（动力机械及工程专业论文）基于activex技术的虚拟dcs人机界面（mmi）的开发.pdf

力 、 ， 摘要 摘要 传统的d c s 仿真系统的开发多是通过组态工具完成的，不仅工作量大，而且仿真逼真 度不高，难以完成仿真培训的一些高级功能。基于此，本文详细研究和分析了一种新的d c s 仿真系统一虚拟d c s ，并且结合扬卅i - 电厂6 0 0 m w 仿真机组项目，对s i e m e n st x p 控制 系统中的人机界面进行虚拟，将其从昂贵的u n i x 工作站再现到w i n d o w s 平台的p c 机上。 在论文完成期间，按照软件工程的要求，基于a c t i v e x 控件技术、面向对象技术等， 以v c 6 0 作为编程工具，开发出各类一体化显示模块所对应的控件如操作器控件、指示器 控件、曲线控件、报警控件等。这些控件使用简单，连接方便，集中体现了面向对象、组 件化设计的优势，即一次开发，多次使用，独立修改、独立编译。接着根据d c s 组态信息， 由智能软件生成人机界面的主框架，实现动态控件与静态画面的整合。最后通过o p c 技术 对人机界面与虚拟d c s 主控程序进行连接。 实践证明，开发出的虚拟d c s 人机界面逼真度高，易于维护，而且以后可以直接运用 到同类项目的开发中去。缺点就是首次开发周期较长。 关键词：d c s ，仿真，虚拟d c s ，人机界面，面向对象，a c t i v e x ，o p c ，智能软件 ， 。 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a ls i m u l a t i o ns y s t e mo fd c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) i s o f t e n a c c o m p l i s h e db ys o m ec o n f i g u r a t i o nt o o l s i tn e e d sm u c hw o r l o a da n di t sf i d e l i t yi sn o t s oh i g h t h a ti tc a nn o tc o m p l i s hs o m ea d v a n c e df u n c t i o n sd u r i n gt r a i n i n g t h u st h ep a p e rt r a v e r s e sa n d a n a l y s e san e wt y p eo fs i m u l a t i o ns y s t e mo fd c s v i r t u a ld c s ，f u r t h e r m o r e ，its i m u l a t e s m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ( 删i ) o fc o n t r o ls y s t e mo ns i e m e n st x pb a s e do n6 0 0 m w s i m u l a t i o ns y s t e mo ft h es e c o n dy a n g z h o up o w e rp l a n t t h r o u g ht h e s ew o r k ，w es u c c e s s f u l l y r e a p p e a r a n c ei to nw i n d o w sp l a tf r o mu n i x d u r i n gw r i t i n gt h ep a p e r ，w ed i dm u c hw o r k f i r s t l yw ed e v e l o p e d a l lk i n d so fa c t i v e x c o n t r o l sc o r r e s p o n d i n gf o rd i s p l a ym o d u l e ss u c ha so p e r a t o r s ，i n d i c a t o r s ，c u r v e ，a l a r ms e q u e n c e d i s p l a ya c c o r d i n gt oa c t i v e xc o n t r o lt e c h n o l o g y , o b j e c to r i e n t e d ( o o ) t e c h n o l o g ya n ds oo n t h e s ea c t i v e xc o n t r o l sc a nb es i m p l yu s e da n di o i n e d t h i se m b o d i m e n t sa b o v es u p e r o r i t y i n c l u d i n ga c t i v e xc o n t r o la n do ot e c h n o l o g y o n c