第三章集散控制系統(tǒng)性能評估_第1頁
第三章集散控制系統(tǒng)性能評估_第2頁
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集散控制系統(tǒng)原理及應(yīng)用第三版何衍慶黃海燕黎冰編著化學(xué)工業(yè)出版社北京普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材集散控制系統(tǒng)原理及應(yīng)用第1章概述第2章集散控制系統(tǒng)構(gòu)成第3章集散控制系統(tǒng)性能評估第4章集散控制系統(tǒng)的控制算法和控制組態(tài)第5章集散控制系統(tǒng)的工程設(shè)計第6章集散控制系統(tǒng)的人機(jī)界面第7章集散控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信第8章集散控制系統(tǒng)應(yīng)用實例……熱工過程DCS系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用(一、二、三、四)第三章集散控制系統(tǒng)性能評估一、可靠性二、易操作性三、可組態(tài)性四、集散控制系統(tǒng)的其他性能指標(biāo)

(可擴(kuò)展性、實時性、環(huán)境適應(yīng)性、開放性、經(jīng)濟(jì)性)第三章集散控制系統(tǒng)性能評估一、可靠性1.可靠性(1)可靠性和可靠性指標(biāo)可靠性指機(jī)器、零件或系統(tǒng),在規(guī)定工作條件下,在規(guī)定時間內(nèi)具有正常工作性能的能力。

狹義的可靠性指一次性使用的機(jī)器、零件或系統(tǒng)的使用壽命。例如燈泡的使用壽命是狹義的可靠性。

廣義的可靠性指可修復(fù)的機(jī)器、零件或系統(tǒng),在使用中不發(fā)生故障,一旦發(fā)生故障又易修復(fù),使之具有經(jīng)常使用的性能,因此,廣義可靠性包含可維修性。集散控制系統(tǒng)的可靠性指廣義可靠性。常用的可靠性指標(biāo)有可靠度、MTBF、MTTF及故障率。電子產(chǎn)品的故障率可用浴盆曲線描述。該曲線分為三段。初始段故障率隨時間的增大快速下降,引起產(chǎn)品失效的主要原因是產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中造成的缺陷。穩(wěn)定段故障率幾乎不變,其持續(xù)時間也較長。失效段故障率隨時間增大快速上升,產(chǎn)品達(dá)到其使用壽命。圖3—l是典型故障率隨時間變化的浴盆曲線。第三章集散控制系統(tǒng)性能評估一、可靠性1.可靠性(2)可靠性計算集散控制系統(tǒng)由大量設(shè)備、元器件組成。它的可靠性由組成系統(tǒng)的各部件通過串聯(lián)、并聯(lián)、旁路、橋接和分解的各子系統(tǒng)可靠性計算,然后按全概率法則求得。第三章集散控制系統(tǒng)性能評估一、可靠性1.可靠性(3)可維修性可維修性的規(guī)定條件是維修三要素。即:①機(jī)器、零件或系統(tǒng)是否被設(shè)計得很容易維修;②進(jìn)行維修的技術(shù)人員的維修和判斷技能;③維修所帶的備品備件供應(yīng)情況。集散控制系統(tǒng)中,采用接插板的安裝方法有利于板卡的更換和維修;通過自診斷系統(tǒng)的診斷及面板故障顯示,使對維護(hù)人員的技能要求降低;必需的備品儲備使更換時間縮短。這些措施使集散控制系統(tǒng)的可維修性大大改善。衡量可維修性的指標(biāo)有維修度和平均修復(fù)時間。第三章集散控制系統(tǒng)性能評估一、可靠性2.提高可靠性的措施集散控制系統(tǒng)的可靠性是評估集散控制系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)。通常,制造商提供的可靠度數(shù)據(jù)都在99.99%一99.9999%。評估系統(tǒng)可靠性時,除了系統(tǒng)制造時應(yīng)保證符合設(shè)計要求外,通??蓮目煽啃栽O(shè)計和維修性兩方面進(jìn)行分析。(1)可靠性設(shè)計準(zhǔn)則采用可靠性設(shè)計能設(shè)計出可靠性高的產(chǎn)品,它在使用過程中不易發(fā)生故障,即使發(fā)生故障也易于修復(fù),并使故障影響盡量小。

可靠性設(shè)計遵循下列準(zhǔn)則:①有效地利用以前的經(jīng)驗;②盡可能減少零件件數(shù),尤其是故障率高的零件數(shù);③采用標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品;④檢查、調(diào)試和互換容易實現(xiàn);⑤零件的互換性好;⑥采用可靠性特殊設(shè)計方法,例如可靠度分配技術(shù)、冗余設(shè)計技術(shù)、漂移設(shè)計技術(shù)、極安全設(shè)計技術(shù)、可靠性預(yù)測等。第三章集散控制系統(tǒng)性能評估一、可靠性2.提高可靠性的措施(2)集散控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計三準(zhǔn)則

1)系統(tǒng)運(yùn)行不易發(fā)生故障的設(shè)計

它是故障預(yù)防準(zhǔn)則,是—項重要的可靠性設(shè)計準(zhǔn)則。即從系統(tǒng)的基本部件著手,提高系統(tǒng)MTBF。在集散控制系統(tǒng)中采用下列措施使系統(tǒng)運(yùn)行不易發(fā)生故障:

