DCS前世今生（3）

舞长安

DCS的软件构成DCS 软件的基本构成也是按照硬件的划分形成的，这是由于在计算机发展的初期，软件是依附于硬件的，对于 DCS 的发展也是如此。当 DDC系统的数字处理技术与单元式组合仪表的分散化控制、集中化监视的体系结构相结合产生了 DCS 时，软件就跟随硬件被分成现场控制站软件、操作员站软件和工程师站软件，同时，还有运行于各个站的网络软件，作为各个站上功能软件之间的桥梁。
每个站上的软件的功能，如现场控制站上的软件主要完成各种控制功能，包括回路控制、逻辑控制、顺序控制以及这些控制所必需的现场 I/O 处理；操作员站上的软件主要完成运行操作人员所发出的各个命令的执行、图形与画面的显示、报警的处理、对现场各类检测数据的集中处理等；工程师站软件则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。  
按照软件运行的时机和环境，可将 DCS 软件划分为在线的运行 (Run Time) 软件和离线的应用开发工具软件 ( 即组态软件 ) 两大类，其中控制站软件、操作员站软件、各种功能站上的软件及工程师站上在线的系统状态监视软件等都是运行软件，而工程师站软件 ( 除在线的系统状态监视软件外 ) 则属于离线软件。  
1.  现场控制站软件  
现场控制站软件的最主要功能是完成对现场的直接控制，这里面包括了回路控制、逻辑控制、顺序控制和混合控制等多种类型的控制。为了实现这些基本功能，在现场控制站中应该包含以下主要的软件。  
(1)  现场 I/O 驱动，其功能是完成过程量的输入 / 输出。其动作包括对过程输入 / 输出设备实施驱动，以具体完成输入输出工作。  
(2)  对输入的过程量进行预处理，如工程量的转换、统一计量单位、剔除各种因现场
设备和过程 I/O 设备引起的干扰和不良数据、对输入数据进行线性化补偿及规范化处理等，总之是要尽量真实地用数字值还原现场值并为下一步的计算做好准备。  
(3)  实时采集现场数据并存储在现场控制站内的本地数据库中，这些数据可作为原始数据参与控制计算，也可通过计算或处理成为中间变量，并在以后参与控制计算。所有本地数据库的数据 ( 包括原始数据和中间变量 ) 均可成为人机界面、报警、报表、历史、趋势及综合分析等监控功能的输入数据。  
(4)  进行控制计算，就是根据控制算法和检测数据、相关参数进行计算，得到实施控制的量。  
(5)  通过现场 I/O 驱动，将控制量输出到现场。  
为了实现现场控制站的功能，在现场控制站中建立有与本站的物理 I/O 和控制相关的本地数据库，这个数据库中只保存与本站相关的物理 I/O 点及与这些物理 I/O 点相关的，经过计算得到的中间变量。本地数据库可以满足本现场控制站的控制计算和物理 I/O 对数据的需求，有时除了本地数据外还需要其他节点上的数据，这时可从网络上将其他节点的数据传送过来，这种操作被称为数据的引用。  
2.  操作员站软件  
操作员站软件的主要功能是人机界面，即 HMI 的处理，其中包括图形画面的显示、对操作员操作命令的解释与执行、对现场数据和状态的监视及异常报警、历史数据的存档和报表处理等。为了上述功能的实现，操作员站软件主要由以下几个部分组成。  
(1)  图形处理软件，该软件根据由组态软件生成的图形文件进行静态画面 ( 又称为背景画面 ) 的显示和动态数据的显示及按周期进行数据更新。  
(2)  操作命令处理软件，其中包括对键盘操作、鼠标操作、画面热点操作的各种命令方式的解释与处理。  
(3)  历史数据和实时数据的趋势曲线显示软件。  
(4)  报警信息的显示、事件信息的显示、记录与处理软件。  
(5)  历史数据的记录与存储、转储及存档软件。  
(6)  报表软件。  
(7)  系统运行日志的形成、显示、打印和存储记录软件。  
为了支持上述操作员站软件的功能实现，在操作员站上需要建立一个全局的实时数据库，这个数据库集中了各个现场控制站所包含的实时数据及由这些原始数据经运算处理所得到的中间变量。这个全局的实时数据库被存储在每个操作员站的内存之中，而且每个操作员站的实时数据库是完全相同的副本，因此每个操作员站可以完成相同的功能，形成一种可互相替代的冗余结构。当然各个操作员站也可根据运行的需要，通过软件人为地定义其完成不同的功能，而成为一种分工的形态。
3.  工程师站软件  
工程师站软件可分为两个大部分，其中一部分是在线运行的，主要完成对 DCS 系统本身运行状态的诊断和监视，发现异常时进行报警，同时通过工程师站上的 CRT 屏幕给出详细的异常信息，如出现异常的位置、时间、性质等。  
