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1、第4章集散控制系统软件结构第1页，本讲稿共31页v现场控制站软件主要完成各种控制功能，包现场控制站软件主要完成各种控制功能，包括回路控制、逻辑控制、顺序控制，以及所括回路控制、逻辑控制、顺序控制，以及所需要的现场需要的现场I/OI/O处理；处理；v操作员站的软件主要执行操作人员所发出的操作员站的软件主要执行操作人员所发出的各个命令、图形与画面的显示、报警的处理、各个命令、图形与画面的显示、报警的处理、对现场各种检测数据的集中处理等；对现场各种检测数据的集中处理等；v工程师站的软件主要完成系统的组态功能和工程师站的软件主要完成系统的组态功能和系统运行期间的状态监视功能。系统运行期间的状态监视功能
2、。第2页，本讲稿共31页v软件分为系统软件和应用软件两大部分。软件分为系统软件和应用软件两大部分。v其中系统软件包括：计算机操作系统、数其中系统软件包括：计算机操作系统、数据库、组态软件和各种高级语言；据库、组态软件和各种高级语言；v应用软件包括：输入输出信号模块、控制应用软件包括：输入输出信号模块、控制模块、逻辑控制模块、通信模块、报警处模块、逻辑控制模块、通信模块、报警处理模块、数据处理模块或数据库、显示模理模块、数据处理模块或数据库、显示模块、打印模块等。块、打印模块等。第3页，本讲稿共31页v4.1 DCS现场控制站的软件 v4.2 DCS操作员站的软件v4.3 DCS工程师站的软件第
3、4页，本讲稿共31页4.1 DCS现场控制站的软件v1.1.实时数据库实时数据库v实时数据库是整个现场控制站软件系统的中心环节。实时数据库是整个现场控制站软件系统的中心环节。v主要任务：将各部分信息（状态、控制、数据）从一个执主要任务：将各部分信息（状态、控制、数据）从一个执行模块传到另一个执行模块，将各通道采集来的数据，以行模块传到另一个执行模块，将各通道采集来的数据，以及网络上传给现场控制站的数据存在实时数据库中。别的及网络上传给现场控制站的数据存在实时数据库中。别的模块需要数据时，直接从实时数据库中获得，运算的中间模块需要数据时，直接从实时数据库中获得，运算的中间结果也存入实时数据库中；
4、另一个作用是实现数据共享。结果也存入实时数据库中；另一个作用是实现数据共享。第5页，本讲稿共31页2.2.功能模块分类功能模块分类(1)(1)输入输出功能模块：模拟量、数字量、脉冲量三大类。输入输出功能模块：模拟量、数字量、脉冲量三大类。(2)(2)控控制制算算法法模模块块:P P、I I、D D、前前馈馈、三三位位、二二位位开开关关、smithsmith预估补偿等。预估补偿等。(3)(3)运算类模块：数学、逻辑、运算、顺控功能运算类模块：数学、逻辑、运算、顺控功能(4)(4)信号发生器类功能模块：产生阶跃、斜坡、正弦、方波、非信号发生器类功能模块：产生阶跃、斜坡、正弦、方波、非线性信号。线性
5、信号。(5)(5)转换类功能模块：对信号整形延时输出另一相应信号转换类功能模块：对信号整形延时输出另一相应信号(6)(6)信信号号选选择择和和状状态态类类功功能能模模块块：信信号号的的多多路路切切换换、高高低低限限以以及报警状态。及报警状态。第6页，本讲稿共31页v(1).(1).输入输出模块输入输出模块v输入与输出类模块输入与输出类模块：v按信号的按信号的类型类型：模拟量、数字量、脉冲量模拟量、数字量、脉冲量v输入功能块：预处理输入功能块：预处理（数字滤波、线性化、开方处理、（数字滤波、线性化、开方处理、工程单位转换、报警界限比较、超限报警、事故报警信工程单位转换、报警界限比较、超限报警、事
