夏 輝

(寧波市化工研究設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)3室，浙江寧波 315040)

隨著化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在某些場合，大型DCS設(shè)備已經(jīng)應(yīng)用到相關(guān)領(lǐng)域，發(fā)揮著不可替代的作用。利用大型分布式控制系統(tǒng)DCS對化工、發(fā)電、核電等相關(guān)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行控制成為自動化控制領(lǐng)域的熱點(diǎn)，DCS設(shè)備通過長期的高精度設(shè)計(jì)，對較為復(fù)雜的各行業(yè)工作流程進(jìn)行相關(guān)的控制，代替人力完成相關(guān)功能。憑借強(qiáng)大的處理能力，得到了眾多化工、電力、水利等相關(guān)部門的重視，其應(yīng)用廣泛，因此受到了諸多專家的關(guān)注。

但在大型DCS的工作過程中，面臨一個問題，就是為了協(xié)調(diào)完成任務(wù)，上位機(jī)與底層的控制器之間需要密集的、時間隨機(jī)的通信。通過采集底層的控制信號，完成相應(yīng)的監(jiān)控和控制的工作，一旦DCS設(shè)備較為復(fù)雜，底層控制器較多，傳統(tǒng)的CS機(jī)構(gòu)控制器將受到一定限制，最主要的是可能在時域內(nèi)引發(fā)沖突，一旦上下通信沖突加劇，將大幅降低上下級通信效果，造成通信正確率下降。影響整個DCS控制系統(tǒng)的狀態(tài)［1－2］。因此，如何協(xié)調(diào)大型 DCS設(shè)備中，上位機(jī)與控制器之間的通信，成為設(shè)計(jì)中的一個難點(diǎn)問題。

1 傳統(tǒng)DCS通信方法的原理及缺陷

1.1 DCS通信原理

以下將通過網(wǎng)絡(luò)物理層連接、通訊設(shè)置、數(shù)據(jù)處理和畫面顯示4個方面闡述如何實(shí)現(xiàn)通訊的過程［3－4］。

在DCS上位機(jī)與控制器通信系統(tǒng)中，上位機(jī)與控制器之間通過DP總線進(jìn)行傳感器信號發(fā)送，這種發(fā)送信息中帶有命令特征的，服務(wù)器的接口帶有識別指令的功能，完成任務(wù)中的通信，以便于更好地協(xié)同工作。大型DCS的通信原理如圖1所示。

圖1 DCS通信原理

(1)物理層連接:和利時集團(tuán)Smartpro DCS系統(tǒng)的控制層網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)是通過DP協(xié)議完成，為了與DCS實(shí)現(xiàn)最可靠的通訊，在風(fēng)機(jī)控制的AB的PLC硬件中配置了一塊支持DP協(xié)議的通訊接口卡，文中用DP電纜將PLC的通訊卡與和利時現(xiàn)場控制柜卡件底板的DP端子連接，實(shí)現(xiàn)兩個系統(tǒng)控制器之間數(shù)據(jù)通訊，再通過光纜將信號送入中控室操作站，即完成了網(wǎng)路物理層的連接。

(2)通訊設(shè)置:在Smartpro DCS系統(tǒng)中，所有的硬件模塊的配置均有一個相應(yīng)的 GSD文件，因此在DCS，要將AB的通訊模塊SST－PFB－CLX的GSD文件拷貝到TARGETHollySys PCBasedIO目錄下，然后在硬件配置處直接添加SST－PFB－CLXFENGJI(DP_Slave)，在硬件屬性中設(shè)置從站的站號和名稱以及通訊參數(shù)。根據(jù)所需要通訊的變量數(shù)目，雙方協(xié)商設(shè)定通訊區(qū)的大小。在通訊程序中，共有62個通訊變量，其中模擬量輸入21點(diǎn)，模擬量輸出4點(diǎn)，數(shù)字量輸入37點(diǎn)。一個模擬量點(diǎn)占一個Word，而一個數(shù)字量點(diǎn)占一個Word的一位，所以在DCS方，通訊區(qū)長度設(shè)定了2個16 Word In和1個12 Word Out。在AB的PLC方，創(chuàng)建一個網(wǎng)絡(luò)配置，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，波特率和站號，初始化通訊參數(shù)。在RSLOGIX5K中設(shè)置SST－PFBCLX模塊屬性，指定一個通訊區(qū)，主站側(cè)的輸入模塊對應(yīng)從站側(cè)的輸出模塊，所以設(shè)定了2個16 Word Out和1個12 Word In。在RSLOG IX5K的Main Program中添加程序Profibus－config(通訊初始化程序)和TX－con fig(讀寫和處理通訊變量程序)，將需要發(fā)送給DCS的變量從內(nèi)部緩沖區(qū)中拷貝到該通訊區(qū)的輸出區(qū)中，并從該通訊區(qū)的輸入?yún)^(qū)中讀取DCS發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將之拷貝到自身的內(nèi)部緩沖區(qū)中，然后下裝給PLC。

