集散控制系統(tǒng)

第七章集散控制系統(tǒng)了解OPC技術(shù)在DCS系統(tǒng)中的應(yīng)用特點;理解DCS的結(jié)構(gòu)特點;掌握和利時公司MACS系統(tǒng)現(xiàn)場控制站和操作員站的硬件組成及其功能;掌握和利時公司MACS系統(tǒng)的常用控制算法模塊;掌握DCS控制系統(tǒng)組態(tài)方法。第7章集散控制系統(tǒng)知識目標(biāo)技能目標(biāo)能使用DCS操作員站的鍵盤和軌跡球，實現(xiàn)裝置的流程圖、歷史報表、日志、報警瀏覽;能使用操作員站的工程師區(qū)或工程師站完成控制回路組態(tài)、流程圖生成、系統(tǒng)報警數(shù)據(jù)日志、報表生成、實時曲線、歷史曲線生成等

。7.4DCS的應(yīng)用系統(tǒng)組態(tài)第7章集散控制系統(tǒng)7.1概述7.2DCS的硬件結(jié)構(gòu)7.3DCS的軟件系統(tǒng)第7章集散控制系統(tǒng)

隨著計算機技術(shù)、控制技術(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一種新型控制裝置即集散控制系統(tǒng)。從集散控制系統(tǒng)層次化的結(jié)構(gòu)來看，其最基本的功能就是傳統(tǒng)控制儀表的功能，由于集散控制系統(tǒng)溶入了計算機技術(shù)和通信技術(shù)，因此，集散控制系統(tǒng)還具有過程管理、生產(chǎn)管理和經(jīng)營管理功能。本章主要從過程控制的角度介紹集散控制系統(tǒng)，重點介紹完成實時控制的現(xiàn)場控制站和生成控制回路算法及完成監(jiān)控任務(wù)的操作員站。7.1概述7.1.1集散控制系統(tǒng)的基本概念分散控制系統(tǒng)DCS（DistributedControlSystem）又名集中分散控制系統(tǒng)，簡稱集散控制系統(tǒng)，是一種集計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)和CRT技術(shù)為一體的新型控制系統(tǒng)。集散控制系統(tǒng)通過控制站對工藝過程各部分進行分散控制，通過操作站對整個工藝過程進行集中監(jiān)視、操作和管理。它采用了分層多級、合作自治的結(jié)構(gòu)形式，體現(xiàn)了其控制分散、危險分散，而操作、管理集中的基本設(shè)計思想。目前在石油、化工、冶金、電力、制藥等行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用。7.1.2集散控制系統(tǒng)的特點1.集散控制系統(tǒng)采用層次化體系結(jié)構(gòu)集散控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)分為四個層次，如圖所示。(1)直接控制級直接控制級直接與現(xiàn)場各類設(shè)備（如變送器、執(zhí)行器等）相連，對所連接的裝置實施監(jiān)測和控制；同時它還向上傳遞裝置的特性數(shù)據(jù)和采集到的實時數(shù)據(jù)，并接收上一層發(fā)來的管理信息。(2)過程管理級這一級主要有操作站、工程師站和監(jiān)控計算機。過程管理級監(jiān)視各站的所有信息，進行集中顯示和操作、控制回路組態(tài)、參數(shù)修改和優(yōu)化過程處理等。(3)生產(chǎn)管理級也稱為產(chǎn)品管理級。這一級上的管理計算機根據(jù)各單元產(chǎn)品的特點以及庫存、銷售等情況，實現(xiàn)生產(chǎn)的總體協(xié)調(diào)和控制。(4)經(jīng)營管理級這是集散控制系統(tǒng)的最高級，與辦公自動化系統(tǒng)相連接，可實施全廠的綜合性經(jīng)營管理和決策。2.集散控制系統(tǒng)具有多樣化控制功能

集散控制系統(tǒng)的現(xiàn)場控制站，一般都有多種運算控制算法或其它數(shù)學(xué)和邏輯功能，如PID控制、前饋控制、自適應(yīng)控制、四則運算和邏輯運算等，還有順序控制和各種聯(lián)鎖保護、報警功能。根據(jù)控制對象的不同要求，把這些功能有機地組合起來，能方便地滿足系統(tǒng)的要求。3.集散控制系統(tǒng)操作簡便、系統(tǒng)擴展靈活

集散控制系統(tǒng)具有功能強大且操作靈活方便的人機接口，操作員通過CRT和功能鍵可以對過程進行集中監(jiān)視和操作，通過打印機可以打印各種報表及需要的信息。DCS的部件設(shè)計采用積木式的結(jié)構(gòu)，可以以模板、模板箱甚至于控制柜（站）等為單位，逐步增加。用戶可以方便地從單臺控制站擴展成小系統(tǒng)，或?qū)⑿∫?guī)模系統(tǒng)擴展成中規(guī)模或大規(guī)模系統(tǒng)?？筛鶕?jù)控制對象生成所需的自動控制系統(tǒng)。4.集散控制系統(tǒng)可靠性高、維護方便

集散控制系統(tǒng)的控制分散，因而局部故障的影響面小，并且在設(shè)計制造時已考慮到元器件的選擇，采用冗余技術(shù)、故障診斷、故障隔離等措施，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。DCS的積木式的模板功能單一，便于裝配和維修更換；系統(tǒng)配置有故障自診斷程序和再啟動等功能，故障檢查和維護方便。5.集散控制系統(tǒng)采用局部網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

通過高速數(shù)據(jù)通信總線，把檢測、操作、監(jiān)視和管理等部分有機地連接成一個整體，進行集中顯示和操作，使系統(tǒng)操作和組態(tài)更為方便。集散控制系統(tǒng)配備有不同模式的通訊接口，可方便地與其它計算機聯(lián)用，組成工廠自動化綜合控制和管理系統(tǒng)。隨著DCS系統(tǒng)向開放式系統(tǒng)發(fā)展，符合開放系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的各制造廠商的產(chǎn)品可以相互連接與通信，并進行數(shù)據(jù)交換，第三方的應(yīng)用軟件也能應(yīng)用于系統(tǒng)中，從而使DCS進入更高的階段。7.1.3集散控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

隨著集散控制系統(tǒng)的發(fā)展及其在工業(yè)控制領(lǐng)域越來越多的應(yīng)用，集散控制系統(tǒng)充分表現(xiàn)出比模擬控制儀表優(yōu)越的性能。但是，目前使用廣泛的傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)，用于對工業(yè)生產(chǎn)過程實施監(jiān)視、控制的過程監(jiān)控站仍然是集中式的；現(xiàn)場信號的檢測、傳輸和控制與常規(guī)模擬儀表相同，即通過傳感器或變送器檢測到的信號，轉(zhuǎn)換成4～20mA信號以模擬方式傳輸?shù)郊⒖刂葡到y(tǒng)，這種方式精度低、動態(tài)補償能力差、無自診斷功能。同時，各集散控制系統(tǒng)制造廠商開發(fā)和使用各自的專用平臺，使得不同集散控制系統(tǒng)生產(chǎn)商的產(chǎn)品之間相互不兼容，互換性能差。隨著新技術(shù)的不斷應(yīng)用，以及用戶對集散控制系統(tǒng)使用的更高要求，集散控制系統(tǒng)領(lǐng)域有許多新進展，主要表現(xiàn)在以下幾方面。1.向開放式系統(tǒng)發(fā)展

對于傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)，不同制造商的產(chǎn)品不兼容?；赑C機的集散控制系統(tǒng)成為解決這一問題的開端。PC機具有豐富的軟硬件資源、強大的軟件開發(fā)能力，尤其是OPC（OLEforProcessControl）標(biāo)準(zhǔn)的制定，大大簡化了I/O驅(qū)動程序的開發(fā)，降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本，并使得操作界面的性能得到提高。目前，國內(nèi)已有基于PC機為操作站的集散控制系統(tǒng)產(chǎn)品，可以集成不同類型的集散控制系統(tǒng)、PLC、智能儀表、數(shù)據(jù)采集與控制軟件等。在這種集散控制系統(tǒng)中，用戶可以根據(jù)自己的實際情況自由地選擇不同廠商的產(chǎn)品。2.采用智能儀表，使控制功能下移

在集散控制系統(tǒng)中，廣泛采用智能現(xiàn)場儀表、遠程I/O和現(xiàn)場總線等智能儀表，進一步使現(xiàn)場測控功能下移，實現(xiàn)真正的分散控制。