6、故报警信号故障报警）号故障报警）v输出功能块输出功能块：自动切换、手动信号输出、控制方式选择、：自动切换、手动信号输出、控制方式选择、输出信号限值比较、超限报警及手自动切换时的跟踪处理输出信号限值比较、超限报警及手自动切换时的跟踪处理第7页，本讲稿共31页v(2).(2).控制算法模块控制算法模块v常规控制算法和高级控制算法常规控制算法和高级控制算法v P P、I I、D D及其组合、改进及其组合、改进v 超前滞后控制算法超前滞后控制算法v 开关开关(逻辑逻辑)控制算法控制算法v 自整定自整定PIDPID控制算法控制算法v 纯滞后的纯滞后的SmithSmith预估控制算法预估控制算法 v 预测
7、控制算法预测控制算法第8页，本讲稿共31页v(3).(3).运算类模块运算类模块v 代数运算代数运算v 信号选择信号选择v 数据选择数据选择v 数据限制数据限制v 报警检查报警检查v 计算公式计算公式v 传递函数模块等传递函数模块等第9页，本讲稿共31页4.2 DCS操作员站的软件v操作员站的软件运行于系统人操作员站的软件运行于系统人-机界面工作机界面工作站、服务器等设备，它主要实现数据采集和站、服务器等设备，它主要实现数据采集和事件分析处理、信息存储和管理、二次计算、事件分析处理、信息存储和管理、二次计算、人机界面监视、远程控制操作及其他的应人机界面监视、远程控制操作及其他的应用功能。用功能
8、。v软件包括：实时多任务操作系统，面向软件包括：实时多任务操作系统，面向过程的编程语言，工具软件，与显示和管过程的编程语言，工具软件，与显示和管理相关的功能模块等。理相关的功能模块等。第10页，本讲稿共31页1 操作系统v操作系统是一组程序的集合，它用来控制计算操作系统是一组程序的集合，它用来控制计算机系统中的用户程序的执行次序，为用户程序机系统中的用户程序的执行次序，为用户程序与系统硬件提供接口软件，并允许这些程序之与系统硬件提供接口软件，并允许这些程序之间交换信息。间交换信息。v（1 1）操作系统的基本组成）操作系统的基本组成 命令解释程序、系统核心、命令解释程序、系统核心、I/OI/O设
9、备驱动软件设备驱动软件v（2 2）操作系统的功能软件）操作系统的功能软件 操作系统提供的功能软件与它的应用领域和操作系统提供的功能软件与它的应用领域和所应用的计算机系统有关。所应用的计算机系统有关。第11页，本讲稿共31页2 面向过程语言v（1 1）FORTRANFORTRAN语言语言广泛应用于科学计算，是第一个高级编程语言。广泛应用于科学计算，是第一个高级编程语言。v（2 2）BASICBASIC语言语言广泛应用于科学和工程计算的面向问题的编程语广泛应用于科学和工程计算的面向问题的编程语言。言。v（3 3）PASCALPASCAL语言语言为教学和开发新的编译器的需要。为教学和开发新的编译器的
10、需要。v（4 4）C C语言语言实时应用领域中最流行的编程语言。实时应用领域中最流行的编程语言。第12页，本讲稿共31页3 操作员站的功能v（1 1）通用显示画面）通用显示画面通用显示通用显示 系统总貌显示、分组显示功能、回路显示、详系统总貌显示、分组显示功能、回路显示、详细显示、报警显示、趋势显示、系统状态显示细显示、报警显示、趋势显示、系统状态显示自定义显示自定义显示 生产流程模拟显示、批控制流程图生产流程模拟显示、批控制流程图 v（2 2）输出打印功能）输出打印功能 操作信息打印、系统状态信息打印、生产记操作信息打印、系统状态信息打印、生产记录和统计报表的打印。录和统计报表的打印。第13