(3)數(shù)據(jù)處理:通訊設(shè)置完成后，在ConMaker中定義輸入物理點(diǎn)變量和輸出物理點(diǎn)變量，并將其參與組態(tài)程序中的邏輯運(yùn)算，開始在程序中編寫如何處理讀取和寫入的數(shù)據(jù)。文中在程序中編寫了4個自定義功能塊:IN_BOOL功能是讀由PLC傳來開關(guān)量，通過一位位分解，輸出為16個開關(guān)量。OUT_BOOL功能是將16個開關(guān)量組合成一個PLC能識別的數(shù)據(jù)，然后輸出。IN_REAL功能是讀由PLC傳來模擬量，此時讀取的模擬量與DCS系統(tǒng)模擬量的格式不同，需要首先進(jìn)行數(shù)據(jù)高低位交換，為使讀入的模擬量有一位小數(shù)，所以將模擬量數(shù)據(jù)在PLC方乘10，因此在DCS上再除以10，再輸出。OUT_REAL功能是先將數(shù)據(jù)乘以10，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)高低位交換，再把數(shù)據(jù)送到PLC。在資源中定義好需要通訊62個全局變量，添加調(diào)用功能塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫的程序，COM_PRG1 COM_PRG2 COM_PRG3，分別實(shí)現(xiàn)將通訊變量模擬量輸入輸出，數(shù)字量輸入的讀入和寫出，隨后保存編譯、下裝、登錄與風(fēng)機(jī)連接的轉(zhuǎn)化13#站控制器，可看到通訊成功后讀取和寫入的數(shù)據(jù)。

(4)監(jiān)控畫面顯示:在上位的FacView中，先將風(fēng)機(jī)通訊中讀寫的變量添加到標(biāo)簽變量和趨勢變量及報警變量表中，在FacView Explor的圖形編輯器中制作風(fēng)機(jī)監(jiān)控畫面，將畫面編譯運(yùn)行后，下位控制器中讀寫的通訊變量就可在上位的風(fēng)機(jī)流程畫面上顯示數(shù)據(jù)，因此在中控室就可監(jiān)控風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

1.2 傳統(tǒng)分配方式缺陷

當(dāng)前隨著工業(yè)控制規(guī)模的增大，一些大型的通信DCS設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。需要的點(diǎn)數(shù)也越來越多，會經(jīng)常出現(xiàn)大量的服務(wù)點(diǎn)競爭通信資源的狀況，一旦DCS的信道容量系數(shù)η相對固定，并且要求通信的數(shù)據(jù)量I增加，將造成信道容量η的飽和。傳統(tǒng)方式在計(jì)算短時間內(nèi)瞬時出現(xiàn)的通信高峰，有效通信需求增加，在信道飽和的情況下，通信的效率將大幅下降，影響通信效果。

2 DCS防沖突算法實(shí)現(xiàn)

2.1 預(yù)測指令沖突

在大型DCS進(jìn)行上下通信中，每個端口都有一個指令接收器，上面帶有計(jì)數(shù)功能，初始值為0，接收端的計(jì)數(shù)器值從0開始，信號接收端采集底層傳感器的請求，發(fā)送相關(guān)的指令到指令讀寫器。指令讀寫器第一次發(fā)送請求，所有指令的計(jì)數(shù)器初始值均是0，當(dāng)?shù)讓拥目刂破鬟M(jìn)行信號讀取時，可以有效檢測到底層信號，這信號可得到一個有效的回饋，如果回饋的信息有沖突特征，那么應(yīng)避免新指令的發(fā)送，此時，服務(wù)器中的計(jì)數(shù)器將開啟，在沖突計(jì)數(shù)位加1，并加到計(jì)數(shù)器上，如果在底層采集到的信號反饋到服務(wù)器中，得到的信息無任何沖突特征，那么計(jì)數(shù)器不變，這樣會保持前一個沖突的相關(guān)信息，假設(shè)前一個信息得到解決，計(jì)數(shù)器清0，計(jì)數(shù)方法如圖2所示。

