大型DCS設(shè)備中上位機(jī)通信誤差消除方法

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(chǎng)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(duì)化工、發(fā)電、核電等相關(guān)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行控制成為自動(dòng)化控制領(lǐng)域的熱點(diǎn)，DCS設(shè)備通過(guò)長(zhǎng)期的高精度設(shè)計(jì)，對(duì)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(mén)的重視，其應(yīng)用廣泛，因此受到了諸多專(zhuān)家的關(guān)注。

但在大型DCS的工作過(guò)程中，面臨一個(gè)問(wèn)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(shí)間隨機(jī)的通信。通過(guò)采集底層的控制信號(hào)，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(shí)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(jí)通信效果，造成通信正確率下降。影響整個(gè)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(gè)難點(diǎn)問(wèn)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(guò)網(wǎng)絡(luò)物理層連接、通訊設(shè)置、數(shù)據(jù)處理和畫(huà)面顯示4個(gè)方面闡述如何實(shí)現(xiàn)通訊的過(guò)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(guò)DP總線(xiàn)進(jìn)行傳感器信號(hào)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(shí)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(shí)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(guò)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(shí)現(xiàn)場(chǎng)控制柜卡件底板的DP端子連接，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)控制器之間數(shù)據(jù)通訊，再通過(guò)光纜將信號(hào)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(gè)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(hào)和名稱(chēng)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(gè)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(gè)模擬量點(diǎn)占一個(gè)Word，而一個(gè)數(shù)字量點(diǎn)占一個(gè)Word的一位，所以在DCS方，通訊區(qū)長(zhǎng)度設(shè)定了2個(gè)16 Word In和1個(gè)12 Word Out。在AB的PLC方，創(chuàng)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)配置，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，波特率和站號(hào)，初始化通訊參數(shù)。在RSLOGIX5K中設(shè)置SST－PFBCLX模塊屬性，指定一個(gè)通訊區(qū)，主站側(cè)的輸入模塊對(duì)應(yīng)從站側(cè)的輸出模塊，所以設(shè)定了2個(gè)16 Word Out和1個(gè)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(xiě)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(kāi)始在程序中編寫(xiě)如何處理讀取和寫(xiě)入的數(shù)據(jù)。文中在程序中編寫(xiě)了4個(gè)自定義功能塊:IN_BOOL功能是讀由PLC傳來(lái)開(kāi)關(guān)量，通過(guò)一位位分解，輸出為16個(gè)開(kāi)關(guān)量。OUT_BOOL功能是將16個(gè)開(kāi)關(guān)量組合成一個(gè)PLC能識(shí)別的數(shù)據(jù)，然后輸出。IN_REAL功能是讀由PLC傳來(lái)模擬量，此時(shí)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(gè)全局變量，添加調(diào)用功能塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)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(xiě)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(xiě)入的數(shù)據(jù)。

(4)監(jiān)控畫(huà)面顯示:在上位的FacView中，先將風(fēng)機(jī)通訊中讀寫(xiě)的變量添加到標(biāo)簽變量和趨勢(shì)變量及報(bào)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(huà)面，將畫(huà)面編譯運(yùn)行后，下位控制器中讀寫(xiě)的通訊變量就可在上位的風(fēng)機(jī)流程畫(huà)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(lái)越多，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)大量的服務(wù)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)通信資源的狀況，一旦DCS的信道容量系數(shù)η相對(duì)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(shí)間內(nèi)瞬時(shí)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(cè)指令沖突

在大型DCS進(jìn)行上下通信中，每個(gè)端口都有一個(gè)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(kāi)始，信號(hào)接收端采集底層傳感器的請(qǐng)求，發(fā)送相關(guān)的指令到指令讀寫(xiě)器。指令讀寫(xiě)器第一次發(fā)送請(qǐng)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(hào)讀取時(shí)，可以有效檢測(cè)到底層信號(hào)，這信號(hào)可得到一個(gè)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(shí)，服務(wù)器中的計(jì)數(shù)器將開(kāi)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(hào)反饋到服務(wù)器中，得到的信息無(wú)任何沖突特征，那么計(jì)數(shù)器不變，這樣會(huì)保持前一個(gè)沖突的相關(guān)信息，假設(shè)前一個(gè)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(cè)

2.2 防止底層指令沖突

根據(jù)時(shí)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(cè)，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(hào)通信的時(shí)間是Q，完成全部通信指定信號(hào)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(guò)程中，需要利用下式計(jì)算z個(gè)通信信號(hào)在DCS的上下端通信中計(jì)算可執(zhí)行概率

通過(guò)以上方法計(jì)算DCS通信過(guò)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(gè)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(duì)每個(gè)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(shí)刻t進(jìn)行等待的通信任務(wù)的有效數(shù)量

對(duì)式(3)進(jìn)行離散變換，可得到

如果在DCS通信的過(guò)程中，不同的調(diào)度任務(wù)均需要在時(shí)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(guò)式(6)可以獲取第k個(gè)時(shí)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(jiǎn)化處理，保證通信的穩(wěn)定性

通過(guò)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(shí)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(wú)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(duì)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(dòng)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(duì)每次移動(dòng)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(duì)比折線(xiàn)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(guò)程中，文中算法體現(xiàn)出了一定的優(yōu)越性。對(duì)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(dòng)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(guò)對(duì)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(yǔ)

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(shí)間空閑間隔的有效填充方法，利用信號(hào)間的通信機(jī)制，解決上位機(jī)與控制器之間時(shí)域信號(hào)沖突。利用信號(hào)預(yù)測(cè)檢測(cè)技術(shù)，提前對(duì)下個(gè)時(shí)隙進(jìn)行調(diào)整，減少?zèng)_突的可能性。解決時(shí)域內(nèi)的信號(hào)沖突問(wèn)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。

［1］張冰，陳萬(wàn)米，梁亮，等.基于OpenGL的小型組機(jī)器人足球仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008，20(3):724 －728.

［2］秦豐林，李曉明，汪嵩杰.面向足球機(jī)器人比賽的開(kāi)放式仿真系統(tǒng)的研究［J］.機(jī)電工程，2009(12):62－64.

［3］穆志純，郭文杰.人耳人臉特征融合在身份鑒別中的研究［J］.計(jì)算機(jī)科學(xué)，2009，36(5):251 －253，261.

［4］孫鵬，陳小平.RoboCup小型機(jī)器人仿真系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2006，23(4):128 －131.

［5］STANCLIFF S，BALASUBRAMANIAN R，BALCH T，et al.CMU hammerheads 2001 team description ［J］.Lecture Notes in Computer Science，2002(3):631 －634.

［6］MENG Qingchun，YIN Bo，XIONG Jiaoshe.Intelligent leaming technique based－on fuzzy logic for multi－robot path planning ［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2001，8(3):222－227.