李平 劉偉

摘要：DCS（分布式控制系統(tǒng)）在工業(yè)自控領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。實時性是DCS系統(tǒng)設(shè)計中的重要考慮因素。DCS系統(tǒng)實時性主要是體現(xiàn)控制系統(tǒng)自身的各項處理功能對于被控過程變化速度快慢的適應(yīng)能力。反應(yīng)DCS實時性的重要指標(biāo)有：一層控制器循環(huán)處理周期、系統(tǒng)響應(yīng)時間、輸入信號最小持續(xù)時間。一層控制器循環(huán)處理周期：控制器循環(huán)處理周期與控制器的性能及控制算法的復(fù)雜程度有關(guān)，也與具體的運行狀態(tài)有關(guān)。系統(tǒng)響應(yīng)時間包括：系統(tǒng)輸出信號時間、系統(tǒng)輸入信號時間。系統(tǒng)響應(yīng)時間是控制系統(tǒng)對于完成其所負(fù)責(zé)自動控制任務(wù)的系統(tǒng)本身消耗時間。輸入信號最小持續(xù)時間：DCS系統(tǒng)所能正確檢測出輸入信號正確變化狀態(tài)的情況下，狀態(tài)所需的最小持續(xù)時間。

關(guān)鍵詞：DCS；實時性；自動控制；工業(yè)控制

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）10-0241-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（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）是分布式控制系統(tǒng)的簡稱。其作為目前主流的過程自動控制系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用在化工、電力、交通、核能等重要工業(yè)領(lǐng)域。DCS系統(tǒng)往往作為以上工業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)過程自動化的核心，為相關(guān)企業(yè)生產(chǎn)過程自動化水平的提高起到至關(guān)重要的作用。

計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使DCS相較于傳統(tǒng)儀表控制系統(tǒng)，在可靠性、開放性、靈活性、易于維護等方面都有這巨大的優(yōu)勢。但是，在系統(tǒng)實時性上，由于計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的自身條件與傳統(tǒng)儀表控制系統(tǒng)相比可能要略顯不足。正是這一特點，也決定了DCS系統(tǒng)設(shè)計必須把控制系統(tǒng)的實時性作為重要的考量因素。

2 典型DCS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

主流的工業(yè)控制系統(tǒng)架構(gòu)一般分為四層。

0層：工藝系統(tǒng)接口層，包括測量設(shè)備和執(zhí)行設(shè)備。

1層：控制和保護層，由信號處理和邏輯控制設(shè)備組成，完成對工藝環(huán)節(jié)控制和監(jiān)視。

2層：操縱和信息管理層，由常規(guī)和數(shù)字化設(shè)備組成，完成對工藝過程監(jiān)控和操縱系統(tǒng)。

3層：工廠管理層，由計算機系統(tǒng)組成的對工廠管理和通訊系統(tǒng)。

典型的DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖1：

3 評價DCS系統(tǒng)實時性的重要指標(biāo)

DCS系統(tǒng)實時性主要體現(xiàn)控制系統(tǒng)自身的各項處理功能對于被控過程變化速度快慢的適應(yīng)能力。主要針對控制回路中的采集、處理、顯示、輸出各環(huán)節(jié)以及通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸率等方面，其性能指標(biāo)主要包含以下幾個方面：

3.1 一層控制器循環(huán)處理周期

一層控制器執(zhí)行一次完整的算法、通信和輸入/輸出任務(wù)的時間被稱為一個控制循環(huán)處理周期。一般主控制器在循環(huán)處理中，依照順序執(zhí)行：I/0數(shù)據(jù)輸入（包括網(wǎng)絡(luò)通信）、邏輯運算及數(shù)據(jù)輸出（包括網(wǎng)絡(luò)通信）任務(wù)。以上任務(wù)往復(fù)循環(huán)進行。如下圖2：

控制器循環(huán)處理周期與控制器的性能及控制算法的復(fù)雜程度有關(guān)，也與具體的運行狀態(tài)有關(guān)。在滿足控制器處理器負(fù)荷率要求的前提下，循環(huán)處理周期選擇的越短，代表DCS系統(tǒng)對現(xiàn)場控制回路控制響應(yīng)越快，系統(tǒng)實時性越好。