圖2 指令沖突預(yù)測

2.2 防止底層指令沖突

根據(jù)時間間隔沖突計(jì)算方法能夠?qū)CS上位機(jī)與終端內(nèi)的通信沖突進(jìn)行檢測，有效的消除通信中的誤差。設(shè)置上位機(jī)與下位機(jī)之間進(jìn)行信號通信的時間是Q，完成全部通信指定信號的間隔是q，Uq是DCS的有效通信效率，DCS設(shè)備通信數(shù)目是p。在DCS的設(shè)備通信調(diào)度過程中，需要利用下式計(jì)算z個通信信號在DCS的上下端通信中計(jì)算可執(zhí)行概率

通過以上方法計(jì)算DCS通信過程中的沖突可能性。計(jì)算通信效率

計(jì)算式(2)的極大值，這個極大值在DSC通信中有著特殊含義，其可以進(jìn)行調(diào)整，使DCS的通信效率最大化。對每個等待的DCS通信任務(wù)進(jìn)行合理的調(diào)度，可計(jì)算出在時刻t進(jìn)行等待的通信任務(wù)的有效數(shù)量

對式(3)進(jìn)行離散變換，可得到

如果在DCS通信的過程中，不同的調(diào)度任務(wù)均需要在時間t進(jìn)行通信，可以計(jì)算在這種狀態(tài)下，DCS通信的沖突概率

通過式(6)可以獲取第k個時間段中的情景數(shù)目

計(jì)算DCS通信中，等待任務(wù)的有效數(shù)量

也可進(jìn)行一定程度的簡化處理，保證通信的穩(wěn)定性

通過上述方法能夠有效地調(diào)節(jié)DCS通信中上下層的沖突。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證文中方法的通信效果，采用和利時集團(tuán)的火力DCS設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)，構(gòu)造信息堆積、信道飽和的容易沖突環(huán)境。傳統(tǒng)的DCS設(shè)備通信方法，只能按照節(jié)點(diǎn)位置分配節(jié)點(diǎn)流量，無法避免由于海量突變性通信需求造成的通信資源分配失衡的缺陷，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)信道資源分配效率降低。為驗(yàn)證該算法的有效性，需要進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)。對火力的DCS通信設(shè)施進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬通信，通信的原理如圖3所示。

分別利用傳統(tǒng)算法和文中提出的動態(tài)優(yōu)先比例算法進(jìn)行資源分配優(yōu)化處理。其中參數(shù)設(shè)置如下t=200，aj=45，bj=38，對每次移動通信資源比例分配優(yōu)化處理的效率結(jié)果μ進(jìn)行標(biāo)定統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)5次不同需求下的具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 通信效率對比折線圖

在圖4中，利用文中算法進(jìn)行DCS的通訊遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)算法，表示在大型設(shè)備的通信過程中，文中算法體現(xiàn)出了一定的優(yōu)越性。對實(shí)驗(yàn)中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，能得到表1和表2。其中，表1是大型DCS設(shè)備通信需求正常的情況下，進(jìn)行通信資源分配的相關(guān)參數(shù)，表2是大型DCS設(shè)備通信較多數(shù)據(jù)情況下，進(jìn)行移動通信資源分配的相關(guān)參數(shù)。

表1 大型DCS設(shè)備通信情況

表2 海量數(shù)據(jù)DCS數(shù)據(jù)通信清零

通過對表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的診斷和分析能得出，在通信數(shù)據(jù)較多的情況下，文中方法得到的通信效率更高，這主要是因?yàn)樵摲椒軌蛟跊_突的情況下，進(jìn)行合理的調(diào)度，最大程度地避免沖突的發(fā)生，實(shí)驗(yàn)表明，利用文中算法進(jìn)行DCS設(shè)備通信的效率高于傳統(tǒng)的DCS設(shè)備通信算法。

4 結(jié)束語

文中提出一種大型DCS設(shè)備中上位機(jī)通信誤差消除方法，算法利用一種時間空閑間隔的有效填充方法，利用信號間的通信機(jī)制，解決上位機(jī)與控制器之間時域信號沖突。利用信號預(yù)測檢測技術(shù)，提前對下個時隙進(jìn)行調(diào)整，減少沖突的可能性。解決時域內(nèi)的信號沖突問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此方法在DCS系統(tǒng)較大的情況下，能夠較好地協(xié)調(diào)上位機(jī)與控制終端之間的聯(lián)系，提高了多機(jī)器人的通信成功率。

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