（控制理论与控制工程专业论文）控制系统的实时性研究与优化.pdf

浙江大学硕士学位论文控制系统的实时性研究与优化 摘要 随着通信、微电子和计算机技术的飞速发展，工业控制系统不断发生变革， 自动化水平不断提高。越来越多的工业控制系统要求实现信息的快速传递，实 现现场设备的快速采样和控制，实现上位机的快速显示和操作，对控制系统的 实时性提出了越来越高的要求。控制系统的实时性能，是整个控制系统性能的 关键，直接影响系统的控制品质，因此，研究和优化控制系统的实时性能具有 重要的工程实用意义。 本论文针对控制系统的现场采样控制实时性、信号处理实时性和显示操作 实时性问题做了较为全面的分析，对涉及系统实时性能的关键技术一控制单元 软硬件实时性和工业通讯网络的实时性做了较为深入的研究，结合e c s 一1 0 0 控 制系统进行了实时性优化设计，在控制系统提速项目e c s 1 0 0 x 的实现中，系 统实时性能有了大幅度提高，达到了过程控制的实时性要求，实际应用中取得 了良好的控制效果。 论文共分为五章。首先在第一章里对广义的实时概念及应用范围做了概括 性阐述，针对控制系统的实时性做了具体分析，并主要以集散控制系统、现场 总线和工业以太网控制系统为对象，对涉及实时性的问题进行了分析。然后在 第二章里对控制系统中的工业控制网络实时性做了详细分析，并对现场总线实 时性做了简要分析，然后对工业以太网的实时性问题进行了详细分析，总结提 出了可行的提高实时性措施。 接下来的第三章是论文的重点。本章主要涉及的是系统实时性优化设计问 题，首先以国产e c s 一1 0 0 控制系统为例，用理论和实验相结合的分析方法，找 出了影响系统实时性的两个瓶颈，这两个瓶颈问题对现场总线控制系统和基于 工业以太网控制系统的实时眭能同样具有重大影响，然后针对这两个瓶颈问题， 进行了优化设计，包括控制单元的软硬件优化设计、工业通讯网络优化设计和 系统局部功能的优化设计。 论文的第四章阐述了系统实时性优化设计在e c s 1 0 0 x 中的具体实现。经 过系统实时性测试和对测试数据的分析，证明系统的实时性能有了大幅度提升， 然后对继续提高e c s 一1 0 0 x 系统的实时性提出了一些建议。论文最后的第五章 进行了工作总结，并对系统实时性问题进行了展望。 关键字：实时，工业控制网络，控制单元，集散控制系统，现场总线， 工业以太网 浙江大学硕士学位论文控制系统的实时性研究与优化 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o n ，e l e c t r o n i c s a n dc o m p u t e r , t h e i n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e mh a sc h a n g e ds om u c ha n dh a st h er e q u i r e m e n to fh i g h e r r e a l t i m ec h a r a c t e r i s t i c ，s u c ha st h eq u i c k e rt r a n s f e ro fi n f o r m a t i o n ，q u i c k e rc o n t r o l o ff i l e d d e v i c e s ，q u i c k e rd i s p l a ya n do p e r a t i o no fs u p e r v i s o r t h er e a l t i m e c h a r a c t e r i s t i ch a si m p o r t a n te f f e c tt ot h ee n t i r ec o n t r o ls y s t e m s or e s e a r c h i n ga n d o p t i m i z i n gt h er e a l t i m ec h a r a c t e r i s t i co fc o n t r o ls y s t e mi sv e r yi m p o r t a n t t h er e a l t i m ec h a r a c t e r i s t i co ff i l e d c o n t r o l ，s i g n a lp r o c e s s ，d i s p l a y a n d o p e r a t i o nh a sb e e ne n t i r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r t h ek e yt e c h n o l o g y r e l a t i o nt o r e a l t i m eh a sb e e nr e s e a r c h e ds u c ha ss o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fc o n t r o lu n i t ， i n d u s t r i a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h