3.集散控制系統(tǒng)與PLC功能相互融合

傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)主要用于連續(xù)過程控制，而PLC則常用于邏輯控制、順序控制。在實際應(yīng)用時，常常會有較大的、復(fù)雜的過程控制既需要連續(xù)過程控制功能，也需要邏輯和順序控制功能。有些集散控制系統(tǒng)的控制器既可以實現(xiàn)連續(xù)過程控制，也可以實現(xiàn)邏輯、順序和批量控制；有些集散控制系統(tǒng)提供專門的實現(xiàn)邏輯或批量控制的控制器和相應(yīng)軟件；也有的集散控制系統(tǒng)可以應(yīng)用軟件編程來取代邏輯控制硬件，這樣使得集散控制系統(tǒng)和PLC的區(qū)別和界限變得比較模糊。4.現(xiàn)場總線集成于集散控制系統(tǒng)

現(xiàn)場總線的出現(xiàn)促進了現(xiàn)場設(shè)備向數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，并且使現(xiàn)場儀表的控制功能更加強大?，F(xiàn)場總線集成于集散控制系統(tǒng)系統(tǒng)是現(xiàn)階段控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。現(xiàn)場總線集成于集散控制系統(tǒng)可有以下三種方式：（1）現(xiàn)場總線與集散控制系統(tǒng)I/O總線上的集成如Fisher-Rosemount公司的集散控制系統(tǒng)系統(tǒng)DeltaV采用的即是此方案。（2）現(xiàn)場總線與集散控制系統(tǒng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層的集成如Smar公司的302系列現(xiàn)場總線產(chǎn)品可以實現(xiàn)在集散控制系統(tǒng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層集成其現(xiàn)場總線功能。（3）現(xiàn)場總線通過網(wǎng)關(guān)與集散控制系統(tǒng)并行集成這種方式通過網(wǎng)關(guān)連接在一個工廠中并行運行的集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線系統(tǒng)。如SUPCON的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，利用HART協(xié)議網(wǎng)橋連接系統(tǒng)操作站和現(xiàn)場儀表，實現(xiàn)現(xiàn)場總線設(shè)備管理系統(tǒng)操作站與HART協(xié)議現(xiàn)場儀表之間的通信功能。

集散控制系統(tǒng)將采用智能化儀表和現(xiàn)場總線技術(shù)，從而徹底實現(xiàn)分散控制；OPC標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)解決控制系統(tǒng)的共享問題，使不同系統(tǒng)間的集成更加方便；基于PC機的解決方案將使控制系統(tǒng)更具開放性；Internet在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，將使數(shù)據(jù)訪問更加方便?？傊⒖刂葡到y(tǒng)將通過不斷采用新技術(shù)向標(biāo)準(zhǔn)化、開放化和通用化的方向發(fā)展。7.2DCS的硬件結(jié)構(gòu)

從DCS的層次結(jié)構(gòu)考察硬件構(gòu)成，最低級是與生產(chǎn)過程相連的直接控制級，如圖7.1所示。在不同的DCS中，直接控制級所采用的裝置結(jié)構(gòu)形式大致相同，但名稱各異，如過程控制單元、現(xiàn)場控制站、過程監(jiān)測站、基本控制器、過程接口單元等，在這里，統(tǒng)稱現(xiàn)場控制站（FCS）。這一級實現(xiàn)了DCS的分散控制功能，所采用的裝置又稱分散控制裝置，由安裝在控制機柜內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化模件組裝而成。生產(chǎn)過程的各種參數(shù)由傳感器接受并轉(zhuǎn)換送給現(xiàn)場控制站作為控制和監(jiān)測的依據(jù)，而各種操作通過現(xiàn)場控制站送到各執(zhí)行機構(gòu)。有關(guān)信號的模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換、各類基本控制算法也在現(xiàn)場控制站中完成。DCS的各級都以計算機為核心，其中生產(chǎn)管理級、經(jīng)營管理級都是由功能強大的計算機來實現(xiàn)的，沒有更多的硬件構(gòu)成，這里不再詳細介紹。過程管理級由工程師站、操作員站、管理計算機和顯示裝置組成，直接完成對過程控制級的集中監(jiān)視和管理，通常稱為操作員站（OPS）。

DCS的硬件和軟件，都是按模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計的，所以DCS的開發(fā)實際上就是將系統(tǒng)提供的各種基本模塊按實際的需要組合為一個系統(tǒng)，這個過程稱為系統(tǒng)的組態(tài)。采用組態(tài)的方式構(gòu)建系統(tǒng)可以極大限度地減少許多重復(fù)的工作，為DCS的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)保證。DCS的硬件組態(tài)就是根據(jù)實際系統(tǒng)的規(guī)模對計算機及其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行配置，選擇適當(dāng)?shù)墓こ處熣?、操作員站和現(xiàn)場控制站。圖7.2MACS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本節(jié)以和利時公司典型的中小型集散控制系統(tǒng)MACS為例，闡述現(xiàn)場控制站和操作員站的硬件構(gòu)成，如圖7.2所示。圖7.2MACS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)7.2.1現(xiàn)場控制站(FCS)

1.現(xiàn)場控制站功能現(xiàn)場控制站是MACS系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和過程控制的重要站點，一般安裝在靠近現(xiàn)場的地方，以消除長距離傳輸?shù)母蓴_。主要完成數(shù)據(jù)采集、工程單位變換、控制和聯(lián)鎖算法、控制輸出、通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)和診斷結(jié)果傳送到系統(tǒng)服務(wù)器等功能。

2.現(xiàn)場控制站的構(gòu)成

現(xiàn)場控制站由主控單元、智能I/O單元、電源單元和專用機柜四部分組成，其內(nèi)部采用了分布式結(jié)構(gòu)，與系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相連接的是現(xiàn)場控制站的主控單元，可冗余配置。主控單元通過控制網(wǎng)絡(luò)（CNET）與各個智能I/O單元實現(xiàn)連接。現(xiàn)場控制站的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7.3所示。

CNET

AIAODIDOPI回路DEH

單元

單元

單元

單元單元

板模件

圖7.3現(xiàn)場控制站的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

主控單元

主控單元

（1）專用機柜機柜常配有密封門、冷卻風(fēng)扇等，用來安裝現(xiàn)場控制站的各種功能模塊。（2）主控單元主控單元為單元式模塊化結(jié)構(gòu)，它具備較強的數(shù)據(jù)處理能力和網(wǎng)絡(luò)通信能力，是MACS系統(tǒng)現(xiàn)場控制站的核心單元。FM811是能夠支持冗余的雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)(以太網(wǎng))的主控單元，通過以太網(wǎng)與MACS系統(tǒng)的服務(wù)器相連，F(xiàn)M811有ProfiBus-DP現(xiàn)場總線接口，與MACS系統(tǒng)的智能I/O單元通信，自身為冗余設(shè)計，由以下幾部分組成：機殼、無源底板、CPU卡、100M以太網(wǎng)卡（三塊）、FB193多功能卡、電源模塊、FB121DP主站卡、FB194狀態(tài)顯示卡。結(jié)構(gòu)圖如圖7.4所示。

D_LINK網(wǎng)卡

DP通訊接口

設(shè)置站號撥碼

冗余接口

專用鍵盤電源接口

FB193板

DP卡

電源接口

CPU卡

網(wǎng)卡RJ45接口

圖7.4主控單元的背面板圖（3）智能I/O單元

①AI單元該單元是模擬信號輸入單元，是MACS現(xiàn)場控制站的智能I/O單元的一種。它采用智能的模塊化結(jié)構(gòu)，可以對8路模擬信號高精度轉(zhuǎn)換，并通過通信接口(ProfiBus-DP)與主控單元交換數(shù)據(jù)。AI單元主要有三種形式模塊：FM148的輸入每一通道可接入電壓型或電流型信號，8路輸入均有輸入過壓保護，F(xiàn)M148還為現(xiàn)場兩線制儀表提供電源輸入；FM143為八路熱電阻模擬量輸入模塊，可以對8路Cu50型及Pt100型熱電阻模擬信號高精度轉(zhuǎn)換；FM147模塊是8路熱電偶信號輸入單元，可以對8路模擬信號高精度轉(zhuǎn)換。

