變量強(qiáng)制配置表在控制器多變量強(qiáng)制中的應(yīng)用

摘要：文章提出一種基于變量強(qiáng)制配置表的控制器多變量強(qiáng)制方法，在分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）邏輯組態(tài)調(diào)試的過(guò)程中得以應(yīng)用。該方法由上位機(jī)的組態(tài)工具生成變量強(qiáng)制配置表，并將其下發(fā)給控制器?？刂破鹘馕鍪盏降呐渲帽?，并在周期任務(wù)運(yùn)算過(guò)程中生效。該方法無(wú)需對(duì)控制器內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)制屬性標(biāo)記，減少了對(duì)內(nèi)存空間的消耗，提高了控制器運(yùn)行的穩(wěn)定性，提升了低成本控制器的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：變量強(qiáng)制；配置表；分散控制系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP23文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域占據(jù)重要地位，得益于其控制功能分散、操作管理集中、邏輯組態(tài)配置簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)［1］，被廣泛應(yīng)用于電力［2］、冶金［3］、石化［4］等領(lǐng)域。DCS通過(guò)各種型號(hào)的I/O模塊實(shí)時(shí)采集模擬量、開(kāi)關(guān)量等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)作為輸入信號(hào)，經(jīng)由控制器的邏輯運(yùn)算處理后輸出控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的精準(zhǔn)調(diào)控。在邏輯組態(tài)的設(shè)計(jì)、調(diào)試階段，對(duì)部分測(cè)點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)制處理至關(guān)重要，這有助于驗(yàn)證組態(tài)邏輯的正確性，確?？刂葡到y(tǒng)的精確響應(yīng)與設(shè)備動(dòng)作的一致性。

然而，傳統(tǒng)的強(qiáng)制信號(hào)處理方式存在明顯局限性。該方法通常為系統(tǒng)中的每一個(gè)測(cè)點(diǎn)信號(hào)增設(shè)是否強(qiáng)制的標(biāo)志，并在控制器的內(nèi)存中為強(qiáng)制值分配存儲(chǔ)空間。對(duì)于一些復(fù)雜的工藝系統(tǒng)，涉及的I/O測(cè)點(diǎn)數(shù)量巨大［5］，而實(shí)際需要強(qiáng)制的點(diǎn)數(shù)相對(duì)較少，這種方法仍然需要對(duì)所有測(cè)點(diǎn)保存強(qiáng)制相關(guān)的信息。一方面，存儲(chǔ)大量不必要的強(qiáng)制信息，消耗了控制器寶貴的內(nèi)存資源，增加了控制器運(yùn)行的負(fù)擔(dān)，可能導(dǎo)致內(nèi)存使用率過(guò)高，進(jìn)而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度；另一方面，某些工程應(yīng)用場(chǎng)景出于成本考慮，可能會(huì)選用低成本的控制器，這種控制器的內(nèi)存空間相對(duì)較小。在這種情況下，傳統(tǒng)強(qiáng)制方法可能導(dǎo)致控制器的內(nèi)存空間無(wú)法滿足所有測(cè)點(diǎn)強(qiáng)制信息的存儲(chǔ)需求；即使勉強(qiáng)能容納所有測(cè)點(diǎn)，也會(huì)極大地壓縮剩余的內(nèi)存空間，使得控制器在運(yùn)行過(guò)程中存在內(nèi)存使用率過(guò)高的安全隱患，降低了系統(tǒng)應(yīng)對(duì)突發(fā)情況的緩沖能力，嚴(yán)重威脅控制器運(yùn)行的穩(wěn)定性。

針對(duì)上述傳統(tǒng)變量強(qiáng)制方法及部分應(yīng)用場(chǎng)景中暴露的問(wèn)題，本文提出了一種基于變量強(qiáng)制配置表進(jìn)行多變量強(qiáng)制的新策略。該方法旨在通過(guò)優(yōu)化強(qiáng)制信息的管理與存儲(chǔ)，有效降低對(duì)控制器內(nèi)存資源的消耗，顯著提高DCS的穩(wěn)定性和內(nèi)存利用率。

