DCS系統實時性問題研究

李平 劉偉

摘要：DCS（分布式控制系統）在工業自控領域發揮著重要的作用。實時性是DCS系統設計中的重要考慮因素。DCS系統實時性主要是體現控制系統自身的各項處理功能對于被控過程變化速度快慢的適應能力。反應DCS實時性的重要指標有：一層控制器循環處理周期、系統響應時間、輸入信號最小持續時間。一層控制器循環處理周期：控制器循環處理周期與控制器的性能及控制算法的復雜程度有關，也與具體的運行狀態有關。系統響應時間包括：系統輸出信號時間、系統輸入信號時間。系統響應時間是控制系統對于完成其所負責自動控制任務的系統本身消耗時間。輸入信號最小持續時間：DCS系統所能正確檢測出輸入信號正確變化狀態的情況下，狀態所需的最小持續時間。

關鍵詞：DCS；實時性；自動控制；工業控制

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）10-0241-02

開放科學（資源服務）標識碼（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）是分布式控制系統的簡稱。其作為目前主流的過程自動控制系統，被廣泛應用在化工、電力、交通、核能等重要工業領域。DCS系統往往作為以上工業領域生產過程自動化的核心，為相關企業生產過程自動化水平的提高起到至關重要的作用。

計算機及網絡技術使DCS相較于傳統儀表控制系統，在可靠性、開放性、靈活性、易于維護等方面都有這巨大的優勢。但是，在系統實時性上，由于計算機網絡技術的自身條件與傳統儀表控制系統相比可能要略顯不足。正是這一特點，也決定了DCS系統設計必須把控制系統的實時性作為重要的考量因素。

2 典型DCS系統的結構

主流的工業控制系統架構一般分為四層。

0層：工藝系統接口層，包括測量設備和執行設備。

1層：控制和保護層，由信號處理和邏輯控制設備組成，完成對工藝環節控制和監視。

2層：操縱和信息管理層，由常規和數字化設備組成，完成對工藝過程監控和操縱系統。

3層：工廠管理層，由計算機系統組成的對工廠管理和通訊系統。

典型的DCS系統結構如下圖1：

3 評價DCS系統實時性的重要指標

DCS系統實時性主要體現控制系統自身的各項處理功能對于被控過程變化速度快慢的適應能力。主要針對控制回路中的采集、處理、顯示、輸出各環節以及通信網絡中數據傳輸率等方面，其性能指標主要包含以下幾個方面：

3.1 一層控制器循環處理周期

一層控制器執行一次完整的算法、通信和輸入/輸出任務的時間被稱為一個控制循環處理周期。一般主控制器在循環處理中，依照順序執行：I/0數據輸入（包括網絡通信）、邏輯運算及數據輸出（包括網絡通信）任務。以上任務往復循環進行。如下圖2：

控制器循環處理周期與控制器的性能及控制算法的復雜程度有關，也與具體的運行狀態有關。在滿足控制器處理器負荷率要求的前提下，循環處理周期選擇的越短，代表DCS系統對現場控制回路控制響應越快，系統實時性越好。

3.2 系統響應時間

對于一個DCS系統來說，系統響應時間由信號采集、控制器邏輯運算處理、通信網絡傳輸、系統服務器數據處理、信號輸出、操作員畫面顯示等多個時間環節決定。具體如下圖3。系統響應時間是控制系統對于完成其所負責自動控制任務的系統本身消耗時間。系統響應時間是綜合時間指標，體現了DCS系統整體對控制和反饋過程響應快慢，表征了系統的實時性好壞。DCS系統對于不同信號的響應時間一般不同，不同運行狀態下，響應時間也會有所區別。系統設計時往往需考核最大系統響應時間。

3.3 輸入信號最小持續時間

DCS系統實時性高說明系統能夠對變化速度更快的信號進行檢測，變化速度越快意味著輸入信號的狀態持續時間可以更短，因此可以認為，在系統所能正確檢測出輸入信號正確變化狀態的情況下，狀態所需的最小持續時間就反映了實時性。輸入信號被系統檢測到可分為兩種情況：

1）被一層控制器監測到；

2）被服務器記錄并顯示于操作員畫面。

以數字量DI信號為例說明：

圖中Tj為輸入信號持續時間。當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存入控制器輸入存儲區），控制器可以根據此信號完成自動控制功能。Tj需維持最小時間（Tmin1）根據處理器能力、循環周期配置、控制程序復雜度等因素有關，小于Tmin1持續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，存在網絡傳輸、服務器處理等時間，如果輸入信號要確定被服務器處理記錄、操作員畫面顯示，那么此時信號的對應的最小維持時間（Tmin2）要大于上面表述Tmin1，當信號持續時間Tj在Tmin1與Tmin2之間（即Tmin1

4 總結

綜上所述，DCS系統的實時性涉及多個技術指標參數，而每個指標參數均有多個環節、設備、因素決定。DCS系統的實時性就是這些參數指標的集合體。DCS系統設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系統滿足工業過程對實時性的需要。

參考文獻：

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【通聯編輯：梁書】