②AO單元該單元是模擬信號輸出單元，本單元通過現(xiàn)場總線(ProfiBus-DP）與主控單元相連，由單元內(nèi)的CPU對其進行處理，然后通過現(xiàn)場總線(ProfiBus-DP)與主控單元通信。其中，F(xiàn)M151模塊是8路4～20mA/0～20mA/0～5V模擬信號輸出單元。

③DI單元該單元是開關(guān)信號輸入單元。FM161是16路觸點型開關(guān)量輸入模塊，是構(gòu)成MACS系統(tǒng)的智能I/O單元的一種。它采用智能的模塊化結(jié)構(gòu)，模塊的工作電源為+24VDC，現(xiàn)場觸點的查詢電壓為+24VDC，現(xiàn)場信號經(jīng)隔離、調(diào)理后由模塊內(nèi)的CPU對其進行處理，然后通過現(xiàn)場總線(ProfiBus-DP）與主控單元通信。

④DO單元該單元是開關(guān)信號輸出單元。FM171是16路DC24V繼電器開關(guān)量輸出模塊，而FM172是8路晶體管開關(guān)量輸出模塊；構(gòu)成MACS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的多種過程智能I/O單元的基本型號。通過現(xiàn)場總線(ProfiBus-DP）與主控單元相連。由模塊內(nèi)的CPU對其進行處理，然后通過現(xiàn)場總線(ProfiBus-DP）與主控單元通信。

⑤PI單元該單元是脈沖量輸入單元。FM162能實時采集來自現(xiàn)場的8路隔離型電壓信號的脈沖量，實現(xiàn)計數(shù)或測頻功能。FM162的8路測頻和計數(shù)功能可根據(jù)用戶的不同需求由上位機通過設(shè)置用戶參數(shù)實現(xiàn)。用戶參數(shù)由一個字節(jié)組成，字節(jié)的8位分別代表8個通道的工作方式，0表示測頻工作方式，1表示計數(shù)工作方式，每一通道可設(shè)置為測頻功能，也可設(shè)置為計數(shù)功能。允許同一塊FM162既有測頻通道又有計數(shù)通道。

⑥回路調(diào)節(jié)模塊

FM181模塊是一種回路調(diào)節(jié)模塊。采用智能的模塊化結(jié)構(gòu)，利用現(xiàn)場單一的+24V電源，可完成單回路控制功能。

⑦DEH模件

FM146模塊是MACS系統(tǒng)智能I/O單元的一種，應(yīng)用在DEH中。它主要完成伺服閥控制信號的伺服放大、手/自動控制的切換、LVDT信號調(diào)制解調(diào)，LVDT自動調(diào)零調(diào)幅，自檢報警，產(chǎn)生防伺服閥和油動機卡澀的振蕩信號等功能。

FM191電源模塊是一種開關(guān)電源，體積小、重量輕、變換效率高，它為MACS系統(tǒng)現(xiàn)場控制站的智能I/O單元提供+24V電源。模塊具有完善的保護電路。輸入部分模塊采用可熔斷保險絲進行過電流保護，當(dāng)輸入端電流大于3A且持續(xù)時間較長（毫秒級）時，保險絲熔斷，以保護后級電路及器件。模塊還采用防雷擊保護管進行過電壓保護。使用防雷擊器件進行瞬間過電壓保護，主要防止雷電等瞬間高電壓的引入損壞電路。輸出部分使用自恢復(fù)保險絲防止輸出過流損壞輸出級器件，使用壓敏電阻進行輸出過壓保護。（4）電源單元7.2.2操作員站（OPS）

操作員站顯示并記錄來自各控制單元的過程數(shù)據(jù)，是操作人員與生產(chǎn)過程的操作接口。通過人機接口，實現(xiàn)適當(dāng)?shù)男畔⑻幚砗图械纳a(chǎn)過程操作。1.操作員站結(jié)構(gòu)組成

操作員站主要包括主機系統(tǒng)、顯示設(shè)備、輸入設(shè)備、信息存儲設(shè)備和打印機輸出設(shè)備。（1）主機系統(tǒng)主機系統(tǒng)主要實現(xiàn)集中監(jiān)視、對現(xiàn)場直接操作、系統(tǒng)生成和診斷等功能，在同一系統(tǒng)中可連接多臺操作員站，可提高操作性，實現(xiàn)功能的分擔(dān)和后備作用。有的DCS配備一個工程師站，用來生成目標(biāo)系統(tǒng)的參數(shù)等。多數(shù)系統(tǒng)的工程師站和操作員站合在一起，僅用一個工程師鍵盤，起到工程師站的作用。目前大多采用PentiumⅢCPU、256MRAM及以上配置。（2）顯示設(shè)備采用19｀（或19｀以上）的彩色CRT作為操作員監(jiān)視屏幕。每個操作員站可以接一臺或兩臺彩色監(jiān)視器（最多可接入三臺）。多個監(jiān)視器情況下，共用一個專用鍵盤和一個軌跡球，當(dāng)用軌跡球激活屏幕右上角的顯示器小圖標(biāo)（從左到右分別代表CRT1、CRT2、CRT3）時，燈的狀態(tài)要隨之改變。每個屏幕的會話過程是連續(xù)的，即當(dāng)操作員在CRT1會話過程中間切換到CRT2進行會話后又切回CRT1，此時CRT1的會話應(yīng)繼續(xù)切換前的會話，反之也一樣。示。切換到CRT2會話i開始會話1開始會話1結(jié)束會話2開始會話i結(jié)束會話j開始CRT1CRT2圖7.5CRT切換原理（3）輸入設(shè)備

輸入設(shè)備主要有操作員專用鍵盤和軌跡球。專用鍵盤的外觀如圖7.6所示。專用鍵盤分為初始功能鍵和輔助功能鍵。所謂初始功能鍵，是指系統(tǒng)運行的任何時刻，按下該鍵都會引起屏幕基畫面的畫面顯示發(fā)生切換，即切換了本操作臺上的顯示功能。所謂輔助功能鍵，則只能配合初始功能鍵使用，必須在特定畫面顯示時使用，才會發(fā)生相應(yīng)作用。系統(tǒng)將拒絕不配套的輔助功能鍵的使用，并給予適當(dāng)?shù)奶崾尽?/p>

每個對話基本功能都由一個初始功能鍵進入，不管鍵盤處于何種狀態(tài)，初始功能鍵都有效。對每一個對話基本功能的每一步，都有若干相應(yīng)的過程輔助功能鍵或軌跡球操作允許使用，此時如按了不允許使用的過程輔助功能鍵，系統(tǒng)將顯示錯誤圖示：“非法鍵或權(quán)限不夠”。圖7.6專用鍵盤的外觀專用功能鍵部分分為11個區(qū):①趨勢區(qū):“綜合變量”、“開關(guān)量”、“報表記錄”各按鍵分別用于進入模擬量點或開關(guān)量點、及統(tǒng)計計算類型點的趨勢顯示畫面；②日志區(qū)：各按鍵用于進入不同的日志顯示窗口；③列表區(qū)：各按鍵用于進入各種列表顯示窗口；④表格區(qū)：各按鍵用于進入不同的事件表格；⑤事故追憶和事件順序（SOE）區(qū)：各按鍵用于進入開關(guān)量點、模擬量點的事故追憶和SOE趨勢顯示畫面；⑥工程師區(qū)：各按鍵用于進入工程師的功能操作界面；⑦操作員區(qū)：這組鍵專用于操作員調(diào)用控制調(diào)節(jié)窗口（如PID控制器、手操器、開關(guān)手操器、順控設(shè)備、調(diào)節(jié)門和磨煤機操作面板），實現(xiàn)操作畫面和運行方式的切換、設(shè)定值和輸出值的調(diào)整等；⑧監(jiān)視區(qū)：“菜單”按鍵用于進入工藝流程畫面的主菜單，“設(shè)備狀態(tài)”按鍵用于進入整個系統(tǒng)的狀態(tài)畫面；⑨打印區(qū)：各按鍵用于進入打印對話界面；⑩報警監(jiān)視區(qū)：“報警監(jiān)視”、“試驗報警”按鍵用于分別進入普通報警監(jiān)視畫面及具有試驗屬性的報警畫面，另外兩個按鍵用于報警確認(rèn)；用戶自定義區(qū)：有16個用戶自定義鍵，用戶可以通過組態(tài)自定義各鍵代表的圖形。字母數(shù)字鍵部分此部分的鍵碼功能同于普通鍵盤的鍵碼。燈測試鍵：用于測試鍵盤上的燈狀態(tài)；CRT1、CRT2、CRT3鍵：用于最多三個顯示屏之間的切換；這三個鍵是互斥的。鍵的上方有一個指示燈，點亮?xí)r表示該CRT當(dāng)前處于會話狀態(tài)，當(dāng)該工作站只接入一個屏幕時，CRT2和CRT3鍵不起作用，操作員按下CRT2和CRT3鍵時在警告信息區(qū)發(fā)出警告信息。權(quán)限鎖：通過權(quán)限鎖可以定義操作員站的操作權(quán)限。四個位置的標(biāo)志按順時針方向依次為“權(quán)限1”、“權(quán)限2”、“權(quán)限3”