eo p t i m i z i n gd e s i g nm e t h o dh a sb e e np u t f o r w a r da i m i n ga tc o n t r o ls y s t e mo fe c s 一1 0 0 a n dt h i sm e t h o dh a sb e e nt e s t i f i e d a c c o r d i n gt ot h er e a l i z a t i o no fe c s 一1 0 0 x f i v ec h a p t e r sa r ei n c l u d e di nt h i sp a p e r c h a p t e r1i n t r o d u c e dt h ec o n c e p ta n d a p p l i c a t i o no fr e a l t i m ea n da n a l y z e dt h er e a l t i m ec h a r a c t e r i s t i cf o c u s e do nd c s ， f c sa n di n d u s t r i a le t h e m e t a n dt h e ni nc h a p t e r2 ，t h er e a l t i m ec h a r a c t e r i s t i co f i n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r kh a db e e na n a l y z e di nd e t a i l t h ei n d u s t r i a le t h e m e th a d b e e na n a l y z e da n dt h eo p t i m i z i n gm e t h o dh a db e e ns u m m a r i z e d c h a p t e r3i s t h ek e yo ft h i sp a p e r t h i sc h a p t e rw a sm a i n l yf o c u s e do nt h e o p t i m i z i n gd e s i g no fs y s t e mr e a l t i m ec h a r a c t e r i s t i c f i r s t l y , t h et w oc h o k ep o i n t so f r e a l - t i m ec h a r a c t e r i s t i cw a sf i n d e do u ti nc o n t r o ls y s t e mo fe c s 1 0 0 s e c o n d l bt h e o p t i m i z i n gd e s i g nw a sp r o p o s e di no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s t h i so p t i m i z i n g d e s i g nm a i n l yi n c l u d e dt h eo p t i m i z i n go fs o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fc o n t r o lu n i t s ， i n d u s t r i a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n ds o m ek e yf u n c t i o no fc o n t r o ls y s t e m c h a p t e r 4d e s c r i b e dt h ed e s i g no fe c s l o o xu s i n gt h eo p t i m i z i n gd e s i g nw h i c h t h i sp a p e rh a dp u tf o r w a r d 。a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lt e s t i n ga n dt h ea n a l y z i n go f t e s td a t a ，t h er e a l t i m ec h a r a c t e r i s t i ch a db e e ni m p r o v e d s o m ev a l u e ds u g g e s t i o n s w h i c hc a nb eu s e dt oi m p r o v et h er e a l t i m ec h a r a c t e r i s t i co fe c s i o o xh a db e e np u t f o r w a r d c h a p t e r5i st h el a s t ，b u tn o tt h el e a s t