1 基于變量強(qiáng)制配置表的多變量強(qiáng)制方法

基于變量強(qiáng)制配置表的多變量強(qiáng)制方法的核心在于利用上位機(jī)組態(tài)軟件對(duì)需要強(qiáng)制的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行精確定位和配置，生成專(zhuān)屬的強(qiáng)制變量配置表?？刂破魇盏浇M態(tài)軟件下發(fā)的強(qiáng)制變量配置表后，解析并保存在內(nèi)存中，并在周期運(yùn)算任務(wù)中僅對(duì)配置表中選定的測(cè)點(diǎn)實(shí)施強(qiáng)制處理，避免對(duì)所有測(cè)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)差別的強(qiáng)制信息存儲(chǔ)。同時(shí)，控制器在周期運(yùn)行過(guò)程中對(duì)上位機(jī)是否更新變量強(qiáng)制配置表進(jìn)行判斷，在未更新配置表的情況下，控制器能夠保持配置表中測(cè)點(diǎn)原有的強(qiáng)制狀態(tài)。

1.1 變量強(qiáng)制配置表的含義

變量強(qiáng)制，即在邏輯組態(tài)調(diào)試過(guò)程中，調(diào)試人員根據(jù)工程的實(shí)際需求，通過(guò)上位機(jī)組態(tài)工具對(duì)選定的實(shí)際測(cè)點(diǎn)（包括模擬量、開(kāi)關(guān)量等輸入信號(hào)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出信號(hào)）進(jìn)行強(qiáng)制設(shè)定。強(qiáng)制操作允許臨時(shí)替代實(shí)際測(cè)點(diǎn)的數(shù)值，以便模擬特定工況，從而驗(yàn)證硬件測(cè)點(diǎn)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)是否準(zhǔn)確以及驗(yàn)證組態(tài)的邏輯是否正確。

變量強(qiáng)制配置表，即調(diào)試人員通過(guò)上位機(jī)組態(tài)工具篩選指定的、需要強(qiáng)制處理的所有測(cè)點(diǎn)形成的配置表。配置表中強(qiáng)制變量的類(lèi)型可以區(qū)分為輸入變量和輸出變量，以結(jié)構(gòu)化的方式詳盡記錄每個(gè)強(qiáng)制變量的屬性信息，包括如下內(nèi)容。

（1）測(cè)點(diǎn)名（KKS標(biāo)簽）：唯一標(biāo)識(shí)測(cè)點(diǎn)的身份，便于系統(tǒng)內(nèi)部精確查找與定位。

（2）點(diǎn)索引信息：包含測(cè)點(diǎn)所在的頁(yè)號(hào)及二級(jí)索引，用于在龐大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中快速鎖定測(cè)點(diǎn)的具體位置。

（3）強(qiáng)制值的數(shù)據(jù)類(lèi)型：明確強(qiáng)制值的數(shù)據(jù)格式（如整型、浮點(diǎn)型、布爾型等），確保數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性。

（4）強(qiáng)制值：待強(qiáng)制設(shè)定的數(shù)值，用于替代實(shí)際測(cè)點(diǎn)的當(dāng)前值。

構(gòu)建變量強(qiáng)制配置表的過(guò)程體現(xiàn)了高度的靈活性與針對(duì)性，工程師可以根據(jù)調(diào)試需求，有選擇地將實(shí)際需要強(qiáng)制的測(cè)點(diǎn)納入表中，避免了對(duì)無(wú)關(guān)測(cè)點(diǎn)的無(wú)效信息存儲(chǔ)。

1.2 變量強(qiáng)制配置表的生效與執(zhí)行

調(diào)試人員通過(guò)組態(tài)工具將配置完成的變量強(qiáng)制配置表下發(fā)給目標(biāo)控制器。控制器收到配置表后，按照以下步驟解析配置表并保存在內(nèi)存中。