“權(quán)限4”。權(quán)限鎖的每一個位置均有一個狀態(tài)燈，當(dāng)鑰匙位置定位在該位置時點亮，由鍵盤電路實現(xiàn)。具體每一個權(quán)限對那幾個現(xiàn)場控制站進行操作需在數(shù)據(jù)庫控制表中組態(tài)，也可以在線更改。揚聲器功能：發(fā)出至少5種不同的聲音。1種用于錯誤操作提示音響（中頻、兩秒鐘后自動清除，聲音為一長兩短），4種用于報警音響分別對應(yīng)4種級別的報警（1級報警音響為兩短，2級報警音響為一長一短，3級報警音響為短長短，4級報警音響為兩短（與1級報警音響的頻率不同）。軌跡球：可以用來選擇基本功能或功能菜單，如果是基本功能鍵則畫面切換到相應(yīng)的基本功能顯示，如果是功能菜單則打開一個菜單窗口，操作員可進一步選擇該窗口中的基本功能，切換畫面顯示。一旦選擇到基本功能，菜單窗口自動關(guān)閉。用途主要包括以下幾個方面：①基畫面工藝系統(tǒng)選擇②流程圖，模擬圖選擇③第二分畫面屏幕按鈕選擇④重要信息提示顯示及關(guān)閉⑤窗口畫面的關(guān)閉（4）信息存儲設(shè)備有只讀存儲器、隨機存儲器、軟盤、硬盤及磁帶機等。（5）打印輸出設(shè)備一般要配置兩臺打印機，分別用于打印生產(chǎn)記錄報表、報警列表和拷貝流程畫面。可連接1臺彩色硬拷貝機或一臺打印機。2.操作員站功能（1）顯示功能操作站的CRT是DCS和現(xiàn)場操作運行人員的主要界面，它有強大、豐富的顯示功能。①模擬參數(shù)顯示可以以模擬方式（棒圖）、數(shù)字方式和趨勢曲線方式顯示過程量、設(shè)定值和控制輸出量；對非控制變量也可用模擬或數(shù)字方式顯示其數(shù)值和變化過程。②系統(tǒng)狀態(tài)顯示以字符、模擬方式或圖形顏色等方式顯示工藝設(shè)備的有關(guān)開關(guān)狀態(tài)（運行、停止、故障等）、控制回路的狀態(tài)（手動、自動、串級等）以及順序控制的執(zhí)行狀態(tài)。③多種畫面顯示可顯示的畫面如下：總貌畫面圖用于顯示系統(tǒng)的工藝結(jié)構(gòu)和重要狀態(tài)信息；分組畫面用于顯示一組的詳細狀態(tài)；控制回路畫面用于一個控制回路的詳細數(shù)據(jù)顯示，如圖7.7為一個PID控制回路儀表圖；

圖7.7PID操作畫面該PID控制器提供的具體功能有：手動、自動、串級及跟蹤運行方式的切換，設(shè)定值、手動輸出值的調(diào)整，PID參數(shù)的整定等。畫面左邊的三個棒圖分別代表設(shè)定值（S）、過程值（P）和輸出值（O）；設(shè)定值（S）棒的高度為當(dāng)前值相對量程的百分?jǐn)?shù)，如果PID運行于串級狀態(tài)，則設(shè)定棒顯示串級輸入值，在其它運行狀態(tài)下顯示內(nèi)給定值；過程值（P）棒的高度表示過程輸入值；輸出值（O）棒的高度表示輸出值。當(dāng)輸出方式為位置式時，輸出值的取值范圍為0～100；為增量式時，輸出值的取值范圍為-100～100。

畫面右下區(qū)域的三個方框中顯示的內(nèi)容依次為設(shè)定量（S）、過程量（P）及輸出量（O）的當(dāng)前值，各數(shù)值顏色與棒顏色相對應(yīng)。圖7.7PID操作畫面

當(dāng)PID控制器運行于手動、自動或跟蹤狀態(tài)時，設(shè)定值為內(nèi)部給定值；當(dāng)運行于串級狀態(tài)時，顯示為串級輸入值；當(dāng)PID控制器運行于手動狀態(tài)時，輸出值由手動給出；運行于自動和串級狀態(tài)時，由算法結(jié)果給出；運行于跟蹤狀態(tài)時，為跟蹤量點值。當(dāng)偏差報警到來時，左上角燈置亮（呈紅色）；報警消失時，恢復(fù)正常顏色；當(dāng)PID控制器的某運行方式下的狀態(tài)燈呈綠色時，表示控制器處于該方式，圖中表示控制器處于自動方式；若在離線組態(tài)時定義了串級輸入點名，串級允許項為可選項；否則其值置為不允許，為不可選項。流程圖畫面是用模擬圖表示工藝過程和控制系統(tǒng)；每幅圖最多總共可顯示512個模擬量和開關(guān)量，流程圖由背景圖和動態(tài)信息兩部分組成，動態(tài)信息部分包括模擬量和開關(guān)量，圖中可設(shè)置熱點以調(diào)用另一幅畫面；報警畫面用來顯示報警信息和報警列表記錄；設(shè)備狀態(tài)畫面用來顯示DCS系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和工作站狀態(tài)。此外還可顯示各類變量目錄畫面、系統(tǒng)組態(tài)畫面、工程師維護畫面等。

（2）報警功能對操作員站、現(xiàn)場控制站和打印機等進行診斷，發(fā)生異常時，提供多種形式的報警功能，如利用畫面燈光和模擬音響等方式實現(xiàn)報警。（3）操作功能

DCS的操作功能依靠操作員站實現(xiàn)，這些功能有：對系統(tǒng)中控制回路進行操作管理，包括設(shè)定值和PID控制器參數(shù)設(shè)定、控制回路切換（手動、自動、串級）和手動控制回路輸出等；控制報警越限值，設(shè)定和改變過程參數(shù)的上下限報警值及報警方式；緊急操作處理，操作員站提供對系統(tǒng)的有關(guān)操作功能，以便在緊急狀態(tài)時進行操作處理。（4）報表打印功能

DCS的報表打印功能不但減輕了運行人員手工定時抄寫報表的負擔(dān)，而且生成的報表外形美觀，內(nèi)容豐富，極大地方便了生產(chǎn)過程的運行和管理。一般DCS的報表打印功能包括：定時打印各種報表；DCS運行狀態(tài)信息打??；操作信息打印，隨時打印操作員的各種操作，以備需要時檢查；故障狀態(tài)打印，在生產(chǎn)過程發(fā)生故障時，自動打印故障前后一段時間的有關(guān)參數(shù)，作為故障分析的依據(jù)。（5）組態(tài)和編程功能系統(tǒng)的組態(tài)以及有關(guān)的程序編制也是在操作員站完成的，這些工作包括數(shù)據(jù)庫的生成、歷史記錄的創(chuàng)建、流程畫面的生成、記錄報表的生成、各種控制回路的組態(tài)以及對已有組態(tài)進行修改等。7.3DCS的軟件系統(tǒng)DCS軟件系統(tǒng)可分為系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件、通信軟件和組態(tài)軟件四類，具體結(jié)構(gòu)如圖7.8所示。DCS的系統(tǒng)軟件為用戶提供高可靠性實時運行平臺和功能強大的開發(fā)工具，DCS的組態(tài)軟件為用戶提供相當(dāng)豐富的功能軟件模塊和功能軟件包，控制工程師利用DCS提供的組態(tài)軟件，將各種功能模塊進行適當(dāng)?shù)摹敖M裝連接”（即組態(tài)），十分方便地生成滿足控制系統(tǒng)要求的各種應(yīng)用軟件。DCS軟件系統(tǒng)現(xiàn)場控制站應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件1.報警檢測、輸入、輸出2.實時數(shù)據(jù)庫3.連續(xù)過程控制4.順序控制通信軟件組態(tài)軟件操作員站應(yīng)用軟件1.過程畫面顯示、操作和管理2.日志管理、歷史數(shù)據(jù)存儲3.報表打印4.人機接口圖7.8DCS的軟件系統(tǒng)7.3.1現(xiàn)場控制站軟件系統(tǒng)