①運(yùn)動部件;②接插卡件;③元器件;④電路優(yōu)化設(shè)計;⑤其他不易發(fā)生故障的設(shè)計。例如,機(jī)柜優(yōu)化設(shè)計、操作臺優(yōu)化設(shè)計、重要的操作設(shè)置操作權(quán)限或口令等。⑥降低負(fù)荷的設(shè)計。降低CPU負(fù)荷、降低現(xiàn)場總線的通信量等設(shè)計是不易發(fā)生故障的設(shè)計內(nèi)容。為此,在設(shè)計時可降低采樣周期、減少輸入輸出卡件上連接的輸入輸出點數(shù)、減少現(xiàn)場總線上掛接的現(xiàn)場總線設(shè)備數(shù)、在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中合理設(shè)置PID模塊位置、采用例外報告等。此外,降低供電電源的負(fù)荷是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。

2)系統(tǒng)運(yùn)行不受故障影響的設(shè)計該準(zhǔn)則是故障容錯設(shè)計準(zhǔn)則,包括冗余設(shè)計和降級操作兩項設(shè)計堆則。冗余設(shè)計在系統(tǒng)某一部件發(fā)生故障時能自動切換到備用部件,使系統(tǒng)運(yùn)行不受故障影響;

降級操作設(shè)計是系統(tǒng)某一部件故障時能夠旁路或降級操作,從而降低故障影響的設(shè)計。容錯設(shè)計是錯誤操作時,系統(tǒng)不予響應(yīng)的設(shè)計。例如,只有某操作權(quán)限的操作員才能進(jìn)行特定操作,其他操作員輸入同樣操作指令時系統(tǒng)不會執(zhí)行特定操作。按冗余部件、裝置或系統(tǒng)的工作狀態(tài),分工作冗余(熱后備)和后備冗余(冷冗余)兩類。按冗余度,分雙重冗余(1:1)和多重冗余(N:1)。設(shè)計冗余結(jié)構(gòu)的范圍需與系統(tǒng)可靠性要求、自動化水平及經(jīng)濟(jì)性一起考慮。為便于多級操作,實現(xiàn)分散控制、集中管理的目標(biāo),集散控制系統(tǒng)的應(yīng)用中,越是處于下層的部件、裝置或系統(tǒng)越需要冗余,其冗余度也越高。①供電系統(tǒng)的冗余;②過程控制裝置的幾余;③現(xiàn)場總線鏈路主設(shè)備的冗余;④通信系統(tǒng)的冗余;⑤操作站的冗余;⑥輸入輸出卡件的冗余;⑦檢測和執(zhí)行儀表的冗余。