11、页，本讲稿共31页概貌显示画面概貌显示画面 第14页，本讲稿共31页仪表面板显示画面仪表面板显示画面 第15页，本讲稿共31页时间范围前翻半页后翻半页当前显示在数据库中位置本页时间本页描述时间轴时 间 轴指示时间显示全部曲线消隐全部曲线趋势曲线显示画面趋势曲线显示画面 第16页，本讲稿共31页报警显示画面报警显示画面 第17页，本讲稿共31页故障诊断画面故障诊断画面 第18页，本讲稿共31页调整画面调整画面第19页，本讲稿共31页4.3 DCS工程师站的软件v工程师站的功能：进行组态，建立工程师站的功能：进行组态，建立DCS系统、控制系统和系统、控制系统和人机界面。人机界面。v操作员站的人机界
12、面首先在工程师站上组态生成，然操作员站的人机界面首先在工程师站上组态生成，然后下载到操作员站运行。当后下载到操作员站运行。当DCS系统正常运行并达到操系统正常运行并达到操作控制目标后，工程师站的功能更多是实现操作员站的各种作控制目标后，工程师站的功能更多是实现操作员站的各种显示和操作功能，除非在需要修改系统时，才会重新应用工显示和操作功能，除非在需要修改系统时，才会重新应用工程师站的组态功能。程师站的组态功能。vDCS的组态功能是影响一个的组态功能是影响一个DCS是否受用户欢迎的重要因是否受用户欢迎的重要因素。几乎所有素。几乎所有DCS都不同程度支持组态功能。但不同都不同程度支持组态功能。但不
13、同DCS组态方法均不相同。组态方法均不相同。第20页，本讲稿共31页v组态及组态软件的概念组态及组态软件的概念 v“组态”的概念最早来自英文configuration，含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行待定任务，满足使用者要求的目的。也就是通过对软件采用非编程的操作方式，进行参数填写、图形连接和文件生成等，使得软件乃至整个系统具有某种指定的功能。第21页，本讲稿共31页v组态组态二次开发二次开发监控组态软件监控组态软件 v开发商事先开发好一套具有一定通用性的软件开发平台，生产若干种规格的硬件模块（如I/O模块、通信模块、控制模块），然后
14、，再根据用户的要求在软件平台上进行二次开发以及硬件模块的连接。这种软件的二次开发工作就称为“组态”，相应的软件开发平台就称为“监控组态软件”，简称“组态软件”。v“组态”一词既可以用做名词也可以用做动词。第22页，本讲稿共31页v二次开发人员根据具体的系统要求，建立模块（创建对象）然后定义参数（对象属性），最后生成可供运行的应用程序。v组态实际上是生成一系列可以直接运行的程序代码，这些程序代码可以在用于组态的计算机上直接运行，也可以下装到其他的计算机上。v组态可以分为离线组态和在线组态两种。第23页，本讲稿共31页1 软件v工程师站主要功能：组态、绘图和编程。除系统软件外，应工程师站主要功能：
15、组态、绘图和编程。除系统软件外，应用软件分为组态软件、绘图软件和编程软件。用软件分为组态软件、绘图软件和编程软件。v（1）组态软件）组态软件 分为系统组态和应用组态，相应的有系统组态软件和应用分为系统组态和应用组态，相应的有系统组态软件和应用组态软件。组态软件。系统组态软件包括建立网络、定义设备、定义系统信息系统组态软件包括建立网络、定义设备、定义系统信息和分配系统功能。和分配系统功能。应用组态软件用来建立功能模块，并将其构成控制回路，应用组态软件用来建立功能模块，并将其构成控制回路，从而实现各种控制功能。从而实现各种控制功能。应用组态方式可分为：填表式、图形式、窗口式和混合应用组态方式可分为
16、：填表式、图形式、窗口式和混合式。式。第24页，本讲稿共31页v（2）绘图软件）绘图软件 供用户绘制专用操作画面，它提供了多种供用户绘制专用操作画面，它提供了多种绘图工具和各类标准图素。图形和实时数据配绘图工具和各类标准图素。图形和实时数据配合使用来模拟实际的物理装置、测控点和控制合使用来模拟实际的物理装置、测控点和控制回路，再配置声光音响效果、工业电视画面和回路，再配置声光音响效果、工业电视画面和多媒体功能，给人以直观形象和身临其境的感多媒体功能，给人以直观形象和身临其境的感觉。觉。第25页，本讲稿共31页v（3）编程软件）编程软件 目前目前DCSDCS大多采用梯形图和功能块编程语大多采用梯