現(xiàn)場控制站的軟件可分為執(zhí)行代碼部分和數(shù)據(jù)部分，數(shù)據(jù)采集、輸入輸出和有關(guān)系統(tǒng)控制的軟件的程序執(zhí)行代碼部分固化在現(xiàn)場控制單元的EPROM中，而相關(guān)的實時數(shù)據(jù)則存放在RAM中，在系統(tǒng)復(fù)位或開機時，這些數(shù)據(jù)的初始值從網(wǎng)絡(luò)上裝入。執(zhí)行代碼有周期性和隨機性兩部分，如周期性的數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換處理、越限檢查、控制算法、網(wǎng)絡(luò)通信和狀態(tài)檢測等，這些周期性執(zhí)行部分是由硬件時鐘定時激活的；另一部分是隨機執(zhí)行部分，如系統(tǒng)故障信號處理、事件順序信號處理和實時網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收等，是由硬件中斷激活的。

1．實時數(shù)據(jù)庫

現(xiàn)場控制單元的RAM是一個實時數(shù)據(jù)庫，是現(xiàn)場控制站的核心，在這里進行數(shù)據(jù)共享，各執(zhí)行代碼都與它交換數(shù)據(jù)，用來存儲現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)、控制輸出以及某些計算的中間結(jié)果和控制算法結(jié)構(gòu)等方面的信息。

2．輸入輸出軟件

現(xiàn)場控制單元直接與現(xiàn)場設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換，完整的輸入輸出軟件，包括以下幾部分：（1）開關(guān)量輸入模塊成組讀入開關(guān)量輸入數(shù)據(jù)，并進行故障聯(lián)鎖報警檢測。（2）模擬量輸入模塊對模擬量信號進行A/D轉(zhuǎn)換，并根據(jù)需要，進行信號的各種處理如數(shù)字濾波處理等和各種轉(zhuǎn)換成如標(biāo)度變換、開方運算等。（3）模擬量輸出模塊輸出4～20mADC或者1～5VDC模擬信號。（4）開關(guān)量輸出模塊輸出各種規(guī)格開關(guān)量信號。3．控制軟件模塊

DCS的控制功能是由組態(tài)軟件生成，由控制站實施。MACS系統(tǒng)提供的控制算法模塊如表7.1所示。(1)2≤輸入端個數(shù)≤8且懸空的端子不參與運算(2)G1，G2，…，G8分別為輸入I1，I2，…，I8的系數(shù)輸入端（I），輸出端（AV），AV(K)=G1*I1(K)+G2*I2(K)+…+G8*I8(K)加法(1)輸入端（I），輸出端（AV）；2≤輸入端個數(shù)≤8且懸空的端子不參與運算(2)G1，G2，…，G8分別為輸入I1，I2，…，I8的系數(shù)(3)B1，B2，…，B8分別為輸入I1，I2，…，I8的偏置系數(shù)AV(K)=(G1*I1(K)+B1)*(G2*I2(K)+B2)*…*(G8*I8(K)+B8)乘法(1)輸入端（I），輸出端（AV）；2≤輸入端個數(shù)≤8且懸空的端子不參與運算(2)G1，G2，…，G8分別為輸入I1，I2，…，I8的系數(shù)；AV(K)=G1*I1(K)-G2*I2(K)-…-G8*I8(K)減法除法當(dāng)Gx*Ix(K)+Bx≠0時，x(x=2或3，…，8)AV(K)=(G1*I1(K)+B1)/(G2*I2(K)+B2)/(G3*I3(K)+B3)/…/(G8*I8(K)+B8)否則AV(K)=AV(K-1)。(1)輸入端（I），輸出端（AV）；2≤輸入端個數(shù)≤8且懸空的端子不參與運算(2)G1，G2，…，G8分別為輸入I1，I2，…，I8的系數(shù)(3)B1，B2，…，B8分別為輸入I1，I2，…，I8的偏置系數(shù)開方如果IN(K)>=ZC，則AV(K)=GN*(IN(K)**0.5)；否則，AV(K)=0；輸入端（IN），輸出端（AV），GN為系數(shù)，**為冪函數(shù)的符號積分器根據(jù)設(shè)定值與反饋值之差進行調(diào)節(jié)。AV（K）=AV（K-1）±ΔU（K）ΔU（K）=KI×TS×（SV（K）-PV（K））/TI設(shè)定值（SV），過程值（PV）輸出端（AV），積分增益（KI）積分時間（TI），輸入死區(qū)（DI）輸出上限（OT）輸出下限（OB）輸出變化率（OR）動作方式（AD）0：反作用，1：正作用過程值輸入（PV）串級輸入（CS）輸入補償（IC）；輸出補償（OC);跟蹤量點（TP）跟蹤開關(guān)（TS）輸出端（AV）；比例帶（BD）積分時間（TI）；微分增益（KD）微分時間（TD）Si表示是否要采取積分分離措施，以消除殘差當(dāng)|E(n)|>SV時，Si=0，為PD控制；當(dāng)|E(n)|<=SV時，Si=1，為PID控制；從輸入補償端IC進入的值用來對偏差進行加補償。即如果IC端有輸入信號，則E(n)要加上IC端的值（純滯后控制）。從輸出補償端OC進入的值用來對控制量U(n)進行加補償。即如果OC端有輸入信號，則U(n)要加上OC端的值（前饋控制）。比例積分微分控制器輸入端（I1）輸入端（I2）輸出端DV反向輸出端RV輸入死區(qū)（DI），DI≥0取代硬伺服放大器，實現(xiàn)DCS與電動執(zhí)行器直接相連。如果I1(K)-I2(K)DI，則DV=1，RV=0；如果I1(K)-I2(K)-DI，則DV=0，RV=1；如果-DI≤I1（K）-I2（K）≤DI，則DV=0，RV=0伺服放大輸入端（IN），輸出端（AV）比例增益(KG)，時間常數(shù)(TC)該算法可表示為：KG*SAV(S)=————IN(S)1+TC*S其差分方程為：AV(K)=[KG*IN(K)-KG*IN(K-1)+TC*AV(K-1)]/(TS+TC)微分輸入端1（I1）輸入端2（I2）選擇開關(guān)（SW）輸出端（AV）輸出變化率（OR）選擇開關(guān)SW(K)=0時：AV(K)=I1(K)；

SW(K)=1時：AV(K)=I2(K)。在切換發(fā)生時AV以變化率OR逐漸向選定的輸出值靠近，即AV(K)=AV(K-1)+OR*(I2(K)-I1(K))，直到AV(K)=I2(K)；或AV(K)=AV(K-1)+OR*(I1(K)-I2(K))，直到AV(K)=I1(K)；如果代表選擇開關(guān)的點名為空，則AV(K)=I1(K)。無擾切換輸入端（IN）；強制手動開關(guān)（FM），程控自動開關(guān)（PA）；跟蹤開關(guān)（TS）；跟蹤量點（TP）；輸出端（AV）；輸出偏置（BS）；輸出變化率（OR）；輸出上限（OT）；輸出下限（OB）；量程上限（MU）；量程下限（MD）；工作方式（RM）；手動變化率（MR）該算法在自動方式下的計算公式為：AV(K)=IN(K)+BS；手動方式時按手動增減鍵，AV(K)=AV(K-1)±MR×（MU–MD）按快速手動增減鍵，AV(K)=AV(K-1)±OR跟蹤方式時，AV(K)等于跟蹤量點的值。如果AV(K)>OT，AV(K)=OT；如果AV(K)<OB，AV(K)=OB；當(dāng)由手動切換到其它運行方式時，以輸出變化率OR滑向目標(biāo)值。手操器7.3.2操作員站軟件系統(tǒng)DCS中的工程師站或操作員站必須完成系統(tǒng)的開發(fā)、生成、測試和運行等任務(wù)，這就需要相應(yīng)的系統(tǒng)軟件支持，這些軟件包括操作系統(tǒng)、編程語言及各種工具軟件等。1．操作系統(tǒng)