3)能迅速排除故障的設(shè)計該設(shè)計準(zhǔn)則包括故障的弱化和故障的在線維修準(zhǔn)則。為了迅速排除故障,減小MTTR,除了具有足夠的備品備件及提高維修人員技能外,集散控制系統(tǒng)還采用下列措施。①自診斷。集散控制系統(tǒng)的自診斷功能由硬件和軟件共同完成。硬件設(shè)計是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時,引起某標(biāo)志位變化,并激勵相應(yīng)故障顯示發(fā)光二極管。軟件設(shè)計是將檢測值與故障限值比較,并據(jù)此發(fā)出信號。一個性能良好的集散控制系統(tǒng)應(yīng)具有很強(qiáng)的自診斷功能,能夠?qū)Ω鞣N接插卡件進(jìn)行診斷,并顯示故障②硬件設(shè)計。易檢修、更換、迅速排除故障的硬件設(shè)計包括機(jī)械設(shè)計和電子線路設(shè)計。對需經(jīng)常檢修和更換的部件采用接插卡件。采用鍍金插腳、易于接插的把手、插卡滑軌等設(shè)計,保證器件的良好接觸和易于維修和更換。一些系統(tǒng)還采用螺絲固定接插卡件,防止卡件松動。電子線路設(shè)計方面,采用各卡件自成系統(tǒng),它的插入和拔出不影響其他卡件運(yùn)行;可帶電插拔;設(shè)置熔絲管或二極管等,使故障影響不擴(kuò)大;檢查部位和調(diào)整電位器設(shè)計在易于操作的位置等。③專用診斷、檢修設(shè)備。為便于對故障診斷和檢修,大多數(shù)集散控制系統(tǒng)制造商還可提供專用檢測和維修設(shè)備,用于在線和離線檢查和修理,一些設(shè)備還可進(jìn)行仿真運(yùn)行。④售后服務(wù)和備品備件。第三章集散控制系統(tǒng)性能評估一、可靠性3.冗余技術(shù)冗余技術(shù)是高級的可靠性設(shè)計技術(shù)。冗余設(shè)計并不是簡單地從故障設(shè)備切換到冗余設(shè)備,它需要硬件、軟件和通信等部件的相互協(xié)調(diào)才能實現(xiàn)。要將冗余部件構(gòu)成一個有機(jī)整體,需要下列技術(shù)支持。(1)信息同步技術(shù)信息同步技術(shù)是工作部件和冗余部件之間實現(xiàn)無擾動切換技術(shù)的集成。根據(jù)控制系統(tǒng)實時性的要求,信息同步技術(shù)需要進(jìn)行高速的信息同步,保證工作部件和冗余部件的同步協(xié)調(diào)工作,實現(xiàn)工作部件故障時及時的無擾動切換。工作部件和冗余的備用部件之間通過高速通信通道實現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的互檢和控制狀態(tài)的同步、使用戶端看到的各種組態(tài)信息、輸出信息和控制參數(shù)等如同是一個部件所有。(2)故障檢測技術(shù)工作部件的故障需要及時被檢測、隔離,因此,在冗余系統(tǒng)中需要采用故障檢測技術(shù)。故障檢測技術(shù)包括故障檢測、故障定位、故障隔離和故障報警等。故障檢測是采用一定的檢測電路對工作部件的供電電源、微處理器、輸入輸出部件和數(shù)據(jù)通信鏈路等進(jìn)行檢測,發(fā)現(xiàn)故障。故障定位用于確定故障的位置,便于故障隔離對其處理,減少故障的影響。在故障定位的同時,故障報警將提示操作員故障已經(jīng)發(fā)生的部位。故障的診斷包括故障的硬件和軟件的自診斷和故障的互檢。(3)故障仲裁和切換技術(shù)故障發(fā)生后,要對故障進(jìn)行判別,分析故障的部位和故障的嚴(yán)重性.對故障進(jìn)行分析、比較和仲裁,確定工作部件和備用部件是否需要進(jìn)行切換。工、備部件的切換應(yīng)高速、安全、正確和無擾動,即一旦發(fā)現(xiàn)工作部件發(fā)生故障(例如掉電、軟件故障、硬件故障或復(fù)位操作等)或工作部件故障比備用部件故障的危害更高時,就需要及時、快速、無擾動地用備用部件替代工作部件,實現(xiàn)工作部件的所有功能,使對生產(chǎn)過程的影響減到最小。同時,應(yīng)及時將故障信息顯示報警,使操作員能夠了解故障部位、故障目前狀態(tài)、處理情況,以有利于對系統(tǒng)的維護(hù)和管理。(4)熱插拔技術(shù)熱插拔技術(shù)要求部件可以在帶電狀態(tài)下進(jìn)行插拔,而不影響系統(tǒng)運(yùn)行。它要求部件被計成自治的小系統(tǒng),它的插拔對系統(tǒng)運(yùn)行的影響最小。熱插拔技術(shù)是降低系統(tǒng)平均修復(fù)時間的重要技術(shù),是實現(xiàn)故障部件快速修復(fù)的技術(shù)。(5)故障隔離技術(shù)故障隔離技術(shù)是使工作和備用部件的故障相互不影響或影響最小的技術(shù),它是保證冗系統(tǒng)有效性的技術(shù)。當(dāng)工作部件或備用部件發(fā)生故障時,該技術(shù)保證故障的部件對其他部件的正常運(yùn)行不影響或影響最小。第三章集散控制系統(tǒng)性能評估二、易操作性集散控制系統(tǒng)的操作包括生產(chǎn)過程操作、組態(tài)和編程操作及維護(hù)和修理操作。集散控制系統(tǒng)的易操作性包括操作透明度、易操作性、容錯技術(shù)、安全性。集散系統(tǒng)易操作性是一個使用性能指標(biāo),它與集散系統(tǒng)的整體性能有密切關(guān)系。1.操作透明度操作透明度(OperatingTransparency)指生產(chǎn)過程的操作信息是否清晰地為操作員所接受和理解,并被應(yīng)用于生產(chǎn)過程操作中去的能力。操作透明度與集散控制系統(tǒng)提供的畫面類型和數(shù)量、每幅畫面中動態(tài)更新數(shù)據(jù)點的數(shù)量、數(shù)據(jù)更新速率、畫面切換速率等有關(guān),與所采用的CPU、內(nèi)存、CRT分辨率等有關(guān)。第三章集散控制系統(tǒng)性能評估二、易操作性2.易操作性(1)操作環(huán)境(2)操作功能

