變量強制配置表在控制器多變量強制中的應(yīng)用

摘要：文章提出一種基于變量強制配置表的控制器多變量強制方法，在分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）邏輯組態(tài)調(diào)試的過程中得以應(yīng)用。該方法由上位機的組態(tài)工具生成變量強制配置表，并將其下發(fā)給控制器?？刂破鹘馕鍪盏降呐渲帽?，并在周期任務(wù)運算過程中生效。該方法無需對控制器內(nèi)所有測點進行強制屬性標記，減少了對內(nèi)存空間的消耗，提高了控制器運行的穩(wěn)定性，提升了低成本控制器的實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：變量強制；配置表；分散控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP23文獻標志碼：A

0 引言

分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）在工業(yè)過程控制領(lǐng)域占據(jù)重要地位，得益于其控制功能分散、操作管理集中、邏輯組態(tài)配置簡單等優(yōu)勢［1］，被廣泛應(yīng)用于電力［2］、冶金［3］、石化［4］等領(lǐng)域。DCS通過各種型號的I/O模塊實時采集模擬量、開關(guān)量等現(xiàn)場數(shù)據(jù)作為輸入信號，經(jīng)由控制器的邏輯運算處理后輸出控制指令，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的精準調(diào)控。在邏輯組態(tài)的設(shè)計、調(diào)試階段，對部分測點信號進行強制處理至關(guān)重要，這有助于驗證組態(tài)邏輯的正確性，確?？刂葡到y(tǒng)的精確響應(yīng)與設(shè)備動作的一致性。

然而，傳統(tǒng)的強制信號處理方式存在明顯局限性。該方法通常為系統(tǒng)中的每一個測點信號增設(shè)是否強制的標志，并在控制器的內(nèi)存中為強制值分配存儲空間。對于一些復雜的工藝系統(tǒng)，涉及的I/O測點數(shù)量巨大［5］，而實際需要強制的點數(shù)相對較少，這種方法仍然需要對所有測點保存強制相關(guān)的信息。一方面，存儲大量不必要的強制信息，消耗了控制器寶貴的內(nèi)存資源，增加了控制器運行的負擔，可能導致內(nèi)存使用率過高，進而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度；另一方面，某些工程應(yīng)用場景出于成本考慮，可能會選用低成本的控制器，這種控制器的內(nèi)存空間相對較小。在這種情況下，傳統(tǒng)強制方法可能導致控制器的內(nèi)存空間無法滿足所有測點強制信息的存儲需求；即使勉強能容納所有測點，也會極大地壓縮剩余的內(nèi)存空間，使得控制器在運行過程中存在內(nèi)存使用率過高的安全隱患，降低了系統(tǒng)應(yīng)對突發(fā)情況的緩沖能力，嚴重威脅控制器運行的穩(wěn)定性。

針對上述傳統(tǒng)變量強制方法及部分應(yīng)用場景中暴露的問題，本文提出了一種基于變量強制配置表進行多變量強制的新策略。該方法旨在通過優(yōu)化強制信息的管理與存儲，有效降低對控制器內(nèi)存資源的消耗，顯著提高DCS的穩(wěn)定性和內(nèi)存利用率。

1 基于變量強制配置表的多變量強制方法

基于變量強制配置表的多變量強制方法的核心在于利用上位機組態(tài)軟件對需要強制的測點進行精確定位和配置，生成專屬的強制變量配置表?？刂破魇盏浇M態(tài)軟件下發(fā)的強制變量配置表后，解析并保存在內(nèi)存中，并在周期運算任務(wù)中僅對配置表中選定的測點實施強制處理，避免對所有測點進行無差別的強制信息存儲。同時，控制器在周期運行過程中對上位機是否更新變量強制配置表進行判斷，在未更新配置表的情況下，控制器能夠保持配置表中測點原有的強制狀態(tài)。

1.1 變量強制配置表的含義

變量強制，即在邏輯組態(tài)調(diào)試過程中，調(diào)試人員根據(jù)工程的實際需求，通過上位機組態(tài)工具對選定的實際測點（包括模擬量、開關(guān)量等輸入信號或執(zhí)行機構(gòu)的輸出信號）進行強制設(shè)定。強制操作允許臨時替代實際測點的數(shù)值，以便模擬特定工況，從而驗證硬件測點或執(zhí)行機構(gòu)的響應(yīng)是否準確以及驗證組態(tài)的邏輯是否正確。

變量強制配置表，即調(diào)試人員通過上位機組態(tài)工具篩選指定的、需要強制處理的所有測點形成的配置表。配置表中強制變量的類型可以區(qū)分為輸入變量和輸出變量，以結(jié)構(gòu)化的方式詳盡記錄每個強制變量的屬性信息，包括如下內(nèi)容。

（1）測點名（KKS標簽）：唯一標識測點的身份，便于系統(tǒng)內(nèi)部精確查找與定位。

（2）點索引信息：包含測點所在的頁號及二級索引，用于在龐大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中快速鎖定測點的具體位置。

（3）強制值的數(shù)據(jù)類型：明確強制值的數(shù)據(jù)格式（如整型、浮點型、布爾型等），確保數(shù)據(jù)處理的準確性。

（4）強制值：待強制設(shè)定的數(shù)值，用于替代實際測點的當前值。

構(gòu)建變量強制配置表的過程體現(xiàn)了高度的靈活性與針對性，工程師可以根據(jù)調(diào)試需求，有選擇地將實際需要強制的測點納入表中，避免了對無關(guān)測點的無效信息存儲。