DCS采用實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，其顯著特點是實時性和并行處理性。所謂實時性是指高速處理信號的能力，這是工業(yè)控制所要求的；而并行處理特性是指能夠同時處理多種信息，它也是DCS中多種傳感器信息、控制系統(tǒng)信息需同時處理的要求。此外，用于DCS的操作系統(tǒng)還應(yīng)具有如下功能：按優(yōu)先級占有處理機的任務(wù)調(diào)度方式、事件驅(qū)動、多級中斷服務(wù)、任務(wù)之間的同步和信息交換、資源共享、設(shè)備管理、文件管理和網(wǎng)絡(luò)通信等。2．操作員站上運行的應(yīng)用軟件一套完善的DCS，其操作員站上運行的應(yīng)用軟件應(yīng)完成如下功能：實時數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)管理、日志生成、歷史數(shù)據(jù)庫管理、圖形管理、歷史數(shù)據(jù)趨勢管理、記錄報表生成與打印、人機接口控制、控制回路調(diào)節(jié)、參數(shù)列表、串行通信和各種組態(tài)等。7.3.3DCS控制回路組態(tài)DCS控制回路組態(tài)就是利用DCS系統(tǒng)提供各種控制算法模塊，依靠軟件組態(tài)構(gòu)成各種各樣的實際控制系統(tǒng)。要實現(xiàn)一個滿足實際需要的控制系統(tǒng)，首先進行實際系統(tǒng)分析，對實際控制系統(tǒng)，按照組態(tài)的要求進行分析，找出其輸入量、輸出量以及需要用到的模塊，確定各模塊間的關(guān)系；然后生成需要的控制方案，利用DCS提供的組態(tài)軟件，從模塊庫中取出需要的模塊，按照組態(tài)軟件規(guī)定的方式，把它們接成符合實際需要的控制系統(tǒng)，并賦予各模塊需要的參數(shù)。目前各種不同的DCS提供的組態(tài)方法各不相同，MACS系統(tǒng)提供了順序功能表（SFC）、結(jié)構(gòu)化文本（ST）、功能塊圖（FBD）、梯形圖（LD）、計算公式（FM）和用戶自定義功能塊(UDFB)等六種方案語言，而工程下新建方案頁只能是用戶自定義功能塊(UDFB)，只可選擇ST或FBD方案語言。下面給出兩種常用組態(tài)方式：1.利用功能塊圖（FBD）組態(tài)在工程師操作鍵盤上，通過鼠標(biāo)或鍵盤等操作，調(diào)用各種獨立的標(biāo)準(zhǔn)運算模塊，用線條連接成多種多樣的控制回路。例：操作器控制算法組態(tài)如圖7.9、7.10所示圖7.9操作器組態(tài)

圖7.10操作器參數(shù)輸入對話框

說明：其中FM為操作器的強制手動開關(guān)；PA為操作器的程控自動開關(guān)；TS為操作器的跟蹤開關(guān)；TP為操作器的跟蹤量點。（1）DVAFTER=1為跟蹤狀態(tài)，OPEROUT依每周期變化10的速率滑向AVAFTER。（2）DVAFTER=0，DVMAN=1為手動狀態(tài)，OPEROUT直接受在線操作器調(diào)節(jié)畫面中增減鍵控制。（3）DVAFTER=0，DVAUTO=1為自動狀態(tài)，OPEROUT依每周期變化10的速率滑向OPERIN。（4）若該算法塊中未輸入強制手動開關(guān)、程控自動開關(guān)和跟蹤開關(guān)，則手動/自動跟蹤狀態(tài)可通過在線操作器調(diào)節(jié)畫面中“手動”、“自動”、“跟蹤”按鈕切換。

2.利用順序功能表（SFC）組態(tài)如圖7.11所示，為一個水箱水位控制系統(tǒng)。系統(tǒng)有兩臺水泵P1、P2，一個水箱，兩個液位傳感器。系統(tǒng)要求為：當(dāng)水位低于L2時，兩臺水泵同時啟動盡快地恢復(fù)正常水位；當(dāng)水位高于L2低于L1時，只啟動一臺水泵，為了泵的均衡使用，每當(dāng)只有一臺水泵需要運行時，要求兩臺泵輪流工作；當(dāng)水位超過L1時，兩臺水泵均停止運行。設(shè)：水箱水位為LD01（數(shù)據(jù)庫點）；L1為1500mm，L2為1000mm；P1、(P2)為1時泵啟動，為0時泵停止。圖7.11水箱水位控制圖圖7.12SFC組態(tài)圖

SFC組態(tài)方案如圖7.12所示。方案中，步0為起始步，此時水位高于L1，不執(zhí)行任何動作。一旦水位低于L1（TRANS1），步0轉(zhuǎn)移到步1，執(zhí)行動作，使泵P1運行。這時水位變化有兩種可能：一是水位繼續(xù)下降低于L2（TRANS2），這時應(yīng)使兩臺水泵同時運行，這對應(yīng)步2；另一種可能性是水位上升，直到高于L1（TRANS3），這時兩臺水泵都不工作，對應(yīng)步3。在SFC中，這種情況由選擇序列來完成。這時，方案繼續(xù)執(zhí)行，當(dāng)水位再次高于L2時（TRANS4）或水位再次降低于L1（TRANS5），系統(tǒng)輪流啟動P2，對應(yīng)步4。這時水位變化有兩種可能：一是水位繼續(xù)下降低于L2（TRANS6），這時應(yīng)使兩臺水泵同時運行，這對應(yīng)步5；另一種可能性是水位上升，直到高于L1（TRANS8），這時兩臺水泵都不工作，對應(yīng)起始步0。方案繼續(xù)執(zhí)行，當(dāng)水位再次高于L2（TRANS7）或水位再次降低于L1（TRANS1）時，系統(tǒng)輪流啟動P1，這對應(yīng)步1。本方案不考慮水泵的異常情況，假設(shè)本方案所涉及的各個部件均一直處于正常工作狀態(tài)。

不難看出，SFC能清楚的揭示系統(tǒng)實際操作順序，它不僅簡化了設(shè)計過程，更重要的是加速了故障的診斷過程?？刂葡到y(tǒng)實時運行活動時，可以通過終端屏幕來顯示當(dāng)時動作的步和轉(zhuǎn)移的狀態(tài)。維修人員能清楚地知道現(xiàn)在程序工作在哪一步，一旦發(fā)生順序中斷，很快就能找出故障。同時，SFC方案也很直觀，易于理解。7.3.4流程圖生成DCS是一種綜合控制系統(tǒng)，具有豐富的控制系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)畫面顯示功能。利用工業(yè)流程畫面技術(shù)不僅實現(xiàn)模擬屏的顯示功能，而且使多種儀表的顯示功能集成于一個顯示器。這樣，采用若干臺顯示器即可顯示整個工業(yè)過程的上百幅流程畫面，達到縱覽工業(yè)設(shè)備運行全貌的目的，而且可以逐層深入，細致入微地觀察各個設(shè)備的細節(jié)。DCS的流程畫面技術(shù)支持各種棒圖、歷史圖和趨勢圖等。工業(yè)流程畫面的顯示內(nèi)容分為兩種，一種是反映生產(chǎn)工藝過程的背景圖形（如各種容器的輪廓、各種管道、閥門等）和各種坐標(biāo)及提示符等。這些圖素一次顯示出來，只要畫面不切換，它是不改變的。另一種是隨著實時數(shù)據(jù)的變化周期刷新的圖形，如各種數(shù)據(jù)顯示、棒圖等。此外在各個流程畫面上一般還設(shè)置一些激勵點，它們作為熱鍵使用，用來快速打開對應(yīng)的窗口。

MACS系統(tǒng)圖形組態(tài)軟件采用類似WindowsPainbrush軟件的矢量繪圖方法，為用戶提供了方便的繪圖工具和多種動態(tài)顯示方式，通過圖形操作員可以對現(xiàn)場運行情況一目了然，從而方便地監(jiān)控現(xiàn)場運行。7.3.5歷史數(shù)據(jù)庫及報表生成1.歷史數(shù)據(jù)庫的生成