通過操作站實施操作功能。1)顯示功能2)過程監(jiān)視功能3)操作功能:①過程操作,主要是對各個控制回路的操作和對各個控制點的操作;②組態(tài)操作,組態(tài)操作是為系統(tǒng)、回路、報警、趨勢等組態(tài)時進(jìn)行的操作;⑦維護(hù)操作,維護(hù)操作主要是畫面的調(diào)用操作。(3)容錯技術(shù)這里討論的容錯技術(shù)與為提高系統(tǒng)可靠性采用的容錯技術(shù)稍有區(qū)別。后者主要指系統(tǒng)中某部分故障時,系統(tǒng)仍能夠正常運(yùn)行或降級運(yùn)行。前者則指系統(tǒng)運(yùn)行中由于誤操作時,系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。(4)安全性集散控制系統(tǒng)的安全性是指防止非法操作、非法存取所采取的防護(hù)措施,與計算機(jī)、微處理器對安全性的防護(hù)措施類似。集散控制系統(tǒng)最常用的防護(hù)措施如下:1)用戶識別和確認(rèn);2)通信網(wǎng)絡(luò)的安全性;3)功能安全;第三章集散控制系統(tǒng)性能評估三、可組態(tài)性集散控制系統(tǒng)的可組態(tài)性是使用性能指標(biāo)。它與集散控制系統(tǒng)本身具有的組態(tài)軟件、高級控制算法的特點、采用的共享數(shù)據(jù)庫性能、系統(tǒng)程序、應(yīng)用程序和運(yùn)算速度等有關(guān),也與組態(tài)人員的操作技能有關(guān)。對已給定的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),所選集散控制系統(tǒng)能否實施這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu);當(dāng)控制方式、控制方案變化時,該系統(tǒng)能否按照需要的方式過渡,這些都是可組態(tài)性應(yīng)考慮的問題。1.組態(tài)組態(tài)(Configuration)是用集散控制系統(tǒng)本身所提供的功能模塊或控制算法組成所需的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),完成所需功能。操作站的顯示組態(tài)是用集散控制系統(tǒng)提供的組態(tài)編輯軟件組成所需的各種操作顯示畫面。為完成某些特定功能,采用集散控制系統(tǒng)提供的組態(tài)語言編寫有關(guān)程序也屬于組態(tài)操作的范圍。集散控制系統(tǒng)的組態(tài)內(nèi)容有系統(tǒng)組態(tài)、畫面組態(tài)和控制組態(tài):

系統(tǒng)組態(tài)完成組成系統(tǒng)的各設(shè)備間的硬件連接,是用軟件方式描述集散控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成;

畫面組態(tài)完成操作站的各種操作畫面、畫面之間的連接等;

控制組態(tài)完成各分散過程控制裝置和控制器的控制結(jié)構(gòu)連接、參數(shù)設(shè)置等。

趨勢顯示、歷史數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)報表打印及畫面拷貝等組態(tài)內(nèi)容常作為畫面組態(tài)或控制組態(tài)的一部分,也可分開單獨進(jìn)行組態(tài)。(1)功能模塊或算法功能模塊或算法是控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本單元。不同的集散控制系統(tǒng)產(chǎn)品可有不同的名稱,例如,功能模塊(Functionmodel)、控制算法(Controlalgorithm)、內(nèi)部儀表(InternalInstrument)、程序元素(Programelement)等。從可組態(tài)性觀點出發(fā),產(chǎn)品提供的功能模塊數(shù)量是一個評估指標(biāo),但不是主要指標(biāo)。1)功能模塊的參數(shù)功能模塊是集散控制系統(tǒng)制造商提供的系統(tǒng)應(yīng)用程序,它由不同功能的子程序組成。功能模塊通常由結(jié)構(gòu)參數(shù)、設(shè)置參數(shù)和可調(diào)整參數(shù)組成。結(jié)構(gòu)參數(shù)(StructureParameter)包括功能參數(shù)和連接參數(shù);設(shè)置參數(shù)(SetParameter)包括系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)和用戶設(shè)置參數(shù)??烧{(diào)整參數(shù)(AdjustableParameter)分操作員和工程師可調(diào)整參數(shù)。2)組態(tài)數(shù)據(jù)輸入:功能表格法;功能塊圖法;編程語言輸入和程序輸入法。3)可組態(tài)性的評估:功能模塊的靈活性、先進(jìn)性和完善性。4)功能模塊分類:輸入輸出類、控制算法類、運(yùn)算類、信號發(fā)生器類、轉(zhuǎn)換類、信號選擇和狀態(tài)類;同步功能模塊、打印功能……(2)過程顯示畫面過程顯示畫面(Processdisplay)是操作站顯示屏所顯示的畫面,它包括系統(tǒng)畫面、過程操作畫面等。

1)系統(tǒng)畫面系統(tǒng)畫面用于系統(tǒng)維護(hù),通常由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、通信網(wǎng)絡(luò)、各組成設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信息組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)畫面由用戶根據(jù)應(yīng)用項目的不同,輸入有關(guān)硬件型號等數(shù)據(jù)后系統(tǒng)生成。系統(tǒng)維護(hù)畫面一般由系統(tǒng)自己生成。

