制程序復雜度等因素有關，小于Tmin1持續(xù)時間的信號變化將可能被控制器漏掉，進而無法以此做出自動控制動作。主流DCS品牌Tmin1一般在幾十到幾百毫秒之間。

由于，存在網(wǎng)絡傳輸、服務器處理等時間，如果輸入信號要確定被服務器處理記錄、操作員畫面顯示，那么此時信號的對應的最小維持時間（Tmin2）要大于上面表述Tmin1，當信號持續(xù)時間Tj在Tmin1與Tmin2之間（即Tmin1

4 總結(jié)

綜上所述，DCS系統(tǒng)的實時性涉及多個技術指標參數(shù)，而每個指標參數(shù)均有多個環(huán)節(jié)、設備、因素決定。DCS系統(tǒng)的實時性就是這些參數(shù)指標的集合體。DCS系統(tǒng)設計過程中也要綜合各種因素，找到各約束條件的平衡點，最終使DCS系統(tǒng)滿足工業(yè)過程對實時性的需要。

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【通聯(lián)編輯：梁書】