eaa c t i v e xc o n t r o ii sf i n i s h e d ，i tc a nb eu s e d t i m e sw i t h o u tn u m b e ra n dc a nb ei n d e p e n d e n t l ym o d i f l y e d ，t r a n s l a t e da n de d i t e d s e c o n d l yu s i n g o fk n o w l e d g e w a r e w ec a ng a i nt h em a i nf l a m eo fm m it h a ti sm a d eu po fd y n a m i ca c t i v e x c o n t r o l sa n ds t a t i cp i c t u r e s 0 u rf i n a lw o r ki st oc o n n e c ti tt om a i nc o n t r o ip r o c e s so tv l r t u a lu 乙3 r 、一f 、 b yo p ct e c h n o l o g y i np r a c t i c e ，o u rm m io fv i r t u a ld c sh a sah i g hf i d e l i t y i ta l s oc a nb ee a s il ym a i n t a i n e da n d d i r e c t l yu s e di nl a t t e rp r o j e c t s i t ss h o r t c o m i n gi si t sl o n gp e r i o di nf i r s td e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：d c s ，s i m u l a t i o n ，v i r t u a ld c s ，m m i ，0 0 ，a c t i v e x ，o p c ，k n o w l e d g e w a r e 。二ii-_气 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名日期：幽t 知 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：超叠组导师签名： 日期：z 口，沙 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景 1 1 1d c s 在工业生产过程中的地位 上个世纪七十年代，由于工业控制规模的扩大，控制的复杂程度的增加以及工艺流程连 续性等要求的提高，传统的一些控制方式如电动单元组合仪表、组件组装式仪表等已不能满 足日益发展的工业生产过程。人们需要一种高效可靠，运行和管理方便的控制方式。在这种 背景下产生了集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) ，它的实质就是分散控制、集 中管理。 同集中控制、分散管理的控制方式相比，d c s 安全可靠，不会出现集中控制方式下由于 中央计算机发生故障，整个系统瘫痪的局面，同时，由于采用了集中式管理，检查与排除故 障相对容易了。很快，d c s 几乎吸引了整个工业界，直到现在，它一直占据着工业过程控制 的主流地位。 当前，d c s 在全世界广泛使用，在我国大型电站控制方面有着相当多的应用，可以说， 今后的很长一段时间里，d c s 仍将发挥它的巨大作用。 1 1 2 再现d c s 的重要性和必要性 伴随着工业控制技术、计算机技术、网络技术以及通信技术的发展，d c s 本生的发展也 不断成熟和完善。但由于d c s 是一个庞大的系统，为了保证d c s 的顺利运行，从经济和安全 角度来讲都要求机组运行人员能够熟练采用标准键盘、鼠标或者操作员专用键盘操作流程图 画面和标准的总貌画面、分组画面，要求热控人员有很强的组态与调试能力。为了让运行人 员以及热控人员熟悉d c s ，就必须对真实d c s 进行仿真，再现d c s ，建立一个与真实d c s 逼近的计算机系统，即仿真培训系统。 由此可见，任何运行d c s 的石化、火电、水利等部门和企业，都必须建立相应d c s 的 再现系统。而从目前和今后d c s 的使用状况以及对d c s 提出的新的要求来看，这种d c s 的再现工程无疑仍旧有着巨大的市场。再现d c s 在国民经济发展中的重要性可见一斑。 d c s 经过再现，即可得到d c s 仿真培训系统。d c s 再现工程由来已久，但再现出来的 多半是些传统的仿真培信系统，该系统往往只能对运行人员进行培训。而现时代对仿真培训 系统的要求越来越高，新型仿真系统除了可以对运行人员和热控人员进行培训外，还应具有 对系统进行调试与优化的功能。 ( 1 ) 运行人员培训。随着d c s 的广泛应用及其自动化程度的不断提高，机组运行人员 的操作减少，这样就导致他们对机组操作的生疏感，使得在遇到紧急情况时无法迅速正确处 理。