t h i sc h a p t e rs u m m a r i z e dt h i sp a p e r a n dp r o s p e c tt h ef u t u r eo fr e a l t i m ec h a r a t o r i s t i c k e yw o r d s ：r e a l t i m e ，i n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k ，c o n t r o lu n i t ，d c s ，f c s ， i n d u s t r i a le t h e m e t 1 1 浙江大学硕士学位论文控制系统的实时性研究与优化 1 1 实时性综述 1 1 1 实时的概念及应用 第1 章绪论 随着计算机应用向高性能、网络化、嵌入式和智能化方向的不断发展，有 时间约束的应用系统需求越来越突出，如复杂工业控制、媒体播放器、银行自 动取款机等，这些应用都商不同程度的实时性要求。具体来讲。一个振动监测 系统，对振动波形的检测周期必须满足采样定理要求：日常使用的计算机，在 敲击键盘时，也罄求在显示屏上快速地出现键盘输入结果。这些系统都有个 客观的响应时间要求，这就是系统中普遍存在的实时性问题。 实时是指信号的输入、运算和输出都要在极短的时间内完成，并根据生产 过程的变化及时地进行处理。这里的实时与快速并非是相同的含义，不论运算 处理和网络的传输速度有多快，只要在规定的响应时问内发生响应动作，煲| j 称 系统具有实时性。因此，实时性就是指能够在限定时阳j 内执行完规定的功能并 对夕卜部的异步事件作出响应的能力。 实时系统是指在外来事件或数据产生的同时，能够在限定的时间内给予响 应，以足够快的速度处理，及时地将处理结果送往目的地的一种处理系统，这 种系统中任务的执行有着严格的时间要求，任务必须在规定时间内完成或响应， 否则将导致执行结果错误或系统故障。具体来说，对于任何一个激励一响应系统， 都有一个从激励输入到响应输出的时间，即激励响应周期t ，它表现为系统的 对闻响应能力。如果系统静响应蹲闻t 能满足系统所援定的响应时阕t 的要求， 即t = t ，则这个系统即是实时系统。 实时系统弓l 入时闽特征，具有以下些特点，从面区分于其魅系统：系统 的可预测性强，这一点是实时系统最重要特点。所谓可预测性是指系统所执行 的操作按预先定义或确定的方式执行，且其操作执行的时闻是可预知的；系统 响应时间性强，要在一定的时刻或一定的时间内，自外部环境收集信息，按彼 此联系存取已获得的信息和处理收集的信息，并及时作出相应的响应：系统要 同时处理多个外部请求，并提供并行处理能力，这需要很好的处理功能，以达 到最优的性能；实时系统通常要与外部环境进行交互，例如，控制机器及生产 过程，或者监控化学反应并随时汇报危急情况，这种情况通常要从外部接收数 浙江大学硕士学位论文控制系统的实时性研究弓优化 据并提供输出和控制外部环境；实时系统经常包括实时控制，从接收到的输入 数据中做出控制决策；除以上特点外，实时系统还具有可靠性、可嵌入等特征。 为了对实时性有更深层次的理解，具体对其分析如下。 ( 1 ) 实时性与快速性：系统的实时性指响应时间能否满足t = t 的要求， 不同于快速性概念。快速系统不一定能满足系统的实时性要求，而某些情况下 满足实时性要求时，系统的运行速度并不高。例如，满足温度采集实时性要求 的系统，运行速度并不高；而许多高速运行的系统，未必能满足冲击振动的信 号采集的实时性要求。快速性只是反映了系统的实时能力。 ( 2 ) 系统的最佳实时性：快速性是系统实时能力的表现，当系统不能满足 实时性要求时，必须提高系统的运行速度。然而，运行速度的提高带来系统的 一些负面效应，如导致系统功耗加大、电磁兼容性下降等。因此，在设计优化 一个具体的系统时，在保证能满足实时性要求的条件下，应使系统的运行速度 降到最低，以满足系统在功耗、可靠性、电磁兼容性方面获得最佳的综合品质。 ( 3 ) 系统的实时性分配：在一个实时系统的应用中，有许多过程环节。例 如，一个典型的智能仪表就有信号采集、数据处理、结果显示、键盘输入等过 程。这些过程往往是在不同的时间与空间上进行，而且不同过程的实时性要求 是不同的。键盘输入、结果显示是与入交互的，要满足人机交互的实时性要求； 信号采集与对象系统的动态性密切相关，必须满足动态信号采集的实时性要求； 而数据处理则会形成从动态信号采集到结果显示的时间延迟，影响到结果显示 的实时性要求。因此实时系统的设计与优化必须研究系统中的每一个过程环节， 满足每一个过程环节和整个系统的最佳实时要求。 ( 4 ) 实时系统分类：实时系统有限定的响应时间，从而使系统具有可预测 性。根据系统对响应时间的要求程度，实时系统可以分为“硬实时系统”和“软实 时系统”。硬实时系统中的任务具有严格的截止期要求，例如过程控制和飞行控 制系统等。对于软实时系统中的任务来说，任务在截止期到来之后完成，仍对 系统有一定的价值。二者的区别在于：前者如果在不满足响应时限、响应不及 时或反应过早的情况下都会导致灾难性的后果；而后者则在不满足响应时限时， 系统性能退化，但并不会导致灾难性的后果。 