1 DCS系統(tǒng)的模型

　　DCS控制系統(tǒng)是控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)及圖形顯示技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其一般的體系結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。由圖1 DCS控制系統(tǒng)模型框圖可知，DPU指的是分布處理單元。DCS控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)分為3層：過(guò)程控制層、監(jiān)控層和管理層。其中過(guò)程控制層是DCS系統(tǒng)控制的基礎(chǔ)，其設(shè)備的主要功能是控制接口、現(xiàn)場(chǎng)控制單元、檢測(cè)儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu);監(jiān)控層主要由監(jiān)控計(jì)算機(jī)、高級(jí)操作站和接口裝置構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)操作監(jiān)視、系統(tǒng)報(bào)警、趨勢(shì)顯示及系統(tǒng)診斷等功能;管理層主要由管理計(jì)算機(jī)組成，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的管理工作。

　　DCS控制系統(tǒng)的冗余設(shè)置大部分都與過(guò)程控制層和監(jiān)控層有關(guān)，因此大部分的冗余技術(shù)都與過(guò)程控制層相關(guān)。下面結(jié)合*新的基于ARM控制器的分布式處理單元，對(duì)DCS控制系統(tǒng)中采用的冗余技術(shù)中的分布處理單元冗余和網(wǎng)絡(luò)冗余進(jìn)行討論。

　　2 基于ARM的分布處理單元結(jié)構(gòu)

　　基于ARM的分布處理單元的結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖2，這和一般的分布處理單元的結(jié)構(gòu)非常相似。這里主要把處理單元分為6部分：ARM控制器、上層網(wǎng)絡(luò)模塊、電源管理模塊、存儲(chǔ)器模塊、低層網(wǎng)絡(luò)模塊和時(shí)鐘模塊。ARM控制器和存儲(chǔ)模塊組成了*基本的嵌入式系統(tǒng)，整個(gè)DCS控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和控制策略都是在這里處理的。上層網(wǎng)絡(luò)模塊主要是指和管理層通信的主/冗余網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)實(shí)現(xiàn)主/冗余分布處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的網(wǎng)絡(luò)，這部分的主要功能是完成管理層對(duì)DCS控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和實(shí)現(xiàn)主/冗余分布處理單元的數(shù)據(jù)冗余。底層的網(wǎng)絡(luò)模塊是由分為主次的2條485網(wǎng)絡(luò)組成，此模塊主要實(shí)現(xiàn)ARM控制器的I/O卡件之間的數(shù)據(jù)通信。存儲(chǔ)器模塊可分為兩部分，一部分用來(lái)管理存放操作系統(tǒng)，另一部分用來(lái)管理存放實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。電源模塊和時(shí)鐘模塊分別實(shí)現(xiàn)電源的管理和時(shí)鐘的管理。

　　3 控制器冗余

　　分布式處理單元的冗余根據(jù)冗余度可以分為冗余度為1∶1和1∶n兩種情況。這在每個(gè)DCS廠家的產(chǎn)品中是不同的。這兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。這里介紹的是冗余度為1∶1的冗余設(shè)置。

　　分布處理單元冗余度為1∶1，就是將2塊組態(tài)*一樣的控制器設(shè)置成冗余方式。在投入運(yùn)行時(shí)，若出現(xiàn)故障，兩分布處理單元之間能實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

　　本系統(tǒng)所采用的分布處理單元均帶3個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，其中2個(gè)網(wǎng)口分別連接到A網(wǎng)和B網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)各工作站點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信，第3個(gè)網(wǎng)口通過(guò)對(duì)等網(wǎng)數(shù)據(jù)連接子分布處理單元間(對(duì)等網(wǎng)數(shù)據(jù)現(xiàn)可選用光纖作傳輸介質(zhì))，用來(lái)傳輸主、從分布處理單元之間的備份數(shù)據(jù);分布處理單元之間的狀態(tài)信息由串口傳輸。冗余分布處理單元與網(wǎng)絡(luò)的連接見(jiàn)圖3。

　目前的網(wǎng)絡(luò)控制器都提供了命令、診斷、配置和狀態(tài)寄存器，通過(guò)讀寫這些寄存器，便可以區(qū)分上述5種情況。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，各種因素都可能存在，為了在線反映網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以設(shè)置一張網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)表，記錄各節(jié)點(diǎn)上每塊網(wǎng)卡的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)某節(jié)點(diǎn)上1塊或2塊網(wǎng)卡的狀態(tài)改變時(shí)，其他節(jié)點(diǎn)應(yīng)能在盡可能短的時(shí)間內(nèi)知道。為此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的2塊網(wǎng)卡需要定時(shí)廣播1個(gè)測(cè)試包，表明該節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)卡存在。其他節(jié)點(diǎn)收到此包時(shí)，修改網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)表中此節(jié)點(diǎn)上相應(yīng)網(wǎng)卡的狀態(tài)。然而在運(yùn)行過(guò)程中，如果某節(jié)點(diǎn)的1塊網(wǎng)卡離線，它將既不能接收、也不能發(fā)送。而在此之前，它已在其他節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)表上登記了，其他節(jié)點(diǎn)將認(rèn)為該網(wǎng)卡存在且正常，顯然沒(méi)有反映網(wǎng)卡運(yùn)行的真正狀態(tài)。為了準(zhǔn)確反映網(wǎng)卡的狀態(tài)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的2塊網(wǎng)卡定時(shí)廣播測(cè)試包的同時(shí)，將本節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)表中所有網(wǎng)卡狀態(tài)計(jì)數(shù)加1，直到*大值LIMIT。每當(dāng)收到某節(jié)點(diǎn)的測(cè)試包時(shí)，將該節(jié)點(diǎn)相應(yīng)網(wǎng)卡的狀態(tài)計(jì)數(shù)清為0。這樣，保證狀態(tài)數(shù)小于*大值LIMIT和定時(shí)廣播周期就可以在線實(shí)時(shí)監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，準(zhǔn)確反映節(jié)點(diǎn)所處的狀態(tài)。在2個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間還可以添加具有路由功能的網(wǎng)間傳輸設(shè)備，當(dāng)2個(gè)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)出現(xiàn)故障時(shí)，網(wǎng)間傳輸設(shè)備也能自動(dòng)尋找可行路徑，組成1個(gè)環(huán)路，保持系統(tǒng)的正常通信。