所以，对他们而言，利用仿真机进行定期的仿真培训并非不重要了，而是更加必要了。 因此，新型仿真机首先应该继承传统仿真机的所有有用的功能，包括启停操作、事故处理等， 并在此基础上将新的功能增加进来。也就是说，其对运行人员培训的功能不是减弱了，而是 应该增强了。 东南大学硕士学位论文 ( 2 ) 热控人员培训。与传统仿真系统相比，新型仿真系统最大的特点就是突出了对热 控人员的培训。该系统应该提供以下功能以满足d c s 的运行与组态培训：d c s 仿真模型不再 是简单的黑匣子模型，而是应该能够对实际d c s 系统进行完全的仿真。只有这样，才能使热 控人员对实际d c s 系统进行充分的了解和认识，并通过培训熟练掌握d c s 的运行与组态。 ( 3 ) 系统调试与优化。既然新型仿真系统包含了真实的d c s 系统的仿真，就可以通过 这一功能对实际系统的启动、运行进行调试与优化。为了实现这一目的，就要求仿真数学模 型应为高精度的机理性模型，并能真实地反映单元机组的全工况运行过程。 既然再现d c s 如此重要，那么，怎样再现d c s 呢? 1 1 3 再现d c s 的三种方案及其比较 目前，再现d c s 有三种方案：激励方案、仿真方案和虚拟方案。它们是分别根据d c s 的相应资源而实现的，见图l 一1 。 图1 一i 再现d c s 三种方案 ( 1 ) 激励方案。采用真实d c s 的硬件、软件和网络系统的适当或最小配置，再现d c s ， 产生激励d c s 。激励d c s 具有最高的软硬件逼真度，但软硬件实现成本很高，与对象模型系 统连接较难，无法完成复杂的仿真应用功能。 ( 2 ) 仿真方案。只要d c s 完成控制功能和逻辑设计，就可根据设计图纸进行仿真，产 生仿真d c s 。仿真d c s 是多年来培训仿真系统通常采用的形式，虽然实现成本不高、能完成 复杂的培训仿真应用功能，但软件功能逼真度和可信度相对不够高，跟踪修改较难，几乎不 能完成人员培训功能以外的高级应用功能。 ( 3 ) 虚拟方案。采用对d c s 网络下载文件进行智能编译转换的方式，实现d c s 的平台 转移和再现，产生虚拟d c s 。虚拟d c s 应具有极高的软件功能逼真度，实现成本不高，能完 成复杂的仿真应用功能。 虚拟d c s 的特点是控制参数和算法完全来自于下载文件，使用与d c s 相同的算法、模块、 时间片、位号等，可同步修改更新，软件功能逼真度很高。可以说，虚拟d c s 能够真正有效、 第一章绪论 经济和广泛地应用于人员培训和在线检测诊断，满足火力发电等过程工业数字化的需求。 上述的仿真d c s 、激励d c s 以及虚拟d c s 的逼真度、应用功能和节省投资等三方面指标 符合图l 一2 所示的分布关系。现在来看，虚拟d c s 以其接近激励d c s 的逼真度、接近仿真 d c s 的应用功能和最节省的投资表现出相对的综合优势。 一一 彳。一一3 式 。 ? | | l f 仿真d c s 图1 2三种再现方案结果的综合指标 1 1 4 虚拟d c s 中的人机界面 虚拟d c s 的开发是一个相当大的工程，根据软件工程中的模块化思想，虚拟d c s 的开发 包括功能块的编制、主控调度程序的开发、实时数据库的设计、人机界面设计等诸多方面。 其中，人机界面的设计和开发是虚拟d c s 工程中的重要组成部分。 在虚拟d c s 的界面开发中，要求做到显示的动态和静态图形完全一致，颜色一致，闪动 一致，鼠标和键盘响应一致，曲线和列表显示一致，曲线和列表的重组态一致等。由于人机 界面千变万化，涉及显示风格和复杂组态等d c s 厂家专有的技术，没有理想的计算机技术， 较难完全虚拟出来。本课题将对虚拟d c s 中的人机界面进行研究和开发。 1 2 国内外研究现状 进入上个世纪九十年代，西方发达国家能源发展l 乎处于停滞：状态，新电厂建设减少。 冈此它们的电厂仿真机二 业相应地因为没有足够的市场而纷纷关闭。而进入这个阶段以后， 中国的电厂仿真机的发展却成了一支独秀。在1 9 8 8 年中国国家能源部发出“关于发展火电机 东南大学硕士学位论文 组模拟培训装置的通知 之后，d c s 仿真培训系统的广阔市场吸引了国外众多的知名工控 企业以及国内相当数量的d c s 开发公司和科研院校。 多年来，国外仿真系统都采用激励d c s 的方式，国内仿真系统都采用仿真d c s 的方式。 近来，实时计算机仿真和控制系统技术及智能编译软件技术的研究和发展，已能提供虚拟 d c s 解决方案。国内的相应研发已经起步，而美国、德国的一些仿真控制系统研发机构已经 提供完整的虚拟d c s 软件包。这些使得虚拟d c s 有了较大的发展，但到目前为止，市场上 还没有一套无论在技术、性能和价格等方面被普遍接受的虚拟d c s 。 