分布式微处理器控制系统在工业自动化中的应用

来源:用户上传      作者: 文志能

　　摘要： 自动控制系统在工业生产中的可靠性非常重要，如果发生控制系统失灵，可能会导致严重的后果。分布控制方式的可靠性比集中控制的可靠性要高得多。所以，近年来，工业的生产过程自动化中已经趋向于采用分布控制的方式。微处理器的出现大大地加快了分布控制系统的发展，它最适合于作为分级(分布)控制中的末级(前端)单元来使用。本文介绍一种为工业生产过程控制而采用的分布式微处理器控制系统的实施方法。
　　关键词： 工业自动化 分布式控制 微处理系统
　　
　　1、概述
　　自动控制系统在工业生产，特别是在流程工业(化工、石油精练等工业)的应用中，如果发生控制系统失灵，可能会导致严重的后果。因此系统可靠性这个因素在控制系统设计考虑中占有决定性的地位。据此，近年来，工业的生产过程自动化中已经趋向于采用分布控制的方式，这是由于它的可靠性比集中控制要高得多。在一个分布式系统中，某一部分失灵并不需要停止整个的生产过程，这是因为分布系统中每一部分都是独立地操作的。分布系统中的过程控制单元和通信网络的开发可以利用模块化技术。这种技术既可适用于硬件也可适用于软件的开发，并且是研制高可靠性的和易控制系统的关键。由模块化所形成的控制系统的灵活性，实际上增加了整个系统的完善性。此外，它还使系统容易实现，便于扩展或对其中一部分或全系统进行更换。
　　2、过程控制的要求
　　(1)分级结构
　　设计一个工厂控制用分布系统，要考虑整个系统的作业需要，而达到有层次的组织形式。这些作业可以从概念上分成好多层次，最末一级即前端级是紧密地和生产设备的具体控制对象相连接；第二级则要担负设备控制器的协调以产生一个统一的系统；最高一级则用作全厂的最佳化和信息管理。
　　(2)实时操作
　　在时间上有严格要求的实时操作贯穿于所有的层次，实时操作的执行对正确执行全厂作业来说是至关重要的，因为它们是分布控制系统设计的基础。大多数实时操作任务关联到具体的设备控制，可以包括顺序控制或连续控制，并带有辅助的监控和警报功能。重要的是，这些要求必须实现于安全和可靠的状态之下。前端单元也必须在实时状态之下协调，而这就要在通信处理、通信网络和各种通信协议上有严格的要求。最后，在监控和管理系统中也可以包括实时调度、记录和显示功能。
　　(3)辅助功能
　　分布控制系统也要提供一种通信手段和处理装置，它们用来提供次要的信息处理、数据记录或显示，这些辅助功能是使用了分布在系统中的各种外设来实现的。特别是它能为系统中各单元控制程序的在线编辑提供方便。
　　3、分布控制系统
　　分布控制系统可以连接成许多布局结构。通过分别对处理单元和通信网络的考虑来研究单元的功能以及它们在系统结构中的作用。通常采用模块化设计技术以产生灵活的系统。
　　(1)前端单元
　　前端单元形成自身独立的控制器。它们与就地的生产过程设备密切地结合起来，并作为一个数字量和模拟量的输入／输出接口。控制器既提供顺序的控制也提供连续的控制。前端单元往往安装在每一个机器上，以适应就地设备的需要。分布式独立单元完成设计所规定的过程控制程序及其有关的数据库，这便可防止当系统局部失灵时把误差传播到整个系统中去。
　　使用以微处理器为基础的专用过程控制单元能满足上述要求。前端单元硬件由Intel8086微处理器组成的。
　　前端单元的结构系统围绕着一个16位双向数据总线，它允许Intel8086或数据公用通道接口能够获得任何控制器插件板中的信息，系统使用了同轴数据公用通道和公用通道接口插件板，使一个远距离监控计算机或中央CRT显示终端能够获得存储在控制器中的存储器内的信息。该插件板请求处理机控制总线，寻址所需的存储单元和调整数据以便传送到正在请求的设备中去。系统通过这个接口实现分布控制，通过公用通道对所有单元之间进行通信。