（1）解析配置表：控制器讀取并解析強(qiáng)制變量配置表，識(shí)別出表中輸入變量和輸出變量的類(lèi)型與數(shù)量。解析的強(qiáng)制變量配置表的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（2）分配內(nèi)存：根據(jù)解析結(jié)果，控制器為強(qiáng)制變量動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存空間，僅保留所需強(qiáng)制信息，顯著減少內(nèi)存占用。

（3）壓入強(qiáng)制隊(duì)列：將解析后的強(qiáng)制變量信息分別壓入輸入強(qiáng)制隊(duì)列和輸出強(qiáng)制隊(duì)列，為后續(xù)的強(qiáng)制操作做好準(zhǔn)備。

在控制器的每個(gè)周期運(yùn)算任務(wù)中啟用配置表，執(zhí)行強(qiáng)制輸入變量、強(qiáng)制輸出變量任務(wù)，具體流程步驟如圖2所示。

對(duì)上述流程圖的具體說(shuō)明如下。

（1）檢查更新T1：控制器首先判斷上位機(jī)組態(tài)工具是否下發(fā)新的強(qiáng)制變量配置表，如果強(qiáng)制變量配置表更新，則進(jìn)入S1執(zhí)行解析與存儲(chǔ)操作；反之，保持上一周期的強(qiáng)制狀態(tài)，直接進(jìn)入S2，執(zhí)行強(qiáng)制任務(wù)。

（2）解析與存儲(chǔ)S1：如前所述，控制器解析更新的強(qiáng)制變量配置表，區(qū)分輸入、輸出通道類(lèi)型，根據(jù)強(qiáng)制變量的類(lèi)型及個(gè)數(shù)開(kāi)辟內(nèi)存空間，并依次將強(qiáng)制變量信息（測(cè)點(diǎn)名、點(diǎn)索引信息、強(qiáng)制值的數(shù)據(jù)類(lèi)型、強(qiáng)制值）壓入輸入、輸出強(qiáng)制隊(duì)列。

（3）執(zhí)行強(qiáng)制輸入S2：獲取I/O站輸入數(shù)據(jù)的原始數(shù)據(jù)，遍歷輸入強(qiáng)制隊(duì)列，執(zhí)行強(qiáng)制輸入變量任務(wù)，根據(jù)強(qiáng)制輸入列表中輸入點(diǎn)的頁(yè)號(hào)及二級(jí)索引找到對(duì)應(yīng)的輸入通道數(shù)據(jù)信息，通過(guò)數(shù)據(jù)類(lèi)型及測(cè)點(diǎn)名校驗(yàn)后，復(fù)寫(xiě)該輸入通道的狀態(tài)為“強(qiáng)制”，并復(fù)寫(xiě)該輸入通道的值為強(qiáng)制值。此步驟確保了邏輯運(yùn)算所依據(jù)的輸入數(shù)據(jù)已被強(qiáng)制設(shè)定的值替代。

（4）邏輯運(yùn)算S3：基于已處理過(guò)強(qiáng)制的最新輸入數(shù)據(jù)，進(jìn)行邏輯算法頁(yè)運(yùn)算，得到當(dāng)前周期的輸出數(shù)據(jù)。此時(shí)，邏輯運(yùn)算的結(jié)果已經(jīng)反映強(qiáng)制設(shè)定對(duì)系統(tǒng)行為的影響。

（5）執(zhí)行強(qiáng)制輸出S4：遍歷輸出強(qiáng)制隊(duì)列，執(zhí)行強(qiáng)制輸出變量任務(wù)，同樣根據(jù)強(qiáng)制輸出列表中輸出點(diǎn)的頁(yè)號(hào)及二級(jí)索引找到對(duì)應(yīng)的輸出通道數(shù)據(jù)信息，通過(guò)數(shù)據(jù)類(lèi)型及測(cè)點(diǎn)名校驗(yàn)后，復(fù)寫(xiě)該輸出通道的狀態(tài)為“強(qiáng)制”，并復(fù)寫(xiě)該輸出通道的值為強(qiáng)制值，并將處理后的數(shù)據(jù)下發(fā)給I/O站，確保執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照強(qiáng)制設(shè)定的動(dòng)作執(zhí)行。