计算机技术、网络技术、通信技术的迅速发展为虚拟d c s 的拓补方式提供了硬件环境， 模块化思想、面向对象方法、u m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) 语言，c o m ( c o m p o n e n to b j e c t m o d e l ) 、d c o m ( d i s t r i b u t e dc o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 、a c t i v e x 、o p c ( o l ef o rp r o c e s s c o n t r 0 1 ) 等技术以及v c 、v b 、b c 等开发工具为新型虚拟d c s 软件开发提供了软件环境。 随着微软w i n d o w s 操作系统的普及，微软的组件技术得到了越来越多的认同，由此产生 了虚拟d c s 人机界面的一种新型开发方式，即基于组件技术的虚拟d c s 人机界面实现。这种 方式具有相当的难度，但却是切实可行的，也是多学科交叉的必然结果。本课题采用的正是 这种基于组件技术的人机界面开发方式。 1 3 课题的主要内容 德国s i e m e n s 公司是一家著名的集散控制系统( d c s ) 公司，该公司开发的t e l e p e r mx p 在全世界有着广泛的应用，在我国大型电站控制方面占有相当多的应用，扬州二电厂就是使 用s i e m e n st x p 的众多热电厂之一。根据扬州二电厂6 0 0 m w 机组仿真项目的要求，我们采用 新型的基于组件的编程方式对s i e m e n s 公司u n i x 平台下的t x p 进行虚拟，开发t x p 的虚拟 软件v t x p ( v i r t u a lt x p ) ，实现对运行人员、热控人员的培训等。 本文结合扬州二电厂6 0 0 m w 机组的仿真项目实践，对虚拟t x p 中的人机界面进行研究和 开发。本课题的主要内容有： ( 1 ) 完成虚拟d c s 界面中各类一体化显示模块的开发、测试和应用。一体化的显示模 块包括动态显示数据、页面切换按钮、动态曲线、棒状图、报警事件记录列表、开关量操作 器、模拟量控制器、数值指示器、状态指示器等等。 ( 2 ) 完成人机界面框架的设计，将动态控件与静态画面结合起来。 ( 3 ) 完成人机界面与服务器中的数据连接。这里计划采用o p c ( o l ef o rp r o c e s s c o n t r 0 1 ) 作为客户机与服务器的通信协议。 1 4 课题的难点 目前的火力发电厂采用的分散控制系统( d c s ) 是干差万别的，如美国西屋的w d p f 、贝 利公司的i n f i 一9 0 、日本横河的c e n t u m 、德国西门子的t x p 。这些系统各有特色，其界面和 操作风格差别相当大，并且应用的平台各种各样，系统越来越复杂。虽然通用的软件运行稳 定可靠，但其价格昂贵，而且修改困难，不能满足具体的仿真要求。 基于组件的编程方式能够最大限度地满足开发要求。进一步说，我们在虚拟d c s 人机界 面开发中使用了微软的一种高级组件技术，即a c t i v e x 控件技术。 a c t i v e x 控件技术是一门综合技术，它涉及到c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 和lo l e 第一章绪论 ( o b j e c tl i n k i n ga n de m b e d d i n g ) 的许多技术精华，同时也与w i n d o w s 操作系统紧密结合 起来，可作为w i n d o w s 标准控件的一种扩充机制。当我们将a c t i v e x 控件嵌入到显示页面中 时，它的活动周期即为页面的活动周期，页面启动时，a c t i v e x 控件被创建，当页面关闭 时。a c t i v e x 控件被撤销。a c t i v e x 控件的应用范围为当前图形页面。如果设置时间触发器， 在一定的时间间隔内可以不断调用控件的方法和属性，使数据能得到及时的更新，实现数据 的实时处理。 随着监控系统的模块化和网络化日趋明显，a c t i v e x 技术在数据通信方面有其强大的 优势网络中任何遵循a c t i v e x 技术规范的应用程序与c o m d c o m 对象可以相互控制， 相互通信，这种交互意味着a c t i v e x 客户可以共享a c t i v e x 服务器提供的特定服务，而不 仅仅是单一数据交换。 目前，很多开发工具都支持a c t i v e x 控件的开发，这使得程序员可以利用自己熟悉的开 发语言来开发a c t i v e x 控件，任何能通过编程来完成的任务都可写成一个或多个a c t i v e x 控件。用户不仅可以自己创建a c t i v e x 控件，而且也可以直接使用第三方程序开发者提供的 a c t i v e x 控件。利用a c t i v e x 技术开发人机界面，生成各类一体化显示模块，这些模块只需 一次开发，能够实现多次使用。可见，a c t i v e x 技术在虚拟d c s 界面的开发中有着广泛的应 用前景。 a c t i v e x 控件等技术上是开发虚拟d c s 人机界面的可靠保障，虽然如此，这种开发还是 具有相当的难度，表现在以下几个方面： ( 1 ) 人机界面框架结构的建立。 ( 2 ) 人机界面和主控调度程序之间的通信。 ( 3 ) 各类动态元素的抽象与归类。 ( 4 ) 较为复杂的报警事件记录列表统计处理。 针对上述问题，解决的方法就是深入理解a c t i v e x 技术的特点，对各类显示模块分门别 类，掌握其中的关键和细节，理清思路，一一开发各类功能模块所对应的a c t iv e x 控件。 东南大学硕士学位论文 o _ 第二章d o s 和虚拟d o s 2 1d c s 体系结构 分散控制系统是纵向分层、横向分散的大型综合控制系统。它以多层计算机网络为依托， 将分布在全厂范围内的各种控制设备和数据处理设备连接在一起，实现各部分的信息共享和 协调工作，共同完成各种控制、管理及决策功能。图2 一l 所示为一个分散控制系统的典型 结构，系统中的所有设备分别处于四个不同的层次，自下而上分别是：现场级、控制级、监 控级和管理级。 d c s 的发展经历了三代，1 9 7 5 年至8 0 年代前期为第一代产品，8 0 年代中期至9 0 年代 前期为第二代产品，9 0 年代中期至2 1 世纪初为第三代产品。三代产品的区别，可从d c s 的 三大部分，即控制站、操作站和数据通信网络的发展来判断。 管理级 监控级 控制级 现场级 图2 一1 分散控制系统的典型结构 2 1 1d c s 控制站 d c s 系统中，控制站继承了d d c ( d i r e c td i g i tc o n t r 0 1 ) 技术，它是一个完整的计算 机，实际运行中可以不与操作站及网络相连的情况下，完成过程控制策略，保证生产装置正 常运行。从计算机系统结构来说，控制站属于过程控制专用计算机，其特点是第一代采用8 位微处理器，第二代采用1 6 位微处理器，第三代采用3 2 位微处理器，这对于中小型d c s 控制器来说比较确切。大型d c s 控制站对中央处理器要求较高，必须为专用的处理器，准 1 6 位和准3 2 位运算方式：第二代d c s 控制站采用精减指令系统( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e t 6 第二章d c s 和虚拟d c s c o m p u t e r ，r i s c ) ；第三代d c s 控制站采用多c p u 分别用于控制运算、冗余切换、通信等操 作。 控制站作为个完整的计算机，它的主要i o 设备为现场的输入、输出处理设备，以及过 程输入输出( pi o ) ，包括信号变换与信号调理，a d 、d a 转换。它在第二代和第三代产 品中已陆续采用了嵌入式技术，并采用单片机等完成量程调整、远程i o 数据传输、小型化、 减少pi o 卡硬件规格等功能，直到连接智能人的现场变送器或接受采用现场总线技术的数 字信号。在信号变换过程中采用隔离技术以防止来自现场的干扰信号，这是至关重要的：与 现场连接的端子及输入、输出信号的物理位置的方便确认也是用户非常关心的。这些在d c s 控制站的更新换代中，都有很大改进。在这方面，原来生产自动化仪表的厂家表现尤佳，所 以说d c s 是继承了自动化仪表技术的计算机系统。 关于d c s 控制站的系统软件，原则上也有实时操作系统、编程语言及编译系统、数据库 系统、自诊断系统等，只是完善程度不同而己。第一代d c s 控制站的功能更近似于多回路调 节器，而且每个控制站都可以配置人机界面和备用操作器：第二代d c s 控制站的实时操作系 统及程序编译系统比较完整，编程语言有面向过程语言和高级语言，控制策略的组态由操作 站或工作站在与控制站联机的情况下，完成编译和下装：第三代d c s 控制站的系统软件齐全， 操作站或二 程师站可以完成离线组态及在线修改控制策略。 为了完成控制策略，实现对应功能模块及模块之间连接的功能，可构成反馈控制回路， 这在三代d c s 控制站中变化不大，而且是不断积累完善的过程，如p i d 算法等典型的数值计 算就是如此。目前典型的功能模块有5 0 多种，这是d c s 厂家的专有技术。对于顺序控制和 批量控制组态编程，各种d c s 控制站采用不同的方法，直到近年来才向i e c 6 1 1 3 1 3 编程语 言标准靠拢。 d c s 系统的数据主要来自现场的信号和各种变量，在控制站中表现为与： 位号对应的相 关测量值( p v ) 、设定值( s v ) 、操作输出值( m v ) 及回路状态等。这些数据被采集到d c s 控制站相应的存储器里，构成实时数据。其他属于与工位号有关的组态信息，如量程、工程 单位、回路连接信息、顺序控制信息等，也在控制站中存储，但同时必须在操作站或工程师 站中存储，而且有映像关系。至于历史数据存储，一般不是在d c s 控制站完成。 在完善d d c 直接数字控制技术中，对a d 、d a 转换及控制算法，分别引入扫描周期和 控制周期概念，在第二代、第三代d c s 控制站中，扫描周期可以比缺省值的l s 更短，如可 以选用0 2 、0 5 s ，以满足少数快速反应的控制对象的要求。 对于第一代、第二代d c s 控制站，为了完成回路控制以外的顺序控制、批量控制及数据 采集，分别开发了不同型号、规格的控制站产品：而第三代控制站因为其功胄丹匕k 1 4 区e l 强大，对开 关量和模拟量处理能力很强，所以般不做区分。