2)過程操作畫面過程操作畫面是操作員與集散控制系統(tǒng)之間的人機(jī)界面。隨著窗口技術(shù)的應(yīng)用,過程操作畫面已經(jīng)從原來的字符方式轉(zhuǎn)為圖形方式。過程操作畫面包括用戶過程畫面、概貌畫面、儀表面板畫面、檢測和控制點畫面、趨勢畫面及各種畫面編號一覽表、報警事件一覽表等。3)用戶過程畫面的分頁4)用戶過程操作畫面的組態(tài):用戶過程操作畫面的組態(tài)是用集散控制系統(tǒng)提供的過程顯示圖形庫圖形符號、圖形繪制工具和數(shù)據(jù)顯示工具繪制用戶操作畫面。5)趨勢畫面;6)管理畫面;7)優(yōu)化控制畫面;8)回路控制器的畫面組態(tài)第三章集散控制系統(tǒng)性能評估三、可組態(tài)性2.組態(tài)語言組態(tài)語言用于集散控制系統(tǒng)的控制組態(tài)。不同集散控制系統(tǒng)的組態(tài)語言不同。早期的組態(tài)語言大多數(shù)由制造商自行開發(fā),近年來,組態(tài)語言和編程組態(tài)軟件的標(biāo)準(zhǔn)化使用戶學(xué)習(xí)更容易,操作更靈活。(1)功能塊組態(tài)語言1)功能塊組態(tài)語言分類功能塊語言實現(xiàn)類似于單元組合儀表實現(xiàn)的功能。它通常是一個子程序,用戶根據(jù)集散控制系統(tǒng)制造商提供的組態(tài)手冊,填寫功能塊的有關(guān)參數(shù),通過軟連接的方法將各功能塊連接,實現(xiàn)所需功能。其組態(tài)方法類似于IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)編程語言的編程。功能塊處理方法有兩種。一種方法稱為小功能塊語言,它將功能塊的功能盡量分解,例如PID控制、加、減、乘、除等功能塊。另一種方法是大功能塊語言,它將功能塊的功能盡量地全面,例如,PID控制功能塊包含常規(guī)PID控制、前饋—反饋PID控制等,還考慮各種故障時控制器輸出脫落和跟蹤。2)功能塊組態(tài)語言的性能功能塊組態(tài)語言的性能包括功能塊類型、功能、占用存儲容量、執(zhí)行速度等功能塊類型有輸入輸出、控制運(yùn)算、數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、信號發(fā)生、信號轉(zhuǎn)換、信號選擇和狀態(tài)顯示等。不同集散控制系統(tǒng)制造商提供的功能塊類型名稱不同,功能也有差別。隨著標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程,對功能塊標(biāo)推化的呼聲越來越高,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)已經(jīng)采用標(biāo)準(zhǔn)的功能塊實現(xiàn),集散控制系統(tǒng)的功能塊標(biāo)準(zhǔn)IEC61804也被廣泛采納。功能塊的功能是選型時需要重點考慮的。對集散控制系統(tǒng)功能的評價,通常是通過對典型過程的評估實現(xiàn)的。例如,根據(jù)集散控制系統(tǒng)對簡單回路控制、串級控制或前饋—反饋控制、選擇性控制和順序邏輯控制組合的過程控制性能進(jìn)行評估,選用高性價比的產(chǎn)品。(2)面向?qū)ο蟮恼Z言面向?qū)ο蟮恼Z言(ProblemOrientedLanguage)是制造商在集散控制系統(tǒng)軟件中先設(shè)計一系列問題,用戶根據(jù)生產(chǎn)過程要求,對這些問題進(jìn)行回答,并完成相應(yīng)組態(tài)工作的語言。填表式語言是最常用的面向?qū)ο蟮恼Z言;采用指令集的批量控制語言是另一種面向?qū)ο蟮慕M態(tài)語言。(3)高級語言第三章集散控制系統(tǒng)性能評估三、可組態(tài)性3.標(biāo)準(zhǔn)化編程語言為加強(qiáng)編程語言和組態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)化工作,集散控制系統(tǒng)制造商在現(xiàn)有IEC61804-2的基礎(chǔ)上開發(fā)出通用規(guī)范,滿足較復(fù)雜功能模塊的要求。例如,實現(xiàn)閥門特征、傳感器校驗曲線、運(yùn)行趨勢曲線等功能。該通用規(guī)范分為兩部分。第一部分以IEC61804-1《過程控制功能塊》第一部分為基礎(chǔ)制訂,稱為“系統(tǒng)全貌”;第二部分以IEC61804-2《過程控制模塊》第二部分為基礎(chǔ)制訂,稱為“功能塊概念和電子設(shè)備描述語言規(guī)范”。電子設(shè)備描述語有(EDDL)是一種通過工廠主機(jī)從1500多萬種現(xiàn)場設(shè)備獲得診斷、實時和資產(chǎn)管理信息的通用界面。有了EDDL,用戶能夠?qū)x表進(jìn)行組態(tài)、故障診斷,在用戶界面上顯示數(shù)據(jù),確定過程報警,獲得用于諸如MES、UI/SCADA、工廠歷史、資產(chǎn)管理以及ERP等上層軟件的信息。全球所有過程控制系統(tǒng)都支持EDDL。第三章集散控制系統(tǒng)性能評估四、集散控制系統(tǒng)的其他性能指標(biāo)1.可擴(kuò)展性良好的可擴(kuò)展性是集散控制系統(tǒng)的一個重要性能。隨著生產(chǎn)的發(fā)展而擴(kuò)展,如果選用的集數(shù)控制系統(tǒng)有良好的可擴(kuò)展性,系統(tǒng)就能適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需要。(1)可擴(kuò)展性的含義集散控制系統(tǒng)的可擴(kuò)展性表現(xiàn)在下列幾方面:①集散控制系統(tǒng)分散過程控制裝量的機(jī)柜或機(jī)架內(nèi)有足夠空間增加輸入輸出卡件。這些卡件是同一系統(tǒng)產(chǎn)品。此外,CPU應(yīng)有能力對增加的卡件和相應(yīng)的控制算法進(jìn)行處理。②集散控制系統(tǒng)的許多設(shè)備通過通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)系,在生產(chǎn)發(fā)展需要時應(yīng)能方便地增加設(shè)備或刪除設(shè)備。③集散控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)可隨生產(chǎn)的發(fā)展或聯(lián)網(wǎng)的要求而擴(kuò)展延伸。④集散控制系統(tǒng)是全開放結(jié)構(gòu),它允許符合開放系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的其他廠商集散控制系統(tǒng)與其通信,也允許其本身連接到其他廠商的集散系統(tǒng)中。這里,包括現(xiàn)場總線上掛接的現(xiàn)場智能儀表。第三章集散控制系統(tǒng)性能評估四、集散控制系統(tǒng)的其他性能指標(biāo)1.可擴(kuò)展性(2)從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析可擴(kuò)展性集散控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)大多屬于局域網(wǎng),它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有總線型、星形、環(huán)形等。

