建立DCS控制系统标准化的探讨

林喜祥

一、引言

分布式控制系统（简称DCS）是在20世纪给工业社会带来重大影响的一项技术。在其长达30年的发展历程中，DCS技术虽然日趋成熟，但是和今日信息技术的发展成就相比，DCS技术在标准化方面还面临着诸多挑战，导致现在DCS技术标准化进展缓慢的最重要原因是在DCS的硬件和软件之间还没有建立起一种合适的机制。“早期的DCS是完全封闭的，由各个生产厂自己生产I／O组件、控制站、操作员站、工程师站，自己设计开发系统网络和控制组态软件；用户在其中任何一个环节都脱离不了该DCS生产厂，处处受其制约。也就是说，各个DCS生产厂的硬件（包括I／O组件、控制站、操作员站、工程师站）不能互相代用，系统网络互不兼容，无法互通信息，控制组态软件种类繁多”[1]。鉴于软件技术的发展空间很大，硬件平台的选择就成为DCS标准化的关键。

二、分布式控制系统标准化需求

分布式控制系统具有两个方面的特征，一是面对各种各样的工业生产过程系统，其规模与功能是不确定的；二是面对各种复杂的生产工艺要求，其控制逻辑的组合也是不确定的。因此，DCS需要一种性能很好的技术环境，使之能够应用户需求的变化而变化，DCS标准化就是为构建这样的技术环境而建立的基础。目前，最迫切进行的DCS标准化工作是在不同厂家生产的DCS之间能够统一使用规范的控制逻辑组态，虽然IEC 61131、IEC 61499等国际标准在这方面做了努力，但收效甚少；因为这些国际标准仅在控制逻辑组态语言形式上给予了规范，而实际上各种组态元件的定义（包括控制算法）还是要依附于特定的DCS控制站平台，这就导致不同DCS之间的控制逻辑移植成本很高，而执行代码的兼容性更无从谈起；除了DCS控制逻辑组态的互换性需要相应的技术标准支持外，建立一种能够独立于工业控制对象的泛控制站控制元件算法库同样是非常必要的，DCS人机界面子系统中关于控制对象操作处理也是今后DCS技术标准化的重要内容之一，这涉及到操作界面的技术规范，操作过程的信息交换标准，以及操作过程与控制逻辑组态之间的关系确定问题。

三、数据引擎理论与DCS技术标准化

在推动DCS的技术标准化过程中，DCS专业技术人员提出了一个新的软件工程概念：数据引擎。所谓数据引擎，就是一种机制，它一方面将DCS的控制逻辑组态图形界面所反映的计算关系转化为实时处理的数据；另一方面，它将这些数据安装在一种特定的实时数据库中，凭借该数据库的事件处理机制驱动整个控制站各项任务的执行。数据引擎的基本原理是将控制问题中的两种类型的对象（即控制算法元件和被控制设备）作为研究的基础（见图1），采用面向对象的方法把在DCS控制站中建立相应的实时数据库（RDB）和多代理控制软件（MAS），从而实现实时控制软件资源的复用。因此，“该技术的主要特点是能够根据输入输出的数据产生驱动控制逻辑元件的状态变化，达到有效执行控制组态算法的目的”。[2]

图1 分布式控制系统问题对象示意图

DCS控制站数据引擎技术架构示意图（见图2），很显然，数据引擎理论能够应用到所有计算控制平台中。在控制平台上应用数据引擎理论，除了能够直接应用DCS的控制逻辑组态软件之外，还可以实现控制逻辑组态的完全兼容和标准化，因为所有控制组态的信息在平台中将不会以控制指令的形式出现，而是以数据的形式出现。另一方面，采用数据引擎之后，控制平台的实时计算模式发生了根本的变化，DCS用户可以在DCS实时运行过程中对相关控制逻辑组态进行修改，无需中止DCS的运行并能确保控制系统的连续性。这其中最关键的原因就是所有控制逻辑组态的在线修改过程并非是数据结构和数据处理机制的改变，而是数据引擎中实时数据库的局部数据的调整，因此可以实现实时在线组态。

图2 DCS控制站数据引擎技术架构示意图

在DCS的数据引擎机制中，控制逻辑的组态软件是一个重要的组成部分，也是DCS技术标准化的重要手段。该软件和传统的DCS控制逻辑组态软件表面上并没有什么区别，但是它却可以和不同的控制平台组成的DCS控制站连接在一起的，即能够将相同的控制逻辑组态传送到不同的控制平台中运行，实时监控它们的运行状态，并能够支持DCS控制站控制逻辑的在线组态。这是DCS技术标准化的主要特征。该软件以控制逻辑编辑窗口为中心，须具有自动诊断控制逻辑语法错误和对控制元件进行拓扑排序的功能，在切换至运行监控状态时，该软件可以对DCS控制站的所有控制元件的动态输出和静态参数进行监控，并且能够以实时趋势图和X－Y关系图的形式来绘制所有控制元件的动态关系曲线，给DCS的在线调试创造了非常便利的条件；还应具有实时仿真功能，即在完成相关控制逻辑的设计之后，DCS用户可以应用这个仿真功能来验证逻辑的合理性；此外，控制元件的管理功能也很有特色，该项功能能够使得用户在无任何DCS厂家技术支持的前提下，帮助他们方便地进行控制元件算法的修正和新控制元件的添加工作。

四、标准化机柜

根据数据引擎理论，提出一种标准控制机柜的设计方案，在这样的一个机柜中，配置着一套冗余的系统控制站和相应的输入输出模块和一些接线端子及必要的隔离或者驱动用继电器。在DCS中，通过网络设备可以连接若干套标准控制柜。控制柜的数量取决于控制对象的输入输出规模，各个控制柜的硬件体系完全一致，因此系统配置的设计过程非常简单，设计成本可以大幅下降。在这里各个控制站的内部底层支撑软件也是完全一致的，只有它们的控制逻辑组态内容不同，因为这要取决于被控对象的控制要求。为确保这种标准控制柜在重要的工业系统应用场合的可靠性能，特别强化了冗余配置的设计。标准控制柜中，CPU模块、电源模块、以太网模块以及局部重要的控制输出模块均采用了双重的配置设计。基于PLC的DCS标准控制柜结构（见图3）。

图3 基于PLC的DCS控制站标准机柜示意图（双面机柜）

五、结论

随着工业生产过程的复杂化和工艺技术要求的不断提高，分布式控制系统的技术标准化需求日趋紧迫。DCS在控制逻辑组态方法、硬件技术规范和控制站支撑软件方面的标准化将对DCS产品和技术的发展、提高DCS系统的开发效率以及降低DCS实施成本都具有非常重要的意义。应用数据引擎和采用标准机柜，将有助于DCS向着标准化、多元化、智能化和信息化的技术方向发展，在DCS直接应用先进控制方法、工业系统过程仿真、设备运行的性能分析以及运行操作指导系统研究等方面还有更多有益的工作做。

[1]作者不详.在DCS中标准化编程的IEC 1131-3应用分析[C／OL].http：／／www.jdzj.com／plc／article／2011-12-28／33181-1.htm.

[2]王龙南.数据引擎技术的原理及其在DCS 中 的 应 用 [C／OL].http：／／tech.bjx.com.cn／html／20071219／51144.shtml.