大型d c s 的一台控制站可以完成上百个回路 的控制，其容错技术完善，可靠性、安全性强，所以“分散控制以消除危险”的初衷已很难 体现。当然，对于一个有多套工艺装置和一个中控室的工厂，每套装置就近安装一台控制站 的大系统来说，这也是一种分散型控制，只是对控制站的可靠性要求更高了。 中小型d c s 控制站，以控制1 6 - 3 2 回路为限、分散性较易为人们所接受。目前小型d c s 所占有的市场，已逐步与p l c 、i p c 、f c s 共享，今后小型d c s 可能首先与这3 种系统融合， 而且“软d c s ”技术将首先在小型d c s 中得到发展。 控制站是整个d c s 的基础，它的可靠性和安全性最为重要，死机和控制失灵的现象是绝 对不允许的，而且冗余、掉电保护、抗干扰、构成防爆系统等方面都应很有效而可靠，才能 满足用户要求。多年的实践经验证明，绝大多数厂家的d c s 控制站是能够胜任用户要求的。 东南大学硕士学位论文 2 1 2d c s 操作站 d c s 操作站具有操作员功能、工程师功能、通信功能和高级语言功能等，其中工程师功 能中包括系统组态、系统维护、系统通用( u t i l i t y ) 功能。 实际的d c s 操作站是典型的计算机，它与控制站不同，有着丰富的外围设备和人机界面。 7 0 年代中期，c r t 显示器技术已成熟，以外部存储器温氏硬盘为特征，第二代d c s 操作站还 具有如下特点：操作站和工程师站( 或称工作站) 分开，也有公司将操作站的历史数据存储 用硬盘( 历史模件) 和高级语言应用站( 应用模件) 分别独立挂在通信网络上；操作系统除 采用d o s 系统以外，的产品采用u n i x 等操作系统；实时数据库储存性能逐渐完善：在人机 界面方面，逐渐过渡为以g u i 图形用户界面为平台并采用鼠标、组态时制作流程图和控制回 路图等采用菜单、窗口、c a d 技术等，使人机界面友好。第三代d c s 操作站是在个人计算机 ( p c ) 及w i n d o w s 操作系统普及和通用监控图形软件己商品化的基础上诞生的，面对用户要 求的d c s 系统应具有开放性、便于系统集成和操作、与w i n d o w s 一致等。目前大多数d c s 操作站已采用高档p c 机或控机，w i n d o w sn t ( 或w i n d o w s9 8 ) 操作系统，客户机服务器( c s ) 结构，d d e ( 动态数据交换) 或o p c ( 用于过程控制对象链接嵌入) 接口技术，以太网接口 与管理网络相连。在采用通用监控图形软件( 如i f i x 、i n t o u c h 等) 这一点上，和d c s 厂家 做法不一，有的以此为平台，形成“软d c s ”操作站，这多用于中小型d c s ，或以此类软件 为核心，进行二次开发：大多数d c s 厂家对原来的组态软件进行改造，使之符合上述特点， 满足系统开放要求。操作站要实现其多项功能，必须完成数据组织和存储两方面任务，如与 工位号相关的一些数据，在操作站中要对由控制站某端与现场仪表相连的、由物理位置而决 定的工位规定工位号( 即特征号或标签t a g ) 和工位说明( 可以用汉字) ，使之与工艺对象 一致，以保证工艺操作人员的操作。工位号可以在整个d c s 系统中通用。其他还有系统配置、 操作标记、趋势记录、历史数据管理、总貌画面组态、控制站组态、工艺单元或区域组态等， 这些均组织成文件，最终形成数据库，存储在硬盘相应区域，使数据具有独立性和共享性， 保证数据的完整性和安全性。 d c s 系统组态、操作站组态、控制站组态均有相应软件，为d c s 用户的工程设计人员提 供人机界面。在工程设计中，第一代、第二代d c s 均采用先让d c s 用户的工程设计人员填写 工作单或绘制组态图( 或称s a m a 图) ，再在操作站或工程师站上键入生成，形成应用软件， 同时拷贝出软盘的方式。在第三代d c s 中，逐步向无纸化和p c 机上完成工程设计的方式过 渡。 操作员的操作主要依靠流程图画面和标准的总貌画面、分组画面等，采用标准键盘、鼠 标和操作员专用键盘，这是d c s 的特点，要经过专门培训才能被工艺操作人员接受。在多屏 幕的情况下，操作的最后有效原则、各屏幕画面等同化显示及按工位号调用或按专用键调出 画面的速度或画面定时刷新问题，报警按时序显示记录问题，都陆续得到解决。操作站死机 现象时有发生，当然这与d c s 制造工艺、用户使用操作等都有关系，但从操作站的操作系统 上解决问题才是彻底的方法。目前，这个问题已经不严重，但要彻底解决，还有待时日。 2 1 3 数据通信网络 在d c s 系统诞生时，主要解决一个生产装置中几个控制站和一个或几个操作站之间的数 据通信问题：第二代d c s 则解决多个装置的d c s 互联问题；第三代d c s 则解决一个工厂的多 个车间互联及与全厂计算机管理网络互联的问题，这是总的设计思想。 第二章d c s 和虚拟d c s 在实际应用中，如石化行业，d c s 一直多用在一个生产装置范围内的多机通信系统中， 而且控制站和操作站均集中放置在控制室内。