下面從這些網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在增刪通信設(shè)備時的難易程度分析系統(tǒng)的可擴(kuò)展性:①總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)設(shè)有中繼節(jié)點,信道是共享的,任意兩個節(jié)點之問均可通信。它的網(wǎng)絡(luò)接口比較簡單,增刪節(jié)點十分方便,例如,增加一個節(jié)點時,只需把帶有網(wǎng)絡(luò)接口的工作站(節(jié)點)通過T形接頭插入總線,并將地址通知其他節(jié)點即可。增加節(jié)點過程中,不影響其他節(jié)點的通信,一旦接入后即可進(jìn)行通信。刪除節(jié)點只需把相應(yīng)地址清除即可,連原有的這接線都不必拆除。②主從式星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。為在星形網(wǎng)絡(luò)增加節(jié)點,必須建立一條主站到該新增節(jié)點的專用信道,主站接口也需擴(kuò)充。此外,軟件也需相應(yīng)更改,網(wǎng)絡(luò)通信必須中斷才能完成這些工作,工作量也較大。③環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。分為物理環(huán)網(wǎng)和總線環(huán)網(wǎng)。物理環(huán)網(wǎng)的各節(jié)點在物理上組成環(huán)形,每個節(jié)點都承擔(dān)中繼轉(zhuǎn)發(fā)工作,為增刪節(jié)點,必須把環(huán)的連接打開,因此,網(wǎng)絡(luò)通信中斷。在增刪節(jié)點時受到地域和設(shè)備等限制。一些新的環(huán)網(wǎng)也有采用旁路線的方法來刪除節(jié)點。初始安裝時,先安排若干旁路線以便增加節(jié)點;總線環(huán)網(wǎng)是邏輯上各節(jié)點組成環(huán)形,物理連接是總線型的網(wǎng)絡(luò)。它與總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)類似,增刪節(jié)點比較方便,但由于通信是環(huán)形的,因此,增加節(jié)點時,除了把帶網(wǎng)絡(luò)接口的節(jié)點掛到總線上以外,還需停止網(wǎng)絡(luò)通信。利用建幀命令,把新增節(jié)點加入邏輯環(huán)中。它的優(yōu)點是實時性強(qiáng)。從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析集散控制系統(tǒng)的可擴(kuò)展件,總線型結(jié)構(gòu)具有較好的特性,是目前集散控制系統(tǒng)的主要網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。隨著總線邏輯環(huán)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,為獲得良好的實時性,總線型邏輯環(huán)網(wǎng)的集散控制系統(tǒng)會有發(fā)展第三章集散控制系統(tǒng)性能評估四、集散控制系統(tǒng)的其他性能指標(biāo)1.可擴(kuò)展性(3)通信網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展通信網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展有兩種情況。同類型通信網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展可通過網(wǎng)橋連接。不同類型通信網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展需要通過網(wǎng)間連接器(Gateway)實現(xiàn)。從通信協(xié)議看,它們應(yīng)符合網(wǎng)間互聯(lián)協(xié)議。同類型或不同類型通信網(wǎng)絡(luò)的連接可組成復(fù)合型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如果把基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)作為一個節(jié)點,把它接入另一個基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中,就組成復(fù)合型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。下圖為幾種典型的復(fù)合型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):在集散控制系統(tǒng)中,常見的復(fù)合型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是星形/總線型、總線/總線型結(jié)構(gòu)?,F(xiàn)場總線通信網(wǎng)絡(luò)中常采用星形、樹形(星形/星形)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)與分散過程控制裝置、操作站的總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相結(jié)合組成星形/總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。各上位管理站之間通常是總線型結(jié)構(gòu),它們與下層網(wǎng)絡(luò)可組成總線/總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大,管理和控制的結(jié)合,組成全廠或全公司的計算機(jī)集成系統(tǒng)己成為可能,這也為不同集散控制系統(tǒng)的集成提供了途徑,為此,在集散控制系統(tǒng)選型時需要了解所選系統(tǒng)是否是開放系統(tǒng),符合什么通信協(xié)議等。第三章集散控制系統(tǒng)性能評估四、集散控制系統(tǒng)的其他性能指標(biāo)2.實時性與一般的辦公室自動化所采用的通信網(wǎng)絡(luò)不同,集散控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)要求有快速的實時響應(yīng)能力。例如,辦公室自動化通信網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時間可在數(shù)秒范圍內(nèi),而集散控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時間常需要在數(shù)毫秒到數(shù)百毫秒。為此,選擇集散控制系統(tǒng)時需要考慮其實時性能。(1)通信速率通信的實時性表現(xiàn)為通信負(fù)荷的不確定性,即過程操作正常時,通信量少,一旦運(yùn)行不正常,通信量反而增大。因此,只有高通信速率才能滿足實時性的要求。通信速率與很多因素有關(guān):選用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通信媒體和網(wǎng)絡(luò)接口的傳送速率、存取控制和通信管理的方法等。當(dāng)傳輸距離增加時,為保證通信質(zhì)量,通信速率要下降。如何確定通信速率是否符合工業(yè)生產(chǎn)需要?從理論上講,應(yīng)分析通信過程及通信負(fù)荷的分布,找出通信高峰時生產(chǎn)過程對通信速率的要求,同時對通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析,找出其最低能夠提供的通信速率,若提供的通信速率高于所需的通信速率,則該通信網(wǎng)絡(luò)可以選用。實際選用通信網(wǎng)絡(luò)時,因無法找到最高通信速率,為此,選用集散控制系統(tǒng)的通信系統(tǒng)時,應(yīng)在相同傳輸距離下比較它們的通信速率,選用具有較高通信速率的集散控制系統(tǒng)。(2)媒體存取控制通信網(wǎng)絡(luò)中,為了控制和管理通信網(wǎng)絡(luò),避免發(fā)生通信的碰撞和沖突,采用了媒體存取控制方式來管理通信。