3.2 系統(tǒng)響應(yīng)時間

對于一個DCS系統(tǒng)來說，系統(tǒng)響應(yīng)時間由信號采集、控制器邏輯運算處理、通信網(wǎng)絡(luò)傳輸、系統(tǒng)服務(wù)器數(shù)據(jù)處理、信號輸出、操作員畫面顯示等多個時間環(huán)節(jié)決定。具體如下圖3。系統(tǒng)響應(yīng)時間是控制系統(tǒng)對于完成其所負(fù)責(zé)自動控制任務(wù)的系統(tǒng)本身消耗時間。系統(tǒng)響應(yīng)時間是綜合時間指標(biāo)，體現(xiàn)了DCS系統(tǒng)整體對控制和反饋過程響應(yīng)快慢，表征了系統(tǒng)的實時性好壞。DCS系統(tǒng)對于不同信號的響應(yīng)時間一般不同，不同運行狀態(tài)下，響應(yīng)時間也會有所區(qū)別。系統(tǒng)設(shè)計時往往需考核最大系統(tǒng)響應(yīng)時間。

3.3 輸入信號最小持續(xù)時間

DCS系統(tǒng)實時性高說明系統(tǒng)能夠?qū)ψ兓俣雀斓男盘栠M行檢測，變化速度越快意味著輸入信號的狀態(tài)持續(xù)時間可以更短，因此可以認(rèn)為，在系統(tǒng)所能正確檢測出輸入信號正確變化狀態(tài)的情況下，狀態(tài)所需的最小持續(xù)時間就反映了實時性。輸入信號被系統(tǒng)檢測到可分為兩種情況：

1）被一層控制器監(jiān)測到；

2）被服務(wù)器記錄并顯示于操作員畫面。

以數(shù)字量DI信號為例說明：

圖中Tj為輸入信號持續(xù)時間。當(dāng)DI信號維持Tj，在這個時間間隔下被一層控制器掃描識別到（這里掃描識別指信號狀態(tài)存入控制器輸入存儲區(qū)），控制器可以根據(jù)此信號完成自動控制功能。Tj需維持最小時間（Tmin1）根據(jù)處理器能力、循環(huán)周期配置、控制程序復(fù)雜度等因素有關(guān)，小于Tmin1持續(xù)時間的信號變化將可能被控制器漏掉，進而無法以此做出自動控制動作。主流DCS品牌Tmin1一般在幾十到幾百毫秒之間。

由于，存在網(wǎng)絡(luò)傳輸、服務(wù)器處理等時間，如果輸入信號要確定被服務(wù)器處理記錄、操作員畫面顯示，那么此時信號的對應(yīng)的最小維持時間（Tmin2）要大于上面表述Tmin1，當(dāng)信號持續(xù)時間Tj在Tmin1與Tmin2之間（即Tmin1

4 總結(jié)

綜上所述，DCS系統(tǒng)的實時性涉及多個技術(shù)指標(biāo)參數(shù)，而每個指標(biāo)參數(shù)均有多個環(huán)節(jié)、設(shè)備、因素決定。DCS系統(tǒng)的實時性就是這些參數(shù)指標(biāo)的集合體。DCS系統(tǒng)設(shè)計過程中也要綜合各種因素，找到各約束條件的平衡點，最終使DCS系統(tǒng)滿足工業(yè)過程對實時性的需要。

參考文獻：

[1] 王琦等.分散控制系統(tǒng)性能測試技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[2] 王常力等.分布式控制系統(tǒng)（DCS）設(shè)計與應(yīng)用實例[M].第3版.北京：電子工業(yè)出版社 2016.

[3] 顧洪軍.張 佐.吳秋峰.控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展[J].工業(yè)儀表與自動化裝置.2000（1）：62-65 .

[4] 周元，馬國厚，石焱.集散控制系統(tǒng)中通訊子網(wǎng)的實時性問題研究[J].信息技術(shù).2001（12）：37-40.

【通聯(lián)編輯：梁書】