电力行业、冶金行业、自来水行业则将控制站 分散放在楼上、楼下、生产线上或分散的域处，与集中放置操作站的控制室总距离一般也多 在i k m 以内。由于计算机网络系统技术的发展，全厂各生产车间用d c s 的通信总线相连的实 例较少，所以在第三代d c s 中d c s 通信功能的发展是与全厂管理网络( 以太网) 技术相融合， 逐渐实现通信网络由多重结构向扁平化过渡，所以，第三代d c s 的通信系统特点是具有开放 性。 d c s 系统的规模与通信能力有关系，但是用这作为划分第一、二代d c s 的方法还不妥， 应该说第一、二代d c s 的信道和传输速率有变化，即第一代d c s 采用双绞线信道或同轴电缆， 速率在i m b s 以下，第二代d c s 采用同轴电缆或光纤，通信速率为l - l o m b s 。也有人认为， 第一代d c s 通信为数据高速公路，第二代d c s 通信为局域网。有些d c s 厂家还把d c s 系统构 成多种总线互联的结构，如h o n e y w e l l 公司把7 0 年代的d h w ( d a t ah i g hw a y ) 总线经h g 与 l c n 相连，u c n 总线经n i m 与l c n 相连，年来又将l c n 改造成t p n ( t p s 过程网络) ，这样同 时解决了7 0 、8 0 、9 0 年代产品的互联问题，既保证了系统的扩展性，又保护了用户的初期 投资。 至此，已经看出d c s 通信问题的复杂性，在7 0 年代中期，数字通信已开始普及，但仅 限于电信行业，业用户迫切要求成套地提供d c s 系统，而当时只有一些大的计算机厂家提出 数据传输规程( 协议) ，并无统一的数据通信标准，所以各d c s 厂家都以专利形式发表( 或 购买) d c s 通信技术。因为数据通信标准牵涉到网络结构、通信介质( 信道) 、通信协议、 不同用户行业的行规等方面，所以直至目前也没有工业( 或过程工业) 网络的完整的统一标 准。当然到目前为止，i e e e 8 0 2 4 令牌总线传输方式和i e e e 8 0 2 5 令牌环网传输方式的通信 协议在d c s 系统中应用最广；国际标准化组织( i s o ) 提出的开放系统互联( o s i ) 参考模型 即i s o o s i7 层模型，规定了通信过程分段和网络功能分层，这是们讨论d c s 通信标准化或 开放性的共同语言，仅此而己! 这使人们想起了近来通过的i e c6 115 8 标准中包括了8 种类 型现场总线的现实，再想想现在第三代d c s 通信均有向以太网开放的趋势，所以也不必为 d c s 通信所走过道路而婉惜了。 说到开放性，它的基本特征是开放系统应具有可移植性、互操作性、广泛性和可得可用 性，拿这个特征来衡量以太网及它形成的i n t e r n e t 和i n t r a n e t ，可以说它基本具有开放性。 所以目前d c s 应该在与其互联上下功夫，使之在系统集成的大环境下，摘掉d c s “孤岛”的 帽子。 在d c s 中采用数字通信技术，还有在控制站内采用站内通信总线及远程i 0 总线，以及 在第三代d c s 的控制站内增加了连接p l c 、分析仪和现场智能仪表的接口卡，使d c s 与现场 仪表之间的接线减少，并对现场仪表进行设备管理，这为d c s 向下兼容并与现场总线通信技 术融合打下基础。 2 i 4d c s 的种类 目前，d c s 大致可分为3 种：一是多功能控制器型分散控制系统：二是以可编程序控制 器( p l c ) 为基础的分散控制系统：三是以p c 机总线为基础的分散控制系统。未来以现场总 线技术为基础的分散控制系统或以电厂信息监控管理为基础的分散控制系统将应运而生。 东南大学硕士学位论文 2 1 5d c s 的功能 d c s 功能开始由d a s 、m c s 逐渐发展到锅炉炉膛安全监控系统( f s s s ) 、汽机数字电 液调节系统( d e h ) 、顺序控制系统( s c s ) 、汽机旁路控制系统( b p s ) 、电气控制系统( f c s ) 等。另外还有近几年研究的现场总线控制系统( f c s ) 、电厂信息监管系统( s i s ) 等。 2 1 6d c s 的现状、存在的问题与发展趋势 当前，主要d c s 厂商有：h o n e y w e l l 、b a i l e y 、w e s t i n g h o u s e 、a b b 、f o x b o r o 、l & n 、 s i e m e n s 、e u r o 、横河、日本山武霍尼威尔等。我国在8 0 年代从国外引进了几百套d c s 来 装备石化、冶金、电力、化肥等企业，同时又从国外引进技术，与外资合作合资组装生产国外 的d c s 并逐步实现国产化。如重庆工业自动化仪表所和上海二 业自动化仪表所开发的d j k 一 7 5 0 0 、航天的友力一2 0 0 0 、电子六所的h s l 0 0 0 和h s 2 0 0 0 、北京康拓公司的k t 6 0 0 0 、天津 中环d c s 一2 0 0 1 、上海新华x d p s 、浙大中控s u p e r 2c o n t x 、杭州威盛公司的f b 一2 0 0 0 等分 散控制系统每年生产上千台，己具备很强的竞争能力，在技术上形成了可初步与国外产品相 抗衡的产业。