实时系统的应用范围很广，按不同系统响应时间的特点，可将其主要分为 三种典型应用：电子电路系统、嵌入式应用系统和一般应用系统。 电子电路系统是经典的电子系统，是不含计算机的纯电子电路系统。例如， 测量放大器、电子计数器、温度指示器等。这类系统具有极短的、相对固定不 变的从激励到响应的时间周，大部分的实时性能要求远小于电子电路系统的响 应时间性能。大多数实时系统都是嵌入式应用系统。嵌入式应用系统与嵌入对 t 浙江大学硕上学位论文 控制系统的实时性研究与优化 象体系交互时，要满足事件交互过程的响应要求。一方面，由于计算机的嵌入， 嵌入式应用系统有十分可观的激励响应时间，导致系统实时能力的降低；另一 方面，不同的嵌入对象体系会提出不同的响应时间要求。因此，在嵌入式应用 系统的具体设计中，必须考虑系统中每一个任务运行时，能否满足实时性的要 求，这就是嵌入式系统的实时性问题。嵌入式计算机系统广泛地用于工业控制、 消费、通信、汽车、军事等领域。一般应用的实时计算机系统属于通用计算机 系统，如p c 机、工作站等。由于通用计算机系统只使用在人机交互环境中， 对象( 人) 提出的响应时间要求，只是一个期望值( 尽量快) ，而这种欲望一方 面表现为永无止尽，另一方面又表现出现实的可容忍性。因此，通用计算机系 统是一个非实时系统，响应时间要求不高，而快速性成为通用计算机系统发展 的主题。其典型应用如大型控制系统中的测控计算机，通常与几个嵌入式计算 机相连，作为它们的上位机进行系统的总控、协调、数据存储等工作。 1 , 1 2 控制系统实时性内容及要求 随着微电子技术、计算机技术以及通信技术的飞速发展，工业控制系统不 断发生变革。6 0 年代开始，控制室和现场仪表之间采用电气信号( i i 或型1 传 输，电动组合仪表如控制器、显示仪表、记录仪开始大量使用，工厂自动化控 制体系初步形成n7 0 年代中期出现的集散控制系统( d c s ) ，是工业控制系统 发展的一个里程碑，广泛应用于工业过程控制，并延伸到实验室自动化和大型 研究实验及离散制造业。现场总线是对集散控制系统的拓展，突破了d c s 相 对封闭的限制，它将测控任务分散到现场设备中，上位计算机只负责监控及一 些复杂的优化和先进控制的功能。自8 0 年代末以来，相继出现了一些有影响的 现场总线标准。如：基令会现场总线、l o n w o r k 总线、p r o f i b u s 、c a n 控制局 域网等。9 0 年代中期，传统的工业控制系统开始向网络化和开放性发展，用于 办公和商业的以太网以其开放性、通信速率高、丰富的软硬件资源、可持续发 展等优点渗入到控制系统的控制层和设备层，成为工业控制网络发展的新方向。 同时，d c s 和现场总线、工业以太网相结合，进行信息互连，构成了大鬏 模的以全面信息管理为特点的新型综合控制系统。这种系统的功能及性能得到 了大幅度的提高，并力图解决企业的综合管理问题。 以下对控制系统得实时性进行总体分析并探讨其要求和指标。 ( 1 ) 控制系统实时性内容分析 控制系统中，实时可定义为系统对某事件响应时间的可预测性。系统的响 应时闻是指在规定条件下，从信息转换开始到系统开始作出有效反应的酃爝 浙江大学硕士学位论文控制系统的实时性研究与优化 时之间的间隔时间。一个事件发生后，系统须在一个可准确预见的时间范围内 作出响应，至于响应时间须有多快，由被控制过程决定。可把工控中的实时分 为硬实时和软实时两种不同类别。硬实时指系统的响应时间如达不到要求将导 致致命后果，如汽车a b s 、飞机、机床等。软实时指系统响应时间如达不到要 求仅影响系统控制质量，不会造成严重后果，如楼宇系统、电梯、仓库管理等。 对于集散控制系统、现场总线控制系统及基于工业以太网的控制系统来说， 虽然它们采用的体系结构和技术有很大的不同，但就网络层次来讲，主要分为 过程监控层和现场控制层两层。涉及的实时性主要是采样控制部分和显示操作 部分的实时性。采样控制部分实时性是指控制系统能在规定的时间内采集现场 变送器、传感器等现场输入设备的信息，并在现场控制网络上传输到控制设备， 控制设备根据一定的控制周期和控制算法产生控制信息，控制信息通过网络传 送给现场执行设备，完成一次完整控制所花费的时间性能。这部分的测量控制 任务大多有严格的时序和实时性要求，若达不到实时性要求或因时间同步等问 题影响了网络节点间的动作时序，可能会造成灾难性的后果。这部分的实时性 能是控制系统实时性的最重要指标，主要同现场通讯网络的实时性、控制设备 的控制周期、现场i 0 设备的输入输出实时性等因素有关。显示和操作部分的 实时性主要是从操作站和工程师站的角度来说的，属于人机接口部分，中间涉 及人的参与。显示实时性是指控制系统的报警信息、测量数据的历史趋势信息、 设备的状态信息等通过过程控制网络传输到上位机，经过上位机监控软件处理 并通过显示设备显示给操作人员的时间性能。操作实时性指操作人员通过监控 站或工程师站等上位机输入某些命令，如控制现场的某执行机构输出给定的信 鼠。这些信息经过上位机软硬件的处理，通过过程控制网络传输到控制站，并 通过现场控制网络传输到现场执行机构所花费的时间性能。显示操作部分的实 时性主要和过程控制网络的实时性及上位机软硬件的实时性有关。与采样控制 部分的实时要求相比，显示操作部分的实时性要求相对较低。 