DCS支持歷史數(shù)據(jù)存儲和趨勢顯示功能，歷史數(shù)據(jù)庫的建立有多種方式，而較為先進的方式是采用生成方式。MACS系統(tǒng)中建立歷史數(shù)據(jù)庫方法，是在工程師站定義應(yīng)用系統(tǒng)中各種趨勢表、事故追憶表、簡化歷史庫表，用戶還可以按自己需要定義表格內(nèi)容。與實時數(shù)據(jù)庫生成一樣，歷史數(shù)據(jù)庫的生成是離線進行的。在線運行時，用戶還可對個別參數(shù)進行適當(dāng)修改。歷史數(shù)據(jù)包括模擬量、開關(guān)量和計算量，它們可分為如下三類：①短時數(shù)據(jù)采樣時間短、保留時間短的數(shù)據(jù)；②中時數(shù)據(jù)采樣時間中等、保留時間中等(例如24h或48h)的數(shù)據(jù)；③長時數(shù)據(jù)采樣時間長、保留時間長（例如長達一個月）的數(shù)據(jù)。2.報表生成DCS操作員站的報表打印功能通過組態(tài)軟件中的報表生成部分進行組態(tài)，不同的DCS在報表打印功能方面存在較大的差異。某些DCS具有很強的報表打印功能，但某些DCS僅僅提供基本的報表打印功能。一般來說，DCS支持如下兩類報表打印功能：(1)周期性報表打印這種報表打印功能用來代替操作員的手工報表，打印生產(chǎn)過程中的操作記錄和一般統(tǒng)計記錄；(2)觸發(fā)性報表打印這類報表打印由某些特定事件觸發(fā)，一旦事件發(fā)生，即打印事件發(fā)生前后的一段時間內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

在MACS系統(tǒng)中報表生成軟件和EXCEL報表工具共同為用戶提供了強大的報表組態(tài)系統(tǒng)，組態(tài)過程采用“所見即為所得”的方式。用戶在報表生成系統(tǒng)中，可利用WINDOWSNT提供的各種輸入方式，在既定的單元格中錄入說明性文字、定義需打印動態(tài)數(shù)據(jù)的點，再根據(jù)需要修改表格格式，即完成了一幅報表的編輯。報表生成系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫生成系統(tǒng)有關(guān)，在進入報表編輯之前必須完成系統(tǒng)庫的生成，報表中定義的動態(tài)點必須在相應(yīng)系統(tǒng)庫中定義過。另一方面，它又與控制方案生成系統(tǒng)有關(guān)，定時打印報表需要用功能塊來驅(qū)動。報表生成過程是指用戶進入報表生成系統(tǒng)，編輯、組態(tài)報表，再進行編譯生成報表文件的過程。用戶可根據(jù)需要將報表文件下裝到各打印站。7.3.6OPC技術(shù)簡介OPC（OLEforProcessControl）即用于過程控制的OLE技術(shù)，是一項面向工業(yè)過程控制的數(shù)據(jù)交換軟件技術(shù)。該項技術(shù)是從微軟的OLE（對象鏈接和嵌入）技術(shù)發(fā)展而來，建立在OLE規(guī)范之上，為過程控制領(lǐng)域應(yīng)用而提供的一種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訪問機制。工業(yè)控制領(lǐng)域用到大量的現(xiàn)場設(shè)備，在OPC出現(xiàn)以前，自動化軟件開發(fā)商需要開發(fā)大量的驅(qū)動程序來連接這些設(shè)備。即使硬件供應(yīng)商在硬件上做了一些小小改動，應(yīng)用程序就可能需要重寫；同時，硬件供應(yīng)商只能以DLL或DDE服務(wù)器方式提供最新的硬件驅(qū)動程序，對于最終用戶來說，就意味著繁重的編程任務(wù)。而且，DLL和DDE是平臺相關(guān)的，與具體的操作系統(tǒng)有密切的關(guān)系，同時，由于DDE和DLL并不是為過程控制領(lǐng)域而設(shè)計的，設(shè)備通知、事件以及歷史數(shù)據(jù)等過程控制領(lǐng)域常見的通信要求，實現(xiàn)起來非常困難。

隨著OPC的提出，這個問題開始得到解決。OPC規(guī)范包括OPC服務(wù)器（OPCServer）和OPC客戶（OPCClient）兩個部分，其實質(zhì)是在硬件供應(yīng)商和軟件開發(fā)商之間建立了一套完整的“規(guī)則”，只要遵循這套規(guī)則，數(shù)據(jù)交互對兩者來說都是透明的，硬件供應(yīng)商無需考慮應(yīng)用程序的多種需求和傳輸協(xié)議，便能夠提供一個功能齊備的應(yīng)用接口。軟件開發(fā)商也無需了解硬件的實質(zhì)和操作過程。到目前為止，OPC標(biāo)準(zhǔn)包含了三個規(guī)范，分別是：實時數(shù)據(jù)存?。∣PCDA）規(guī)范、報警與事件（OPCAE）規(guī)范和歷史數(shù)據(jù)存取（OPCHDA）規(guī)范。其中，實時數(shù)據(jù)存取（OPCDA）最為成熟；報警與事件（OPCAE）規(guī)范和歷史數(shù)據(jù)存?。∣PCHDA）規(guī)范相對較新，多是來自于主要軟件開發(fā)商的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

目前的OPC軟件產(chǎn)品分為兩類：OPC服務(wù)器端軟件和OPC客戶端應(yīng)用軟件。OPC服務(wù)器軟件和整個DCS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖7.13所示?？梢钥闯?，OPCServer軟件的運行環(huán)境與監(jiān)控軟件基本一致。首先兩者都長時間不間斷地運行于控制網(wǎng)的某個操作節(jié)點上，具有相似的硬件環(huán)境和運行方式。其次，兩者的運行都需要讀入系統(tǒng)組態(tài)信息，并且運用相同的網(wǎng)絡(luò)通信模塊。因此，可以認(rèn)為OPCServer和監(jiān)控軟件是運行于同一層次上的軟件。圖7.13OPC服務(wù)器軟件和DCS的結(jié)構(gòu)關(guān)系OPCServer軟件作為一個標(biāo)準(zhǔn)的OPC服務(wù)器，具有其特定的數(shù)據(jù)服務(wù)功能。它提供了訪問DCS系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)OPC接口，并定義了相應(yīng)的OPC數(shù)據(jù)格式。同時，由于該軟件僅僅是一個OPC服務(wù)器，因此在運行時沒有任何操作界面，數(shù)據(jù)服務(wù)均為后臺執(zhí)行。從功能上說，OPCServer就是將從控制網(wǎng)上取得的實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為OPC格式，并用標(biāo)準(zhǔn)OPC接口的方式提供給用戶（即OPC客戶）。

OPC客戶端的應(yīng)用軟件一般是按用戶的要求制定的，因此難以從整個軟件的結(jié)構(gòu)來說明其開發(fā)設(shè)計的思路。但在調(diào)用OPC功能、建立與OPCServer的通信等方面基本采用相同的方法。

圖7.14數(shù)據(jù)流示意圖。7.4DCS的應(yīng)用系統(tǒng)組態(tài)

本節(jié)以和利時公司的MACS系統(tǒng)應(yīng)用為例，說明DCS的應(yīng)用系統(tǒng)組態(tài)的一般方法。MACS系統(tǒng)給用戶提供的是一個通用的系統(tǒng)組態(tài)和運行控制平臺，應(yīng)用系統(tǒng)需要通過工程師站軟件組態(tài)產(chǎn)生，即把通用系統(tǒng)提供的模塊化的功能單元按一定的邏輯組合起來，形成一個能完成特定要求的應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)組態(tài)后將產(chǎn)生應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫、控制運算程序、歷史數(shù)據(jù)庫、監(jiān)控流程圖以及各類生產(chǎn)管理報表。應(yīng)用系統(tǒng)組態(tài)可采用圖7.15所示的流程。前期準(zhǔn)備工作建立目標(biāo)工程數(shù)據(jù)庫組態(tài)數(shù)據(jù)庫基本編譯算法組態(tài)編譯報表組態(tài)報表檢查圖形組態(tài)設(shè)備組態(tài)設(shè)備編譯數(shù)據(jù)庫聯(lián)編事故庫組態(tài)下裝服務(wù)器、操作員站進入在線運行(1)前期準(zhǔn)備工作進入系統(tǒng)組態(tài)前，應(yīng)首先確定測點清單、控制運算方案、系統(tǒng)硬件配置，包括系統(tǒng)的規(guī)模、各站IO單元的配置及測點的分配等，還要提出對流程圖、報表、歷史數(shù)據(jù)庫、追憶庫等的設(shè)計要求。