以上步驟在控制器中周期性循環(huán)執(zhí)行，確保強(qiáng)制狀態(tài)始終與上位機(jī)下發(fā)的最新配置表保持一致。

2 變量強(qiáng)制配置表的實(shí)際應(yīng)用與效果驗(yàn)證

以某1000 MW火電廠3號(hào)機(jī)組為例，該機(jī)組共有55對(duì)控制器，其中編號(hào)為3030的控制器管理1507個(gè)測(cè)點(diǎn)。在調(diào)試過(guò)程中，需對(duì)其中的229個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)制處理。3030控制器強(qiáng)制變量如圖3所示。

采用基于變量強(qiáng)制配置表的方法后，在控制器正常運(yùn)行，邏輯組態(tài)正常運(yùn)算的前提下，本文通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的模塊來(lái)監(jiān)測(cè)該控制器的內(nèi)存占用情況?？刂破鲀?nèi)存使用率如圖4所示。實(shí)際監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示，該控制器的內(nèi)存使用率僅為18.32%左右，遠(yuǎn)低于采用傳統(tǒng)強(qiáng)制方法可能出現(xiàn)的高內(nèi)存使用率，顯著提升了內(nèi)存資源的有效利用率，為系統(tǒng)運(yùn)行提供了充足的內(nèi)存裕量，保障了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。

此外，對(duì)于成本敏感的工程項(xiàng)目，尤其是那些采用內(nèi)存空間有限的低端控制器的情況，本方法展現(xiàn)了極高的實(shí)用價(jià)值；通過(guò)精確、高效地管理強(qiáng)制信息，避免了不必要的內(nèi)存消耗，使得小內(nèi)存控制器也能勝任復(fù)雜工藝系統(tǒng)的控制任務(wù)，大幅提升了此類(lèi)控制器在實(shí)際工程中的應(yīng)用價(jià)值和可行性。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于變量強(qiáng)制配置表的多變量強(qiáng)制方法，通過(guò)精細(xì)化管理和動(dòng)態(tài)配置，有效解決了傳統(tǒng)強(qiáng)制信號(hào)處理方式中內(nèi)存資源浪費(fèi)的問(wèn)題。這種方法僅對(duì)實(shí)際需要強(qiáng)制的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行信息存儲(chǔ)與處理，避免了對(duì)所有測(cè)點(diǎn)的無(wú)差別對(duì)待，顯著減少了內(nèi)存資源消耗，提高了DCS的穩(wěn)定性和內(nèi)存利用率。尤其在面對(duì)復(fù)雜工藝系統(tǒng)和低成本、小內(nèi)存控制器的應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)，該方法顯示出了卓越的適應(yīng)性和有效性，有力推動(dòng)了DCS技術(shù)在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域的高效、經(jīng)濟(jì)應(yīng)用。

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Application of variable force configuration tables in multi-variable forcing for controllers

Abstract： A controller multi-variable forcing method based on the variable force configuration table has been proposed， which is implemented during the logic configuration and debugging process of the distributed control system（DCS）. This method involves generating such a configuration table using configuration tools from the upper-level computer， which is then transmitted to the controller. Upon receipt， the controller parses the configuration table and applies it in real-time within its periodic task computations. This method eliminates the need to individually mark force attributes for all measurement points within the controller， thereby reducing memory space consumption. As a result， it enhances the operational stability of the controller， and concurrently improves the practical application value of low-cost controllers by optimizing their resource usage.

Key words： variable force; configuration tables; distributed control system