工业控制系统中，影响系统的采样控制、显示和操作实时性能的因素主要 包括两方面：一方面是系统中单元部件的实时性。系统要对被控对象进行有效 的控制，控制器必须在一定的时间界限内根据一定的控制算法对传感器采集的 各种现场数据进行处理，并将控制信号输出到现场执行单元，即控制器、传感 器和执行器必须满足实时性要求。另一方面是指工业通信网络的实时性。由于 现场设备的地域分散性，现场设备间的信息交互是通过网络，以信息传递的方 式来实现的。为了达到监控等任务的要求，现场设备闯的信息交互必须在一定 的通信延迟时间内完成，即工业通讯网络必须满足实时性要求1 2 】【3 】。只有这两部 分的实时性能同时满足，才能实现采样控制和显示操作的实时性要求。另外， 4 翌! 墼主堕圭堂垡丝苎 堡型至竺堕塞堕丝塑塞兰垡些 实现控制网络与信息网络的紧密集成是建立企业综合实时信息库的基础，为企 业的优化控制、调度决策提供依据【4 】，这部分的实时性要求较低。 ( 2 ) 控制系统实时性的要求和指标 根据系统中不同信息对实时的要求程度，可将现场信息可分为实时信息和 非实时信息。测量、控制、报警信息为实时信息，组态、诊断、参数、历史趋 势信息为非实时信息。实时信息的处理必须及时，不能延误操作。而且大多实 对信息的处理都采用周期性的处理方法，如测量数据的定时采集，运算控制信 息的输出等，对于随机事件如事故、报警等，要保证优先处理，以防出现故障。 实时信息对系统的要求是响应快，主要有三种含义。 ( a ) 传输速度快：指单位时间内传输的信息要多，通常用波特率来衡量。 ( b ) 巡回时间短：指系统与所有通信对象都至少完成一次通信所需时间。 ( c ) 响应时间短：主要指系统对现场信号的采集和控制所需的时间短。 其中，传输速度主要与系统中的通信网络性能有关，巡回时间在集散控制 系统中主要与主控制器的控制周期有关，响应时间和系统设计、规模等有关， 是控制系统实时性能的总体指标。 对于工业控制系统来说，可按照不同过程对实时性要求的不同，将实时性 能划分为4 个级别，如图1 - 1 所示【”。其中实时级别4 是工控中对实时性能要求 最苛刻的，主要是机械传动和运动控制等，如对于高性能的同步运动控制应用， 特别是在1 0 0 个节点下的伺服运动控制应用场合，实时响应时间要求低于1 m s ， 同步传送和抖动小于1 u s 。过程自动化应用场合实时响应时间要求是l o o m s 或 更长。绝大多数的工厂自动化应用场合实时响应时间的要求最少为5 l o i n s 。 买时；级别 i；l ，一一一一。一、楼宇 、- - - 一一一，j 统， ：p 一一“、 简单1 、一一一- + 7 。 分过j 一，j 一。j 一一、 数控1 、一一，一，一 ，一一一一 高复： 、f 一一一，。 、 图1 - 1 四种不同实时级别划分 针对这些对象的实时要求需要研究设计不同的控制系统，本文主要针对上 图的“二级”部分中过程控制部分研究优化系统的实时性能。过程控制是指对生 产过程中各种动作流程的控制，这种控制是在对被控对象和环境进行不断观测 浙江大学硕士学位论文 控制系统的实时性研究与优化 的基础上做出及时的恰当的反应。在控制过程中控制系统通过传感器从外部接 收过程的信息并对这些信息进行加工处理，然后对执行机构发出控制指令。过 程控制系统的实时性指标主要是以对现场的采样控制部分的响应时间来衡量， 要求为毫秒级，具体响应时间范围在l m s 到1 s 之间，通常在l o o m s 以上。 系统要处理的典型过程量有液位、温度、压力、流量等模拟量，模拟量转 换成数字量，通常经历采样、量化和编码三个步骤。其中采样过程将时间连续 的信号变成时间不连续的信号。对这些信号的采集需要符合香农定理的要求。 香农( s h a n n o n ) 采样定理表述为，如果信号f ( t ) 中所包括的频率不高于 0 k ，则f ( t ) 可由一系列相隔1 ( 2 0 k ) 时间的抽样值所确定m 。根据此定理， 对于有限带宽信号，实现采样信号完全恢复模拟信号的最小频率至少两倍于样 本频率最大值，采样后的信号才不会出现混频现象，一般必须至少取4 倍【l ”。 该定理的物理含义是，遵循香农采样定理对连续模拟信号进行周期性的离 散采样，所采得的离散信号数列可以保持频率特性不变，即不发生混频( 叠) 现象。图1 2 表示了模拟信号的两类离散采样结果。其中图a 表示遵从香农采 样定理对模拟信号进行采样后，按采样系列值恢复得到的信号与原信号相比不 发生“混叠”现象，即两者的信号频率相等。图b 表示不遵从香农采样定理采得 的信号与原信号频率不一致，发生“混叠”现象。 十幅度 a t 幅度 b p o 守p d 守 + 幅度+ 幅度 p 舻p 占妒 图1 - 2 模拟信号采样与“混叠”现象 为了便于应用，把香农采样定理表述为，离散采样的频率o 。应大于或等于 被采样信号包含的最离频率瓴的两倍。其数学表达形式可以为 o 。= 2 0 k 1 1 例如：对频率f = 1 0 0 k h z 1 m h z 的信号进行采样时，其最高频率为& = 1 m h z ，故按采样定理，其采样频率f s 应该是f 。= 2 f k = 2 x l m h z = 2 m i - l z 。 