實時性常用響應(yīng)時間來定量描述(響應(yīng)時間:指某一系統(tǒng)響應(yīng)輸人數(shù)據(jù)所需的時間)。當(dāng)某節(jié)點向通信網(wǎng)絡(luò)提出通信要求時,由于通信網(wǎng)絡(luò)是共享的,因此,可能這時有另一節(jié)點正在通信,為此,需要對共享資源進(jìn)行合理調(diào)度,這將影響所提出的通信請求在系統(tǒng)中響應(yīng)的快慢。

媒體存取控制:指節(jié)點在向通信媒體存信息或從通信媒體取信息時的控制規(guī)則。存取控制的總目標(biāo)是保證通信能夠正確和快捷地進(jìn)行。因此,如果某存取控制方法有較高通信信道利用率,它就是較好的,可選用的。但在實時性要求較高時,為保證實時性,只能通過降低信道利用率來滿足實時性的要求。例如,集散控制系統(tǒng)中采用CSMA/CD媒體存取控制方式時,為保證實時性,常常大幅減少信道吞吐量。集散控制系統(tǒng)中,采用的媒體存取控制方式有總線型CSMA/CD、令牌總線及令牌環(huán)媒體存取控制方式等。

總線型CSMA/CD媒體存取控制方式具有算法簡單、可靠性高、各節(jié)點存取平等、在低中負(fù)荷時通信性能好等優(yōu)點,其缺點是實現(xiàn)沖突檢測比較復(fù)雜、重負(fù)荷下性能急劇下降、訪問時間不確定等,因此,適用于低中負(fù)荷通信量的場合;

令牌總線媒體存取控制方式是最有希望用于實時環(huán)境的局域網(wǎng)絡(luò),優(yōu)點是可設(shè)置優(yōu)先級、吞吐量高和對負(fù)荷變化不敏感,缺點是算法較復(fù)雜、價格較貴、存在令牌丟失和維護(hù)問題。為此,一些集散控制系統(tǒng)中采用輕負(fù)荷時按CSMA/CD方式,重負(fù)荷時按令牌總線方式的存取控制;

