DCS系统实时性问题研究

李平 刘伟

摘要：DCS（分布式控制系统）在工业自控领域发挥着重要的作用。实时性是DCS系统设计中的重要考虑因素。DCS系统实时性主要是体现控制系统自身的各项处理功能对于被控过程变化速度快慢的适应能力。反应DCS实时性的重要指标有：一层控制器循环处理周期、系统响应时间、输入信号最小持续时间。一层控制器循环处理周期：控制器循环处理周期与控制器的性能及控制算法的复杂程度有关，也与具体的运行状态有关。系统响应时间包括：系统输出信号时间、系统输入信号时间。系统响应时间是控制系统对于完成其所负责自动控制任务的系统本身消耗时间。输入信号最小持续时间：DCS系统所能正确检测出输入信号正确变化状态的情况下，状态所需的最小持续时间。

关键词：DCS；实时性；自动控制；工业控制

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章編号：1009-3044（2019）10-0241-02

开放科学（资源服务）标识码（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）是分布式控制系统的简称。其作为目前主流的过程自动控制系统，被广泛应用在化工、电力、交通、核能等重要工业领域。DCS系统往往作为以上工业领域生产过程自动化的核心，为相关企业生产过程自动化水平的提高起到至关重要的作用。

计算机及网络技术使DCS相较于传统仪表控制系统，在可靠性、开放性、灵活性、易于维护等方面都有这巨大的优势。但是，在系统实时性上，由于计算机网络技术的自身条件与传统仪表控制系统相比可能要略显不足。正是这一特点，也决定了DCS系统设计必须把控制系统的实时性作为重要的考量因素。

2 典型DCS系统的结构

主流的工业控制系统架构一般分为四层。

0层：工艺系统接口层，包括测量设备和执行设备。

1层：控制和保护层，由信号处理和逻辑控制设备组成，完成对工艺环节控制和监视。

2层：操纵和信息管理层，由常规和数字化设备组成，完成对工艺过程监控和操纵系统。

3层：工厂管理层，由计算机系统组成的对工厂管理和通讯系统。

典型的DCS系统结构如下图1：

3 评价DCS系统实时性的重要指标

DCS系统实时性主要体现控制系统自身的各项处理功能对于被控过程变化速度快慢的适应能力。主要针对控制回路中的采集、处理、显示、输出各环节以及通信网络中数据传输率等方面，其性能指标主要包含以下几个方面：

3.1 一层控制器循环处理周期

一层控制器执行一次完整的算法、通信和输入/输出任务的时间被称为一个控制循环处理周期。一般主控制器在循环处理中，依照顺序执行：I/0数据输入（包括网络通信）、逻辑运算及数据输出（包括网络通信）任务。以上任务往复循环进行。如下图2：

控制器循环处理周期与控制器的性能及控制算法的复杂程度有关，也与具体的运行状态有关。在满足控制器处理器负荷率要求的前提下，循环处理周期选择的越短，代表DCS系统对现场控制回路控制响应越快，系统实时性越好。

3.2 系统响应时间

对于一个DCS系统来说，系统响应时间由信号采集、控制器逻辑运算处理、通信网络传输、系统服务器数据处理、信号输出、操作员画面显示等多个时间环节决定。具体如下图3。系统响应时间是控制系统对于完成其所负责自动控制任务的系统本身消耗时间。系统响应时间是综合时间指标，体现了DCS系统整体对控制和反馈过程响应快慢，表征了系统的实时性好坏。DCS系统对于不同信号的响应时间一般不同，不同运行状态下，响应时间也会有所区别。系统设计时往往需考核最大系统响应时间。

3.3 输入信号最小持续时间

DCS系统实时性高说明系统能够对变化速度更快的信号进行检测，变化速度越快意味着输入信号的状态持续时间可以更短，因此可以认为，在系统所能正确检测出输入信号正确变化状态的情况下，状态所需的最小持续时间就反映了实时性。输入信号被系统检测到可分为两种情况：

1）被一层控制器监测到；

2）被服务器记录并显示于操作员画面。

以数字量DI信号为例说明：

图中Tj为输入信号持续时间。当DI信号维持Tj，在这个时间间隔下被一层控制器扫描识别到（这里扫描识别指信号状态存入控制器输入存储区），控制器可以根据此信号完成自动控制功能。Tj需维持最小时间（Tmin1）根据处理器能力、循环周期配置、控制程序复杂度等因素有关，小于Tmin1持续时间的信号变化将可能被控制器漏掉，进而无法以此做出自动控制动作。主流DCS品牌Tmin1一般在几十到几百毫秒之间。

由于，存在网络传输、服务器处理等时间，如果输入信号要确定被服务器处理记录、操作员画面显示，那么此时信号的对应的最小维持时间（Tmin2）要大于上面表述Tmin1，当信号持续时间Tj在Tmin1与Tmin2之间（即Tmin1

4 总结

综上所述，DCS系统的实时性涉及多个技术指标参数，而每个指标参数均有多个环节、设备、因素决定。DCS系统的实时性就是这些参数指标的集合体。DCS系统设计过程中也要综合各种因素，找到各约束条件的平衡点，最终使DCS系统满足工业过程对实时性的需要。

参考文献：

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[2] 王常力等.分布式控制系统（DCS）设计与应用实例[M].第3版.北京：电子工业出版社 2016.

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【通聯编辑：梁书】