1.2 變量強制配置表的生效與執(zhí)行

調(diào)試人員通過組態(tài)工具將配置完成的變量強制配置表下發(fā)給目標控制器?？刂破魇盏脚渲帽砗?，按照以下步驟解析配置表并保存在內(nèi)存中。

（1）解析配置表：控制器讀取并解析強制變量配置表，識別出表中輸入變量和輸出變量的類型與數(shù)量。解析的強制變量配置表的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（2）分配內(nèi)存：根據(jù)解析結(jié)果，控制器為強制變量動態(tài)分配內(nèi)存空間，僅保留所需強制信息，顯著減少內(nèi)存占用。

（3）壓入強制隊列：將解析后的強制變量信息分別壓入輸入強制隊列和輸出強制隊列，為后續(xù)的強制操作做好準備。

在控制器的每個周期運算任務(wù)中啟用配置表，執(zhí)行強制輸入變量、強制輸出變量任務(wù)，具體流程步驟如圖2所示。

對上述流程圖的具體說明如下。

（1）檢查更新T1：控制器首先判斷上位機組態(tài)工具是否下發(fā)新的強制變量配置表，如果強制變量配置表更新，則進入S1執(zhí)行解析與存儲操作；反之，保持上一周期的強制狀態(tài)，直接進入S2，執(zhí)行強制任務(wù)。

（2）解析與存儲S1：如前所述，控制器解析更新的強制變量配置表，區(qū)分輸入、輸出通道類型，根據(jù)強制變量的類型及個數(shù)開辟內(nèi)存空間，并依次將強制變量信息（測點名、點索引信息、強制值的數(shù)據(jù)類型、強制值）壓入輸入、輸出強制隊列。

（3）執(zhí)行強制輸入S2：獲取I/O站輸入數(shù)據(jù)的原始數(shù)據(jù)，遍歷輸入強制隊列，執(zhí)行強制輸入變量任務(wù)，根據(jù)強制輸入列表中輸入點的頁號及二級索引找到對應(yīng)的輸入通道數(shù)據(jù)信息，通過數(shù)據(jù)類型及測點名校驗后，復寫該輸入通道的狀態(tài)為“強制”，并復寫該輸入通道的值為強制值。此步驟確保了邏輯運算所依據(jù)的輸入數(shù)據(jù)已被強制設(shè)定的值替代。

（4）邏輯運算S3：基于已處理過強制的最新輸入數(shù)據(jù)，進行邏輯算法頁運算，得到當前周期的輸出數(shù)據(jù)。此時，邏輯運算的結(jié)果已經(jīng)反映強制設(shè)定對系統(tǒng)行為的影響。

（5）執(zhí)行強制輸出S4：遍歷輸出強制隊列，執(zhí)行強制輸出變量任務(wù)，同樣根據(jù)強制輸出列表中輸出點的頁號及二級索引找到對應(yīng)的輸出通道數(shù)據(jù)信息，通過數(shù)據(jù)類型及測點名校驗后，復寫該輸出通道的狀態(tài)為“強制”，并復寫該輸出通道的值為強制值，并將處理后的數(shù)據(jù)下發(fā)給I/O站，確保執(zhí)行機構(gòu)按照強制設(shè)定的動作執(zhí)行。

以上步驟在控制器中周期性循環(huán)執(zhí)行，確保強制狀態(tài)始終與上位機下發(fā)的最新配置表保持一致。

2 變量強制配置表的實際應(yīng)用與效果驗證

以某1000 MW火電廠3號機組為例，該機組共有55對控制器，其中編號為3030的控制器管理1507個測點。在調(diào)試過程中，需對其中的229個測點進行強制處理。3030控制器強制變量如圖3所示。

采用基于變量強制配置表的方法后，在控制器正常運行，邏輯組態(tài)正常運算的前提下，本文通過監(jiān)測系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的模塊來監(jiān)測該控制器的內(nèi)存占用情況?？刂破鲀?nèi)存使用率如圖4所示。實際監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示，該控制器的內(nèi)存使用率僅為18.32%左右，遠低于采用傳統(tǒng)強制方法可能出現(xiàn)的高內(nèi)存使用率，顯著提升了內(nèi)存資源的有效利用率，為系統(tǒng)運行提供了充足的內(nèi)存裕量，保障了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。

此外，對于成本敏感的工程項目，尤其是那些采用內(nèi)存空間有限的低端控制器的情況，本方法展現(xiàn)了極高的實用價值；通過精確、高效地管理強制信息，避免了不必要的內(nèi)存消耗，使得小內(nèi)存控制器也能勝任復雜工藝系統(tǒng)的控制任務(wù)，大幅提升了此類控制器在實際工程中的應(yīng)用價值和可行性。

3 結(jié)語

本文基于變量強制配置表的多變量強制方法，通過精細化管理和動態(tài)配置，有效解決了傳統(tǒng)強制信號處理方式中內(nèi)存資源浪費的問題。這種方法僅對實際需要強制的測點進行信息存儲與處理，避免了對所有測點的無差別對待，顯著減少了內(nèi)存資源消耗，提高了DCS的穩(wěn)定性和內(nèi)存利用率。尤其在面對復雜工藝系統(tǒng)和低成本、小內(nèi)存控制器的應(yīng)用場景時，該方法顯示出了卓越的適應(yīng)性和有效性，有力推動了DCS技術(shù)在工業(yè)過程控制領(lǐng)域的高效、經(jīng)濟應(yīng)用。

參考文獻

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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