(2)建立目標(biāo)工程在正式進行應(yīng)用工程的組態(tài)前，必須針對該應(yīng)用工程定義一個工程名，該目標(biāo)工程建立后，便建立起了該工程的數(shù)據(jù)目錄。

(3)系統(tǒng)設(shè)備組態(tài)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件配置通過系統(tǒng)配置組態(tài)軟件完成。采用圖形方式，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上連接的每一種設(shè)備都與一種基本圖形對應(yīng)。在進行系統(tǒng)設(shè)備組態(tài)之前必須在數(shù)據(jù)庫總控中創(chuàng)建相應(yīng)的工程。

(4)數(shù)據(jù)庫組態(tài)數(shù)據(jù)庫組態(tài)就是定義和編輯系統(tǒng)各站的點信息，這是形成整個應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在MACS系統(tǒng)中有兩類點，一類是實際的物理測點，存在于現(xiàn)場控制站和通信站中，點中包含了測點類型、物理地址、信號處理和顯示方式等信息；一類是虛擬量點，同實際物理測點相比，差別僅在于沒有與物理位置相關(guān)的信息，可在控制算法組態(tài)和圖形組態(tài)中使用。(5)算法組態(tài)在完成數(shù)據(jù)庫組態(tài)后就可以進行控制算法組態(tài)。MACS系統(tǒng)提供了符合國際IEC1131-3標(biāo)準(zhǔn)的五種工具：SFC、ST、FBD、LD和FM。(6)圖形、報表組態(tài)圖形組態(tài)包括背景圖定義和動態(tài)點定義，其中動態(tài)點動態(tài)顯示其實時值或歷史變化情況，因而要求動態(tài)點必須同已定義點相對應(yīng)。通過把圖形文件連入系統(tǒng)，就可實現(xiàn)圖形的顯示和切換。(7)編譯生成系統(tǒng)聯(lián)編功能連接形成系統(tǒng)庫，成為操作員站、現(xiàn)場控制站上的在線運行軟件運行的基礎(chǔ)。系統(tǒng)庫包括實時庫和參數(shù)庫兩個組成部分，系統(tǒng)把所有點中變化的數(shù)據(jù)項放在實時庫中，而把所有點中不經(jīng)常變化的數(shù)據(jù)項放在參數(shù)庫中。服務(wù)器中包含了所有的數(shù)據(jù)庫信息，而現(xiàn)場控制站上只包含該站相關(guān)的點和方案頁信息，這是在系統(tǒng)生成后由系統(tǒng)管理中的下裝功能自動完成的。(8)系統(tǒng)下裝應(yīng)用系統(tǒng)生成完畢后，應(yīng)用系統(tǒng)的系統(tǒng)庫、圖形和報表文件通過網(wǎng)絡(luò)下裝到服務(wù)器和操作員站。服務(wù)器到現(xiàn)場控制站的下裝是在現(xiàn)場控制站啟動時自動進行的?，F(xiàn)場控制站啟動時如果發(fā)現(xiàn)本地的數(shù)據(jù)庫版本號與服務(wù)器不一致，便會向服務(wù)器請求下裝數(shù)據(jù)庫和方案頁?！景咐治觥坑肕ACS實現(xiàn)水箱液位串級控制7.4.1水箱液位裝置流程及控制要求某水箱液位裝置如圖7.16所示,貯水箱里水經(jīng)手動閥F1-1通過磁力泵加壓，經(jīng)電動調(diào)節(jié)閥和手動閥F1-7到中水箱，中水箱里的水閥經(jīng)手動閥F1-10流到下水箱；下水箱里的水經(jīng)手動閥F1-11最終又回流到貯水箱。一般要求閥F1-10的開度稍大于閥F1-11的開度；啟動泵時，應(yīng)打開相應(yīng)的水路（打開閥F1-1、F1-2、F1-7）；當(dāng)中水箱和下水箱液位超過警戒液位時，通過溢流管回流到貯水箱。控制要求：下水箱液位盡可能穩(wěn)定,調(diào)節(jié)時間短。7.4.2系統(tǒng)控制方案

下水箱液位受中水箱出水量的影響，而出水量又受中水箱液位的影響，當(dāng)中水箱液位波動較大且頻繁時，由于下水箱滯后較大，采用單回路控制既不能及早發(fā)現(xiàn)擾動，又不能及時反映調(diào)節(jié)效果，為此而把下水箱液位控制器的輸出，作為中水箱液位控制器的設(shè)定值，使中水箱液位控制器隨著下水箱液位控制器的需要而動作，這樣就構(gòu)成了如圖7.16中所示的串級控制系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)的方塊圖如圖7.17所示。圖7.17串級控制系統(tǒng)方框圖7.4.3系統(tǒng)組態(tài)1.工程分析水箱液位串級控制系統(tǒng)需要兩個輸入信號端子和一個輸出端子，因此選用FM148A模擬量輸入模塊和FM151模擬量輸出模塊。FM148A的2通道采集一階液位，F(xiàn)M148A的3通道采集二階液位，調(diào)節(jié)輸出信號由模擬量輸出模塊FM151的1通道送出，去控制電動調(diào)節(jié)閥的開度。DCS的硬件結(jié)構(gòu)如圖7.2所示。2.建立工程圖7.18打開數(shù)據(jù)庫組態(tài)工具（1）打開數(shù)據(jù)庫組態(tài)工具如圖7.18所示，進入數(shù)據(jù)庫組態(tài)界面如圖7.19所示。

圖7.18打開數(shù)據(jù)庫組態(tài)工具圖7.19數(shù)據(jù)庫組態(tài)界面

（2）在數(shù)據(jù)庫總控組態(tài)界面下工具欄下單擊新建工程按鈕，彈出如圖7.20所示添加工程的對話框，添入工程名，單擊確定。工程建立之后可以在c：\hs2000macs組態(tài)軟件下看到新建的工程名。圖7.20添加工程3.編輯數(shù)據(jù)庫圖7.21進入數(shù)據(jù)庫編輯界面

（1）選擇編輯→編輯數(shù)據(jù)庫，在彈出的對話框中輸入用戶名和密碼如圖7.21所示，單擊確定，進入數(shù)據(jù)庫編輯界面。圖7.21進入數(shù)據(jù)庫編輯界面

（2）選擇系統(tǒng)→數(shù)據(jù)操作，單擊確定彈出如圖7.22所示窗口。因為水箱液位串級控制控制系統(tǒng)用到兩個模塊，三個通道，所以只需要編輯三個點號。圖7.22數(shù)據(jù)庫編輯（a）圖7.22數(shù)據(jù)庫編輯（b）

（3）單擊數(shù)據(jù)操作后，選擇模擬量輸入，在右邊選擇項名列表框中選擇我們必須要設(shè)置的項名，如表7.2所示，單擊確定并添加記錄。（4）設(shè)備號即設(shè)備地址，輸入通道為2（FM148），輸出通道為4（FM143），單擊更新數(shù)據(jù)庫按鈕即可保存。（5）單擊數(shù)據(jù)庫編譯→基本編譯，若顯示數(shù)據(jù)庫編譯成功，則數(shù)據(jù)庫組態(tài)完畢。表7.2模擬量輸入項

（4）選擇AO模擬量輸出，按表7.3所示，選擇項名，單擊確定并添加記錄。表7.3模擬量輸出項4.系統(tǒng)設(shè)備組態(tài)（1）按開始→程序→MACS組態(tài)軟件→設(shè)備組態(tài)工具的順序打開設(shè)備組態(tài)工具定義系統(tǒng)設(shè)備。（2）選擇打開新建的工程。（3）選擇編輯→系統(tǒng)設(shè)備，打開系統(tǒng)設(shè)備組態(tài)對話框。（4）選中MACS設(shè)備組態(tài)，擊鼠標(biāo)右鍵選擇添加節(jié)點。（5）在現(xiàn)場控制站、操作員站、服務(wù)站中選擇現(xiàn)場控制站。（6）選中現(xiàn)場控制站，擊鼠標(biāo)