令牌環(huán)媒體存取控制方式具有在輕負(fù)荷時效率低、重負(fù)荷時效率高的優(yōu)點,但需要復(fù)雜的管理和優(yōu)先級支持,因此,集散控制系統(tǒng)中主要用于高層管理和優(yōu)化層的存取控制。為評價集散控制系統(tǒng)在存取控制方式上的實時性,可比較集散控制系統(tǒng)采用了哪些提高實時性的措施。這些措施包括下列方面:①對于總線型網(wǎng)絡(luò)的主從式存取控制方式,可采用請求選擇法、點名探詢法和它們的結(jié)合方法,如優(yōu)先存取、周期探詢及限定每次通信時間的方法。②對于總線上掛接的各節(jié)點地位平等的系統(tǒng),常采用時間片存取控制方式。為保證各節(jié)點的實時性,限制每個節(jié)點取得的時間片長度,限制總時間周期長短。這樣,在一個時間周期內(nèi),每個節(jié)點總有一個時間片內(nèi)可以通信。當(dāng)某節(jié)點有較高實時性要求時,也可分配兩個或兩個以上時間片。③對于環(huán)形網(wǎng)絡(luò),不論是物理環(huán)或邏輯環(huán),都采用令牌存取控制。這種存取控制保證每個節(jié)點都不會失去通信機(jī)會。加上限制每站的通信時間,設(shè)置優(yōu)先級等,使通信實時性得到保證。④對于采用總線CSMA/CD)存取控制方式的網(wǎng)絡(luò),低、中負(fù)荷時具有較高實時性,為此,常采用降低節(jié)點數(shù)的方法。第三章集散控制系統(tǒng)性能評估四、集散控制系統(tǒng)的其他性能指標(biāo)2.實時性(3)減小無效通信量減小無效數(shù)據(jù)的通信量是提高通信實時性的另一措施。無效數(shù)據(jù)包括正式通信前的呼叫、應(yīng)答,通信后的回答,數(shù)據(jù)包裝及過程中未發(fā)生變化的數(shù)據(jù)的例外報告等。例外報告是提高集散控制系統(tǒng)實時性的有效途徑。生產(chǎn)過程中,過程變量的變化通常較慢,而集散控制系統(tǒng)通信周期在幾十到幾百毫秒,這樣,在兩次通信間隔時間內(nèi),過程變量幾乎未發(fā)生變化,如果將這些毫無變化的數(shù)據(jù)一次次都傳送,必然會加重通信負(fù)荷。因此,例外報告規(guī)定過程變量有一個死區(qū),當(dāng)過程變量的變化量未超過該死區(qū)時,過程變量數(shù)據(jù)不傳送,而將上次傳送的數(shù)據(jù)作為本次的傳送結(jié)果(即數(shù)據(jù)庫內(nèi)容不更新)。只有當(dāng)變化量超過死區(qū)時,才把該過程變量數(shù)據(jù)傳送,并作為新的基準(zhǔn)比較值,這就構(gòu)成例外報告。這種例外報告的方式也被用于數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)采樣等過程。在生產(chǎn)過程平穩(wěn)運(yùn)行時,為避免長期無例外報告的發(fā)生和通信網(wǎng)絡(luò)故障相混淆,集散控制系統(tǒng)中,對例外報告規(guī)定最長不應(yīng)期〔不傳送數(shù)據(jù)的時間)。超過不應(yīng)期時,某過程變量仍沒有例外報告發(fā)生、則系統(tǒng)自動進(jìn)行一次通信傳送,以檢查通信網(wǎng)絡(luò)是否有故障。減小無效數(shù)據(jù)通信量的另一個途徑是數(shù)據(jù)包裝時,減小包裝的有關(guān)數(shù)據(jù)段。例如,將7層標(biāo)準(zhǔn)的通信模型壓縮為3層,采用小MAP協(xié)議等。(4)實時控制的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和多任務(wù)應(yīng)用軟件集散控制系統(tǒng)在軟件設(shè)計方面考慮了實時性要求。采用實時控制的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和多任務(wù)的實時應(yīng)用和操作系統(tǒng)是其特征。采用分布式數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)是提高實時性的一種方法。從數(shù)據(jù)存放方式分類,有集中式、復(fù)制式和分布式三類。集中式數(shù)據(jù)庫把數(shù)據(jù)庫集中在某一節(jié)點,它的存儲代價小,修改方便,但危險集中,需要有良好的通信支持才能使通信網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點都能共享該節(jié)點的數(shù)據(jù)資源,當(dāng)通信量大時會造成通信瓶頸。復(fù)制式數(shù)據(jù)庫在網(wǎng)絡(luò)上的各節(jié)點均復(fù)制系統(tǒng)的完整數(shù)據(jù)庫,它有很高的可靠性,檢索方便,但修改數(shù)據(jù)、保持同步使數(shù)據(jù)庫一致等都較復(fù)雜,且代價較高。在冗余系統(tǒng)才有應(yīng)用。分布式數(shù)據(jù)庫是一組數(shù)據(jù),它在邏輯上屬于同一系統(tǒng),在物理上則分散在通信網(wǎng)絡(luò)的不同節(jié)點上。由于在各個節(jié)點建立了分布式數(shù)據(jù)庫,在數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)可以為其他節(jié)點共享,它有作為自治的專用數(shù)據(jù)資源,大大減小了在通信網(wǎng)絡(luò)中傳送的信息量,提高了實時性。實時數(shù)據(jù)庫中采用數(shù)據(jù)目標(biāo)管理軟件,它對系統(tǒng)中數(shù)據(jù)目標(biāo)的存取與位置無關(guān),大大提高了實時性。根據(jù)任務(wù)對實時性的要求,把任務(wù)分為對實時性要求高的前臺任務(wù)和對實時性要求低或沒有實時性要求的后臺任務(wù)。對前臺任務(wù)采用中斷方式或根據(jù)時間調(diào)度程序定時執(zhí)行。對后臺任務(wù)采用順序執(zhí)行或采用先進(jìn)先出的調(diào)度策略。近年來,以客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)組成的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)已在一些集散控制系統(tǒng)獲得應(yīng)用。與分布式數(shù)據(jù)庫比較,客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)只有一個客戶機(jī)、一個數(shù)據(jù)庫和一個數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),而分布式數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)需要多個服務(wù)器、多個分布在不同節(jié)點上的數(shù)據(jù)庫和多個數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。內(nèi)于客戶機(jī)/服務(wù)器系統(tǒng)的存取無需知道數(shù)據(jù)資源的物理和/或邏輯位置,用戶可透明地訪問程序和數(shù)據(jù),因此,明顯提高系統(tǒng)的實時性。第三章集散控制系統(tǒng)性能評估四、集散控

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