由式2 1 可知，采样的间隔( 周嫂) t s 应为 1 瓜= 2 0 k或t s = l ( 2 0 k ) 1 2 上例的采样周期是t s = 1 ( 2 f k ) = l 2 x l m h z ；0 勋s 。 采样周期是系统要精心选择的重要参数，系统的性能与采样周期的选择有 密切关系。表1 - 1 给出了常用被控量的经验采样周期。 浙江大学硕士学位论文控制系统的实时性研究与优化 表1 - 1 常见被控量的经验采样周期 被控量流量 压力液位温度 i 采样周期( 秒) 151 0 2 0 1 2 常用控制系统的实时性分析 1 2 1 集散控制系统实时性分析 ( 1 ) 集散控制系统的体系结构 不同公司开发的的集散控制系统结构不同，针对于不同行业应用的系统结 构也有很大不同，这里以应用于化工控制行业的浙江中控e c s 1 0 0 系统为例进 行分析。其主要体系结构如图1 - 3 所示1 7 1 。这里省略了信息管理层网络的组成。 过程控制网络连接了工程师站、控制站和监控站等，其功能相当于本章第二节 中的过程监控层。s b u s 总线网络连接了现场i o 单元、数据转发卡和主控制卡， 属于控制站内部网络，其功能相当于本章第二节中的现场控制层。通过两层网 络连接了集散控制系统的各个功能单元，整体协调完成控制系统的各项任务。 图中的工程师站、监控站由p c 机组成，依靠软件完成系统的组态、诊断、实 时数据传输控制、历史趋势、报警等功能，控制站主要由嵌入式板卡及板卡间 的通讯网络组成，完成数据的采集、处理、控制输出等功能，这部分是直接参 与现场控制的部分，因此对于集散控制系统，其实时性能非常重要。 ( 2 ) 集散控制系统的实时性分析 基于图1 3 ，模拟信号在e c s 1 0 0 控制系统中信号的流程如图1 - 4 所示降l 。 对于开关量等其它信号差别仅在i o 卡件内部的处理上不同，比如对开关量信号 而言省去了a o 部分，增加了软件防抖动等措施。 基于以上信号流程分析，对于集散控制系统的实时性问题主要分为采集信 号输入至主控制器的实时性、主控制器输出控制信息至现场侧实时性、控制器 信息运算处理实时性、监视信号及报警信号在上位机显示与上位机发送命令的 搡作实时性问题。这几部分构成了控制系统的响应时间，其如图1 5 所示。 对于操作站操作人员来讲的显示操作实时性问题，其主要包括i o 卡件前的 端子板输入信息到操作站和操作站输出现场控制或渗断信息到l o 卡件端予板 的响应时间两部分。这两部分可看为软实时性问题，对响应时间的要求不高， 一般为“秒”( 2 - 6 s ) 的数量级即可为操作入员接受。 现场采样控制部分实时性的衡量总指标为从现场1 0 信号从端子扳输入系统 到系统相对应的控制信号输出到端予板所需的响应时闻，其要求耱对较高，属 浙江太学硕士学位论文 控制系坑的实时性研究与优化 表1 - 1 常见被控量的经验采样周期 被控量流量压力 液位温度 i 采样周期( 秒)151 02 0 1 2 常用控制系统的实时性分析 1 2 1 集散控制系统实时性分析 ( 1 ) 集散控制系统的体系结构 不同公司开发的的集散控制系统结构不同，针对于不同行业应用的系统结 构也有很大不同，这里以应用于化工控制行业的浙江中控e c s 1 0 0 系统为例进 行分析。其主要体系结构如图1 - 3 所示1 7 j 。这里省略了信息管理层网络的组成。 过程控制网络连接了工程师站、控制站和监控站等，其功能相当于本章第二节 中的过程监控层。s b u s 总线网络连接了现场1 0 单元、数据转发卡和主控制卡， 属于控制站内部网络，其功能相当于本章第二节中的现场控制层。通过两层网 络连接了集散控制系统的各个功能单元，整体协调完成控制系统的各项任务。 吲中的工程师站、监控站由p c 机组成依靠软件完成系统的组态、诊断、实 时数据传输控制、历史趋势、报警等功能，控制站主要由嵌入式板卡及板卡间 的通讯网络组成，完成数据的聚集、处理、控制输出等功能，这韶分是直接参 与现场控制的部分，因此对于集散控制系统，其实时悻能非常蕈要。 ( 2 ) 集散控制系统的实时性分析 基于图1 - 3 ，模拟信号在e c s 1 0 0 控制系统中信号的流程如图1 - 4 - 所示j 。 对于开关量等其它信号差别仅在1 0 忙件内部的处理上不同，比如对开关量信号 而言省去了a d 部分，增加了软件防抖动等措施。 基于以上信号流程分析，对于集散控制系统的实时性问题主要分为采集信 号输入至主控制器的实时性、主控制器输出控制信息至现场侧实时性、控制器 信息运算处理实时性、监视信号及报警信号在上位机显示与上位机发送命令的 操作实时性问题。这几部分构成了控制系统的响应时涮，其如图1 - 5 所示。 对于操作站操作人员来讲的显示操作实时性问题，其主要包括i o 件前的 端子板输入信息到操作站和操作站输出现场控制或诊断信息到i o 卡件端子板 的响应时问两部分。这两部分可看为软吏时性问题，剥响应时蚓的要求不高， 一般为“秒”( 2 6 s ) 的数量级即可为操作人员接受。 现场采样控制部分实时性的衡量总指标为从现场1 0 信号从端子板输入系统 到系统相对应的捧制信号输出到端子板所需的响应阳间，其要求相对较高，属 到系统相对应的控制信号输出到端子板所需的响应盯间，其要求相对较高，属 浙江大学硕士学位论文控制系统的实时性研究与优化 于硬实时性问题，一般要求为“毫秒”级或更低的数量级，此部分的实时性能直 接关系到系统控制性能的高低，是系统实时性问题的关键。 