国产d c s 主要应用于中小系统，可占市场的5 0 左右。大型d c s 以国外产品为 主的状况近期不会有大的改变，p l c 和基于i p c 的国产d c s 及二i 二业控制装置在中小工程中将 占据主导地位。 当然，d c s 也存在着一些问题。首先是信息传递落后，目前从现场一次仪表至i j d c s 和从 d c s 到现场的信号大都沿用4 2 0 m a d c 或1 5 v d c 的信号规格，采用点到点的传输方式，信 号传输精度低，抗干扰和纠错能力差，难以发挥现场仪表的特长：另外，分散程度不够，每台 d c s 的现场控制单元一般都要处理几十个控制回路，并由此而带来实时性的问题，很难实现 紧急停车时要求的m s 级的反应速度：再者，d c s 的成本较高，其网络通信体系统结构大多采 用封闭式和本公司专用的标准和协议。因此，d c s 不可避免地将面临现场总线控制系统( f c s ) 的挑战。但由于在我国绝大部分工程都是以d c s 作为主流控制系统，另一方面，d c s 是一个不 断发展的控制系统，它采用现场总线技术对自身进行改造，使d c s 能与现场总线智能仪表和 局部f c s 连接起来，因此以上情况必须形成d c s 与f c s 共存的局面，也就是说，今后很长一段 时间里，d c s 仍将起到不可替代的作用。 上文提到，d c s 的结构按纵向划分为四层。目前d c s 的功能不断向上、下2 个方向延 伸，向上延伸到s i s ，向下延伸到f c s ，使d c s 彻底分散。 2 2 虚拟d c s 在绪论中讲到，针对工业生产过程中运行的d c s ，再现d c s ，建立相应的仿真培训系 统是必不可少的。我i f 矢n 道，根据再现d c s 所采用的实现方案，真实d c s 的仿真系统通常 包括三种：激励d c s 、仿真d c s 和虚拟d c s 。激励d c s 虽然有着最高的逼真度，但由于 成本太高，所以在国内很少被采用。传统的仿真系统都是仿真d c s ，其人机界面的实现技 术一般采用以下三种：使用通用组态软件，使用自行开发的组态软件和利用d c s 配套的软 件。下一：竹将详细讨论这三种技术，以便与绪论中提到的基于组件技术的虚拟d c s 人机界面 实现相比较。 10 第二章d c s 和虚拟d c s 2 2 1 虚拟d c s 定义 虚拟d c s ( v i r t u a ld c s ) 是相对于在过程工业系统中运行的真实d c s ( r e a ld c s ) 而言 的，“虚拟d c s ”就是将真实d c s 在非d c s 的计算机系统中以某种形式再现。“虚拟”是现今 广泛使用的一种高新技术概念，如实现视景模拟的“虚拟现实”、采用c r t 交互的“虚拟仪 表 、构建远程多媒体双向通信的“虚拟会议”等。当然，虚拟技术是完全建立在当今高性 能的计算机硬件、软件和网络系统之上的。虚拟d c s 不同于其它虚拟技术的是其被虚拟对象 也是计算机系统，而不是一般的物理系统。虚拟d c s 是要在计算机系统上再现计算机系统， 具体说，就是要在一种通常为开放平台的计算机信息管理系统中，尽可能真实地再现分散控 制计算机系统。虚拟d c s 正是过程工业数字化的基础之一。 2 2 2 虚拟d c s 分类 在激励d c s 和仿真d c s 间存在各种类型的虚拟d c s 。由于d c s 主要由分散处理单元( d p u ) 和操作员站人机界面( h m i ) 构成，相应就有“虚拟d p u ”和“虚拟h m i ”的分类。虚拟d p u 、 虚拟h m i 及部分虚拟的多种不同的排列组合构成了虚拟d c s 的分类。 ( 1 ) 最小配置d p u + 真实h m i 。将原本分散的d p u 软件集中在l 台d p u 上运行，d p u 硬 件取最小激励配置，而d p u 软件需经过一些虚拟改造，开发实时数据共享接口软件，采用真 实h m i ，对运行人员操作培训有完全的逼真度。 ( 2 ) 最小配置d p u + 仿真h m i 。d p u 硬件取最小激励配置和d p u 软件虚拟改造，但h m i 采用第三方的人机界面组态二c 具进行开发，在开放的计算机软件和网络平台上实现，对管理 和检修人员的在线使用有完全的功能逼真度。 ( 3 ) 虚拟d p u + 真实h m i 。为避免复杂的真实d p u 对过程模型接口的软件开发，同时获 得丰富和高逼真度的h m i 功能，可采用此类虚拟方案。 ( 4 ) 虚拟d p u + 虚拟h m i 。这是完全的虚拟d c s 类型，无论d p u 还是h m i ，其虚拟软件 都是通过d c s 的下载文件的智能编译转换而获得的，这是节省投资、缩短开发周期、获得最 高逼真度和最多应用功能的理想技术方案。 ( 5 ) 虚拟d p u + 仿真h m i 。在h m i 软件无法实现智能编译转换的情况下，采用第三方的 人机界面组态工具进行开发，将h m i 转移到开放的计算机软件和网络平台上实现，对d p u 则采用虚拟