　　前端单元的基本实时循环周期是由执行程序控制的，它必须与设备的需要相匹配，增加采样率的能力是由前端单元的工作负荷和控制算法的复杂性所决定。前端单元备有一个ROM存储器，其中包含有实时执行程序、算法库、用户DDC(直接数字控制)和顺序指令以及控制和顺序解释程序。特殊的控制参数和错误数据库也存在ROM中。在ROM中还存有专门用于通信处理和报文生成或报文翻译的程序。在前端单元中也提供了一个RAM的工作存储器。
　　ROM中存有许多控制算法。操作者可以通过一个按钮操作板来配置他的控制策略，也可以通过CRT控制站或直接通过小型计算机来作出他的选择。小型计算机是分级(分布)系统的最高一级。一般来讲，微处理器控制数据总线是通过ROM中的特定部分来实现存储在RAM中的控制策略。
　　(2)通信网络
　　前端单元可以由一个通信网络连接在一起以形成分布控制系统。发送到网络中去的信息用来控制和协调这些单元。对于设备操作至关重要的信息必须通过安全协议进行传送以及使用的安全码。网络还提供一种用于基础操作的器件，使不重要的数据传输采用较简单的办法。
　　对过程控制应用的网络可采用异步串行通信链路建立起来。这些链路能够经济地安装起来，一般只要使用普通的双铰线连接用于远距的接口；对于更高速可采用同轴电缆；对于超高速传输则采用光导纤维技术。
　　微处理器可以连接成各种分级的树型、星型或点对点型网络。网络通信使用路径选择报文技术(Routed MessageTech-nique)。从过程控制的观点出发，许多概念对这些网络是共同的，下面仅介绍星型(或称径向)网络。
　　在星型的网络中所有通信通过中央处理机，中央处理机扮演了一个报文协调者的角色。径端单元连接到生产过程设备的前端处理机(即前面所述的前端单元)，这些前端处理机通过径向链路与中央处理机进行通信。
　　(3)通信协议
　　整个系统具有三种可能的操作方式，它包含了中央处理机和前端处理机之间的相互通信。中央处理机负责报文的启动。
　　在各处理机之间的主要通信方法是通过标准报文。报文通信优先于其他通信。每一个报文系统按照一种严格的协议来构成的，协议提供了报文的发送和接收。用误差校验码来检测错误数据；语法误差的检测留给报文翻译程序去进行。在基本的操作方式中，各前端单元通过异步和基本上独立的操作来维持设备的控制。中央处理机通过产生询问报文对这些操作进行监控；如果需要校正或协调动作时，中央处理机发送命令报文到前端单元，前端单元作出正确执行的应答。该操作方式可以经过修正给出一种“透过”操作方式，在其中，中央处理机的控制台通过中央处理机可以启动一个特定的前端单元，并可以当作前端单元的控制台使用。这就允许操作者来询问或修改在分布处理机上的控制算法、顺序或数据库。在故障发生时还有第三个或链路失灵的操作方式，此时前端单元在完全独立状态下使用当前的数据库，将继续维持就地设备的控制直至通信被重新建立起来为止。在持续故障条件下，中央处理机将启动诊断和恢复程序。数据错误和通信失灵的各项记录被保持下来以便于维修。
　　(4)中央单元
　　中央处理机具有两个任务：它们对于分布系统的操作来说都是很基本的。作为报文的协调者和通信的监控者，中央处理机管理着整个通信网络。中央处理机也是理想的过程控制管理者，它对前端单元进行排序和协调，并记录状态数据和监控警报。它要花更多时间于数据记录、显示驱动和提供管理信息。中央处理机往往具有一个大的通信接口配套定额，并支持就地控制台或后备存储器。
　　中央处理机包括一个ROM存储器，存在执行程序，用于顺序和控制操作的程序库、编辑程序和翻译程序；用户指令和一个错误数据库以及加强的通信软件。中央处理机运行于它自己的实时执行程序。中央处理机也备有一个灿M工作存储器，其中一部分用于在数据记录／管理信息任务的系统状态和数据记录的中间存储。
　　4、小结
　　大规模集成电路和微处理器使分布式计算机控制系统从根本上改变了它们的能力和应用性。分布式计算机控制系统正在不断地迅速扩大其应用领域。分布式控制系统的模块化和灵活性使它们比集中系统更为可靠和易于实现。在许多情况下，它们在控制课题上呈现出一种更加吸引人和经济的答案。

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