工程师站t 监控站l 工程师站2监控站z 图i - 3e c s 1 0 0 的系统结构 模拟信号 s b u s原始数字信号 菇露箍臀 1 数字通信 7 l 按组态k l 敝据通信同 瞻号调理除信号处i 乳 数据 霸路 掣 蚶l 寻址 i 有效性滤、浏 il l i o 卡件故吲 1 隔离il 、数撩整理 洒储转菠 l 信号处瑚 i 徽控i - ! l 靠蝗- ： hi ! 辇曼 ， 一一 r 数字信号 r 图1 4 控制系统中信号流程分析 现场侧信号的变化无法预测，属于随机变化，因此只能尽量加快i o 卡的采 样周期，以最短的时间捕捉到信号的变化，提高i o 卡的实时性。数据转发卡 和1 1 0 卡之间的通信、主控制器和数据转发卡之间的通信枫制属于研发人员的 可控制范围，因此，可以采取实时性优化设计的方法使主控制器用于运算的输 入数据是尽量新，v o 卡的输出数据是主控制器网4 刚运算的结果，从而提高采样 控制部分的实时性。 浙江大学硕士学位论文 控制系统的实时性研究与优化 厂j 磊磊磊习 【一 ；b u s s 2 网络传输时间 t ；b u s 一5 1 网络传输时何 t 1 0 卡信号采集时间 s b u s s 2 网络传输时间 l s b u s s 1 网络传输时口 1 i 1 0 卡信号输出时间 显 不 操 作 部 分 控 制 部 分 图1 - 5 系统响应时间组成 为优化采样控制部分的实时性能，可以优化各部分的时间，使 o 卡采样完 成后在尽量短的时间通过s b u s 送给数据转发卡，数据转发卡完成i o 卡的轮 询后在尽量短的时间内通过s b u s 送给主控制器，主控制器收到输入数据后就 进行运算，运算结束后马上输出，这样数据就不会在某一个环节被搁置过长的 时间，从而将整个系统的响应周期缩短，提高了系统的实时响应性能。 过程控制网和s b u s 两层网络的实时性是整个控制系统实时性的关键，优 化其实时性主要从网络调度算法、协议方式、数据帧长、有效数据比例、节点 数、通信速率及网络负荷等方面提高。主控制器的运算能力也是影响系统实时 性能的重要方面。这两部分实时性的具体分析和优化将在本文第三章进行阐述。 1 2 2 现场总线控制系统实时性分析 根据国际电工委员会i e c l l 5 8 定义( 后改为i e c 6 1 1 5 8 ) ，现场总线是“安装 在生产过程区域的现场设备、仪表与控制室内的自动控制装置、系统之间的一 葶申串行、数字式、多点通信的数据总线”【9 1 。或者说，现场总线是以单个分散的、 数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交 换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控截系统。 现场总线作为一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统，具有开放 性、可互操作性与互用性、现场设备的智能化与功能自治性、系统结构的高度 分散性和对现场环境的适应性等特点，使它能够节省硬件数量与投资、节省安 装费用、节省维护费用，提高了系统的准确性和可靠性。因此，现场总线近年 来得到了迅猛的发展和应用，给自动控制领域带来了空前的变化。 浙江大学硕士学位论文控制系统的实时性研究与优化 现场总线是面向工厂底层自动化及信息集成的数字化网络技术，其标准主 要有：f i e l d b u st y p e l 、p r o f i b u s 、c o n t r o l n e t 、p n e t 、f fh s e 、s w i f t n e t 、w o r l d f i p 、 i n t e r b u s 、c a n 等。这些总线各有各的规范，互不兼容。基于现场总线的控制 系统被称为现场总线控制系统( f c s ， f i e l b u sc o n t r o l s y s t e m ) ”。 现场总线控制系统是对集散控制系统的拓展，突破了d c s 相对封闭的限制， 它将测控任务分散到现场设备中，上位计算机只负责监控以及一些复杂的优化 和先进控制的功能。现场总线是工厂底层信息与数据传递的主体，在整个工厂 的信息网络中，现场总线处于重要的基础地位。由于现场总线是连接工业现场 底层传感器、执行器和控制器等智能设备的实时控制网络，直接面向生产过程， 因此要求很高的实时性、可靠性、数据完整性和可用性。 实时性是保证系统性能的主要因素，现场总线通过简化模型结构，采用可 靠的数据链路层介质访问控制方法和灵活的信息调度等技术来保证信息传输的 时间要求。对于现场总线控制系统，它在监控层与信息管理层上的实时性与其 它系统区别不大。对于现场控制层，现场总线主要通过网络的传输与分散控制 实现对现场的生产过程控制，其实时性主要体现在通信网络的实时性上。对与 现场总线的实时性分析主要在本文的第二章第二节进行阐述。 1 2 3 工业以太网控制系统实时性分析 随着网络技术的发展，传统的工业控制系统开始向网络化和开放性发展。 