17、形图和功能块编程语言。言。除此之外，在许多除此之外，在许多DCSDCS中还支持面向问题的中还支持面向问题的语言语言POL(Problem Oriented Language)POL(Problem Oriented Language)和通用和通用的高级语言，如的高级语言，如BASICBASIC、FortranFortran和和C C的编程，的编程，实现一些特殊的控制算法。实现一些特殊的控制算法。第26页，本讲稿共31页2 控制功能组态v几乎所有几乎所有DCS都配置了十分齐全的控制功能，都配置了十分齐全的控制功能，并以独立的控制算法模块的形式提供给用户，并以独立的控制算法模块的形式提供给用户，这
18、些算法模块一般存储在现场控制站的这些算法模块一般存储在现场控制站的EPROM中。要实现一个具体的应用控制，中。要实现一个具体的应用控制，必须用某种方式将所用到的控制算法模块必须用某种方式将所用到的控制算法模块按照控制要求连成合适的结构，并用合适按照控制要求连成合适的结构，并用合适的参数值初始化任务控制模块，才能实现的参数值初始化任务控制模块，才能实现一个具体的控制回路。一个具体的控制回路。第27页，本讲稿共31页（1）控制功能算法控制功能算法v功功能能块块是是一一种种预预先先编编好好程程序序的的软软件件模模块块，用用户户确确定定它它的的参参数，并且通过组态将其连接在一起。数，并且通过组态将其连
19、接在一起。v每每个个功功能能块块完完成成一一种种或或几几种种基基本本的的控控制制功功能能，如如PIDPID控控制制、开开方运算、乘除运算等。方运算、乘除运算等。v功能块的功能块的描述方法描述方法一般归纳为以下几个要点：一般归纳为以下几个要点：*矩形框表达一个功能块；矩形框表达一个功能块；*功能块的输入、输出信号用有向线段来表示；功能块的输入、输出信号用有向线段来表示；*矩形框内的符号代表功能块所实现的功能。矩形框内的符号代表功能块所实现的功能。第28页，本讲稿共31页功能块的应用实例功能块的应用实例 一个采用常规仪表组成的流量控制系统，由变送器、执行器、一个采用常规仪表组成的流量控制系统，由变
20、送器、执行器、开方器、调节器、操作仪表等设备组成。如果采用开方器、调节器、操作仪表等设备组成。如果采用DCSDCS的基本控的基本控制单元来实现流量控制，则只需要选用适当的功能块，通制单元来实现流量控制，则只需要选用适当的功能块，通过组态把它们连接在一起即可。过组态把它们连接在一起即可。第29页，本讲稿共31页（2）控制回路组态 v利用某种方法将适当的控制算法模块连接起来，以完成利用某种方法将适当的控制算法模块连接起来，以完成特定的功能。特定的功能。v各各DCSDCS提供的方法千差万别，最古老的方法就是用填提供的方法千差万别，最古老的方法就是用填表或回答问题的方式，来实现控制算法的组态和功能表或回答问题的方式，来实现控制算法的组态和功能参数的设定；另一种组态方法是用图形（有方块和简参数的设定；另一种组态方法是用图形（有方块和简单的连线）将回路结构和算法名称表示出来，再输入单的连线）将回路结构和算法名称表示出来，再输入各算法的信息。各算法的信息。第30页，本讲稿共31页3 操作画面组态v图形设计图形设计v图形绘制图形绘制v图形对象的动态特性图形对象的动态特性v对象的交互性对象的交互性v组合对象组合对象v动态图形动态图形第31页，本讲稿共31页