变量强制配置表在控制器多变量强制中的应用

摘要：文章提出一种基于变量强制配置表的控制器多变量强制方法，在分散控制系统（Distributed Control System，DCS）逻辑组态调试的过程中得以应用。该方法由上位机的组态工具生成变量强制配置表，并将其下发给控制器。控制器解析收到的配置表，并在周期任务运算过程中生效。该方法无需对控制器内所有测点进行强制属性标记，减少了对内存空间的消耗，提高了控制器运行的稳定性，提升了低成本控制器的实际应用价值。

关键词：变量强制；配置表；分散控制系统

中图分类号：TP23文献标志码：A

0 引言

分散控制系统（Distributed Control System，DCS）在工业过程控制领域占据重要地位，得益于其控制功能分散、操作管理集中、逻辑组态配置简单等优势［1］，被广泛应用于电力［2］、冶金［3］、石化［4］等领域。DCS通过各种型号的I/O模块实时采集模拟量、开关量等现场数据作为输入信号，经由控制器的逻辑运算处理后输出控制指令，实现对生产过程的精准调控。在逻辑组态的设计、调试阶段，对部分测点信号进行强制处理至关重要，这有助于验证组态逻辑的正确性，确保控制系统的精确响应与设备动作的一致性。

然而，传统的强制信号处理方式存在明显局限性。该方法通常为系统中的每一个测点信号增设是否强制的标志，并在控制器的内存中为强制值分配存储空间。对于一些复杂的工艺系统，涉及的I/O测点数量巨大［5］，而实际需要强制的点数相对较少，这种方法仍然需要对所有测点保存强制相关的信息。一方面，存储大量不必要的强制信息，消耗了控制器宝贵的内存资源，增加了控制器运行的负担，可能导致内存使用率过高，进而影响系统的稳定性和响应速度；另一方面，某些工程应用场景出于成本考虑，可能会选用低成本的控制器，这种控制器的内存空间相对较小。在这种情况下，传统强制方法可能导致控制器的内存空间无法满足所有测点强制信息的存储需求；即使勉强能容纳所有测点，也会极大地压缩剩余的内存空间，使得控制器在运行过程中存在内存使用率过高的安全隐患，降低了系统应对突发情况的缓冲能力，严重威胁控制器运行的稳定性。

针对上述传统变量强制方法及部分应用场景中暴露的问题，本文提出了一种基于变量强制配置表进行多变量强制的新策略。该方法旨在通过优化强制信息的管理与存储，有效降低对控制器内存资源的消耗，显著提高DCS的稳定性和内存利用率。

1 基于变量强制配置表的多变量强制方法

基于变量强制配置表的多变量强制方法的核心在于利用上位机组态软件对需要强制的测点进行精确定位和配置，生成专属的强制变量配置表。控制器收到组态软件下发的强制变量配置表后，解析并保存在内存中，并在周期运算任务中仅对配置表中选定的测点实施强制处理，避免对所有测点进行无差别的强制信息存储。同时，控制器在周期运行过程中对上位机是否更新变量强制配置表进行判断，在未更新配置表的情况下，控制器能够保持配置表中测点原有的强制状态。

1.1 变量强制配置表的含义

变量强制，即在逻辑组态调试过程中，调试人员根据工程的实际需求，通过上位机组态工具对选定的实际测点（包括模拟量、开关量等输入信号或执行机构的输出信号）进行强制设定。强制操作允许临时替代实际测点的数值，以便模拟特定工况，从而验证硬件测点或执行机构的响应是否准确以及验证组态的逻辑是否正确。

变量强制配置表，即调试人员通过上位机组态工具筛选指定的、需要强制处理的所有测点形成的配置表。配置表中强制变量的类型可以区分为输入变量和输出变量，以结构化的方式详尽记录每个强制变量的属性信息，包括如下内容。