在现场总线多标准共存的同时，以太网以其开放性、通信速率高、丰富的软硬 件资源、可持续发展、潜力大等优点渗入到控制系统的控制层和设备层，工业 以太网技术成为未来控制网络发展的一个新方向。 工业以太网，是指在技术上与商用以太网( 即e e e 8 0 2 3 标准) 兼容，但 在产品设计时，在材质的选用、产品的强度和适用性方面能满足工业现场的需 要，即满足环境适应性、可靠性、安全性和安装方便等要求。通常所说的工 业以太网不仅包含了物理层和数据链路层的以太网规范，而且包含在i n t e m e t 中广泛使用的网络层和传输层上的t c 狰协议族。使用了工业以太网技术的控 制网络可以不经过网关转换直接连入企业信息网，与i n t e m e t 实现无缝的连接。 目前，全球自动化厂商和组织已经提供了一些工业以太网产晶，有代表性 的有：m o d b u s t c p i p ，这是由法国施耐德公司推出得非常具有影响力的产品： p r o f i n e t ，出德国疆门子公司发布的工业以太网鑫皮书；h s e ，基金会现场总 线f f 于2 0 0 0 年发布以太网规范，称为h s ef h i g hs p e e de t h e r n e t ) ；e t h e r n e t i p ， 出美国洛克韦尔鸯动化公司2 0 0 0 年发布的工业以太网规范 4 5 t 5 “。 浙江大学硕士学位论文控制系统的实时性研究与优化 目前，我国对工业以太网的研究与国外先进国家相比，差距很小。浙江中 控的“s u p c o n ，e p a 网络通信技术及其控制系统的研究”已经通过国家验收，该 项目通过对应用于工业现场设备通信的以太网关键技术的深入研究，提出了基 于以太网的e p a ( e t h e m e t f o rp r o c e s sa u t o m a t i o n ) s e 业现场设备网络通信协议， 以及基于e p a 的网络控制系统的体系结构。鉴定委员会专家一致认为该项目首 次在国内提出了将以太网应用于工业现场的完整的系统解决方案，制定了拥有 自主知识产权的、基于以太网的e p a 工业现场设备网络协议，对我国工业控制 网络和自动化装置的发展具有重要战略意义和应用价值，它可以广泛应用于流 程工业、制造业、交通、环保、油田等各行业。这标志着我国在工业现场设备 网络通信技术及其标准化技术方面的研究与国际先进水平保持同步【1 0 1 1 1 】【3 8 j 。 e p a ( e t h e r n e tf o rp l a n t a u t o m a t i o n ) q - 业以太网现场总线标准为控制器、现场 测量、执行机构、控制装置提供了高可靠实时通讯的解决方案。将以太网应用 于工业现场，关键是要解决以太网实时性差和传输时延不确定等问题。通过对 通信机理和协议及软件和硬件的研究，e p a 在i p 层与m a c 层之间设立了一个 实时通信调度接口，用于管理实时e p a 通信与非实时通信的并行运行。周期信 息采用基于s n t p 或i e e e1 5 8 8 时间同步【“峭1 的分时确定性调度，非周期信息 采用基于主站令牌的调度方法。 工业以太网实时性的优化问题是基于以太网控制系统中的关键技术，对于 显示和操作都分的实时性能优化问题与集散控制系统相近，而对于现场控制层 的实时优化问题，核心是解决以太网时延的不确定问题。以上e p a 的实时调度 解决办法比较典型，属于一种非常有效的方法。对于工业以太网的实时性优化 问题将在本文第二章第三节进行分析。 1 3 课题任务及论文结构 本课题任务是以集散控制系统、现场总线控制系统和基于工业以太网的控 制系统为研究对象，全面分析系统实时性的各个方面，对涉及系统实时性能的 关键技术进行研究，针对e c s 1 0 0 系统进行实时性优化设计，提高e c s 1 0 0 系 统的实时性能，使之满足过程控制的要求，并需在实际系统实现中测试验证。 论文共分为五章。首先在第一章里对广义的实时概念、应用做了概括性阐 述，针对控制系统的实时性做了分析，并主要以集散控制系统、现场总线和工 业以太网为研究对象，对每个系统中涉及的实时性关键技术进行了分析。然后 在第二章里对控制系统中的工业通讯网络实时性做了详细分析，以现场总线 p r o f i b u s 移f f 为研究对象，对其实时性中存在的问题及改进方法做了研究， 浙江大学硕士学位论文 控制系统的实时性研究与优化 并对工业以太网的实时性问题进行了分析，提出了改进方法。 接下来的第三章是论文的重点。本章主要涉及的是系统实时性优化设计问 题，首先以国产控制系统e c s 1 0 0 为例，用理论和实验相结合的分析方法，找 出了影响系统实时性的两个瓶颈，这两个瓶颈问题对现场总线控制系统和基于 工业以太网控制系统的实时性能同样具有重大影响，然后针对影响实时性的两 个瓶颈问题，提出了优化设计方法。主要包括控制单元的软硬件优化设计、工 业通讯网络优化设计和系统局部功能的优化设计。 论文的第四章阐述了系统实时性优化设计方法在e c s 一1 0 0 x 中的具体实现。 经过系统实时性测试和对测试数据的分析，验证了实时性优化设计方法的正确 性和有效性，并对继续提高系统实时性优化设计提出了建议。论文的最后第五 章进行了文章的总结，并对系统实时性问题进行了展望。 1 4