工程师站软件的最主要部分是离线态的组态软件，这是一组软件工具，是为了将一个通用的、对多个应用控制工程有普遍适应能力的系统，变成一个针对某一个具体应用控制工程的专门系统。为此，系统要针对这个具体应用进行一系列定义，如系统要进行什么样的控制；系统要处理哪些现场量，这些现场量要进行哪些显示、报表及历史数据存储等功能操作；系统的操作员要进行哪些控制操作，这些控制操作具体是如何实现的，等等。在工程师站上，要做的组态定义主要包括以下方面。  
(1)  系统硬件配置定义，包括系统中各类站的数量、每个站的网络参数、各个现场 I/O站的 I/O 量配置 ( 如各种 I/O 模块的数量、是否冗余、与主控单元的连接方式等 ) 及各个站的功能定义等。      
(2)  实时数据库的定义，包括现场物理 I/O 点的定义 ( 该点对应的物理 I/O 位置、工程量转换的参数、对该点所进行的数字滤波、不良点剔除及死区等处理 ) 以及中间变量点的    定义。  
(3)  历史数据库的定义，包括要进入历史数据库的实时数据、历史数据存储的周期、各个数据在历史数据库中保存的时间及对历史库进行转储 ( 即将数据转存到磁带、光盘等可移动介质上 ) 的周期等。  
(4)  历史数据和实时数据的趋势显示、列表及打印输出等定义。  
(5)  控制算法的定义，其中包括确定控制目标、控制方法、控制周期及定义与控制相关的控制变量、控制参数等。  
(6)  人机界面的定义，包括操作功能定义 ( 操作员可以进行哪些操作、如何进行操作等 ) 、  现场模拟图的显示定义 ( 包括背景画面和实时刷新的动态数据 ) 及各类运行数据的显示定义等。  
(7)  报警定义，包括报警产生的条件定义、报警方式的定义、报警处理的定义 ( 如对报
警信息的保存、报警的确认、报警的清除等操作 ) 及报警列表的种类与尺寸定义等。  
(8)  系统运行日志的定义，包括各种现场事件的认定、记录方式及各种操作的记录等。  
(9)  报表定义，包括报表的种类、数量、报表格式、报表的数据来源及在报表中各个数据项的运算处理等。  
(10)  事件顺序记录和事故追忆等特殊报告的定义。  
DCS的网络结构
1. DCS 的网络拓扑结构  
一般来说，网络的拓扑结构有总线型、环形和星形这 3 种基本形态。而实际上，对系统设计有实际意义的，只有两种，一种是共享传输介质而不需中央节点的网络，如总线型网络和环形网络；另一种是独占传输介质而需要中央节点的网络，如星形网络。共享传输介质会产生资源竞争的问题，这将降低网络传输的性能，并且需要较复杂的资源占用裁决机制；而中央节点的存在又会产生可靠性问题，因此在选择系统的网络结构时，需要根据实际应用的需求进行合理的取舍。当然最理想的网络是既可独占传输介质，又不需中央节点的结构形式，为了实现这一点，目前只有将各个节点之间全部使用点对点连接，但这种方式已不能称其为网络了，尤其在节点数量较大时，无论在具体的工程实施方面还是在系统成本方面都是不可行的。  
在共享传输介质类的网络中，常用的资源占用裁决机制有两种，一种是确定的传输时间分配机制，另一种是随机的碰撞检测和规避机制。  
在确定的传输时间分配机制中，主要采用两种方法进行时间的分配，一种是采用令牌(Token) 传递来规定每个节点的传输时间。令牌以固定的时间间隔在各个节点间传递，只有得到令牌的节点才能够传输数据，这样就可以避免冲突，也使各个节点都有相同的机会传输数据；另一种是根据每个节点的标识号分配时间槽 (Time Slot) ，各个节点只在自己的时间槽内传输数据，这种方法要求网络内各个节点必须进行严格的时间同步，以保证时间槽的准确性。      
随机碰撞检测和规避机制的最典型例子就是以太网，这是一种非平均分配时间的传输机制，即抢占资源的传输方式。各个节点在传输数据前必须先进行传输介质的抢占，如果抢占不成功则转入规避机制准备再次抢占，直至得到资源，在传输完成后撤销对介质的占用，而对占用介质时间的长短并不做强制性的规定。显然，这种方式对于要求传输时间确定性的实时系统是不适合的，因此在 DCS 中，以往只在高层监控和管理网中才使用以太网。
随着以太网交换技术的发展，总线型的以太网逐步演变成了星形结构，即将原来的传输介质占用方式由共享变成了独占，这种拓扑结构的变化解决了传输介质资源的占用冲突问题，为以太网用于实时系统铺平了道路，而带来的问题是网络中出现了中央节点，这个中央节点成为网络可靠性的瓶颈。目前交换式以太网的中央节点是一个交换器，最简单的交换器由一个高速的电子开关组成，其中只有节点地址识别和接通相应路径的功能，而没有信息缓存和转发等其他功能，因此这是一个简单的电子设备。对于这种简单电子设备，可靠性还是比较容易保证的。在 DCS 的底层，并不需要除物理交换以外更高级的网络功能，因此采用具有更高级功能的交换器，如三层交换是不必要的，这不但会增加成本，还会降低系统的可靠性。而在 DCS 的高层，因其提供的功能更偏重于信息系统，因此将会用到具有高级交换功能的交换器。