（1）测点名（KKS标签）：唯一标识测点的身份，便于系统内部精确查找与定位。

（2）点索引信息：包含测点所在的页号及二级索引，用于在庞大的数据结构中快速锁定测点的具体位置。

（3）强制值的数据类型：明确强制值的数据格式（如整型、浮点型、布尔型等），确保数据处理的准确性。

（4）强制值：待强制设定的数值，用于替代实际测点的当前值。

构建变量强制配置表的过程体现了高度的灵活性与针对性，工程师可以根据调试需求，有选择地将实际需要强制的测点纳入表中，避免了对无关测点的无效信息存储。

1.2 变量强制配置表的生效与执行

调试人员通过组态工具将配置完成的变量强制配置表下发给目标控制器。控制器收到配置表后，按照以下步骤解析配置表并保存在内存中。

（1）解析配置表：控制器读取并解析强制变量配置表，识别出表中输入变量和输出变量的类型与数量。解析的强制变量配置表的结构如图1所示。

（2）分配内存：根据解析结果，控制器为强制变量动态分配内存空间，仅保留所需强制信息，显著减少内存占用。

（3）压入强制队列：将解析后的强制变量信息分别压入输入强制队列和输出强制队列，为后续的强制操作做好准备。

在控制器的每个周期运算任务中启用配置表，执行强制输入变量、强制输出变量任务，具体流程步骤如图2所示。

对上述流程图的具体说明如下。

（1）检查更新T1：控制器首先判断上位机组态工具是否下发新的强制变量配置表，如果强制变量配置表更新，则进入S1执行解析与存储操作；反之，保持上一周期的强制状态，直接进入S2，执行强制任务。

（2）解析与存储S1：如前所述，控制器解析更新的强制变量配置表，区分输入、输出通道类型，根据强制变量的类型及个数开辟内存空间，并依次将强制变量信息（测点名、点索引信息、强制值的数据类型、强制值）压入输入、输出强制队列。

（3）执行强制输入S2：获取I/O站输入数据的原始数据，遍历输入强制队列，执行强制输入变量任务，根据强制输入列表中输入点的页号及二级索引找到对应的输入通道数据信息，通过数据类型及测点名校验后，复写该输入通道的状态为“强制”，并复写该输入通道的值为强制值。此步骤确保了逻辑运算所依据的输入数据已被强制设定的值替代。

（4）逻辑运算S3：基于已处理过强制的最新输入数据，进行逻辑算法页运算，得到当前周期的输出数据。此时，逻辑运算的结果已经反映强制设定对系统行为的影响。

（5）执行强制输出S4：遍历输出强制队列，执行强制输出变量任务，同样根据强制输出列表中输出点的页号及二级索引找到对应的输出通道数据信息，通过数据类型及测点名校验后，复写该输出通道的状态为“强制”，并复写该输出通道的值为强制值，并将处理后的数据下发给I/O站，确保执行机构按照强制设定的动作执行。

以上步骤在控制器中周期性循环执行，确保强制状态始终与上位机下发的最新配置表保持一致。

2 变量强制配置表的实际应用与效果验证

以某1000 MW火电厂3号机组为例，该机组共有55对控制器，其中编号为3030的控制器管理1507个测点。在调试过程中，需对其中的229个测点进行强制处理。3030控制器强制变量如图3所示。

采用基于变量强制配置表的方法后，在控制器正常运行，逻辑组态正常运算的前提下，本文通过监测系统运行数据的模块来监测该控制器的内存占用情况。控制器内存使用率如图4所示。实际监控数据显示，该控制器的内存使用率仅为18.32%左右，远低于采用传统强制方法可能出现的高内存使用率，显著提升了内存资源的有效利用率，为系统运行提供了充足的内存裕量，保障了系统运行的稳定性和响应速度。

此外，对于成本敏感的工程项目，尤其是那些采用内存空间有限的低端控制器的情况，本方法展现了极高的实用价值；通过精确、高效地管理强制信息，避免了不必要的内存消耗，使得小内存控制器也能胜任复杂工艺系统的控制任务，大幅提升了此类控制器在实际工程中的应用价值和可行性。

3 结语

本文基于变量强制配置表的多变量强制方法，通过精细化管理和动态配置，有效解决了传统强制信号处理方式中内存资源浪费的问题。这种方法仅对实际需要强制的测点进行信息存储与处理，避免了对所有测点的无差别对待，显著减少了内存资源消耗，提高了DCS的稳定性和内存利用率。尤其在面对复杂工艺系统和低成本、小内存控制器的应用场景时，该方法显示出了卓越的适应性和有效性，有力推动了DCS技术在工业过程控制领域的高效、经济应用。

参考文献

［1］王文波.基于计算机通信技术的DCS控制系统在工业自动化中的应用［J］.现代工业经济和信息化，2023（11）：58-60.

［2］周诗，李仁坤，沈乾坤，等.国产燃机DCS体系架构及应用前景分析［J］.今日制造与升级，2023（9）：103-105.

［3］王鹏.浅谈PLC控制系统和DCS技术在冶金自动化中的应用［J］.冶金管理，2023（5）：9-11.

［4］鞠传佳.DCS控制系统在石化企业变电系统的推广应用［J］.聚酯工业，2023（1）：66-68.

［5］公民，黄鹏，肖林，等.核电站安全级DCS系统IO分配原则浅析［J］.仪器仪表用户，2018（11）：40-42，46.

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