　　對(duì)于測(cè)試包的廣播，只要本節(jié)點(diǎn)上的網(wǎng)卡在線運(yùn)行，即從相應(yīng)的鏈路發(fā)送，測(cè)試包發(fā)送完畢之后，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)表，可以選擇一條正常運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)數(shù)較少的，負(fù)荷較輕的鏈路，用于數(shù)據(jù)包發(fā)送。雙網(wǎng)的工作流程見(jiàn)圖4。

6ES7   307-1BA01-0AA0電源模塊(2A)6ES7 307-1EA01-0AA0電源模塊(5A)6ES7 307-1KA02-0AA0電源模塊(10A)CPU
6ES7   312-1AE13-0AB0CPU312，32K內(nèi)存6ES7 312-1AE14-0AB0
6ES7 312-5BE03-0AB0
6ES7312-5BF04-0AB0CPU312C，32K內(nèi)存   10DI/6DO6ES7 313-5BF03-0AB0
6ES7313-5BG04-0AB0CPU313C，64K內(nèi)存   24DI/16DO / 4AI/2AO6ES7 313-6BF03-0AB0
6ES7313-6BG04-0AB0CPU313C-2PTP，64K內(nèi)存   16DI/16DO6ES7 313-6CF03-0AB0
6ES7313-6CG04-0AB0CPU313C-2DP，64K內(nèi)存   16DI/16DO6ES7 313-6CF03-0AM0CPU313C-2DP，64K內(nèi)存   16DI/16DO組合件（6ES7 313-6CF03-0AB0+6ES7 392-1AM00-0AA0）6ES7 314-1AG13-0AB0CPU314,96K內(nèi)存6ES7 314-1AG14-0AB0CPU314,128K內(nèi)存6ES7 314-6BG03-0AB0
6ES7314-6BH04-0AB0CPU314C-2PTP   96K內(nèi)存 24DI/16DO / 4AI/2AO6ES7 314-6CG03-0AB0
6ES7314-6CH04-0AB0CPU314C-2DP   96K內(nèi)存 24DI/16DO / 4AI/2AO6ES7 314-6EH04-0AB0CPU314C-2PN/DP   192K內(nèi)存/24DI/16DO/ 4AI/2AO6ES7 314-6CG03-9AM0CPU314C-2DP   96K內(nèi)存 24DI/16DO / 4AI/2AO組合件(6ES7 314-6CG03-0AB0+6ES7 392-1AM00-0AA0*2)6ES7 315-2AG10-0AB0CPU315-2DP,   128K內(nèi)存6ES7 315-2AH14-0AB0CPU315-2DP,   256K內(nèi)存6ES7 315-2EH13-0AB0
6ES7315-2EH14-0AB0CPU315-2   PN/DP, 256K內(nèi)存6ES7 317-2AJ10-0AB0
6ES7317-2AK14-0AB0CPU317-2DP,512K內(nèi)存6ES7 317-2EK13-0AB0
6ES7317-2EK14-0AB0CPU317-2   PN/DP,1MB內(nèi)存6ES7 318-3EL00-0AB0
6ES7318-3EL01-0AB0CPU319-3PN/DP,1.4M內(nèi)存

PLC也是基于計(jì)算機(jī)的技術(shù)，并日益完善。故它也*可以用于數(shù)字量控制。

PLC可接收計(jì)數(shù)脈沖，頻率可高達(dá)幾k到幾十k赫茲。可用多種方式接收這脈沖，還可多路接收。有的PLC還有脈沖輸出功能，脈沖頻率也可達(dá)幾十k。有了這兩種功能，加上PLC有數(shù)據(jù)處理及運(yùn)算能力，若再配備相應(yīng)的傳感器（如旋轉(zhuǎn)編碼器）或脈沖伺服裝置（如環(huán)形分配器、功放、步進(jìn)電機(jī)），則*可以依NC的原理實(shí)現(xiàn)種種控制。

高、中檔的PLC，還開(kāi)發(fā)有NC單元，或運(yùn)動(dòng)單元，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制。運(yùn)動(dòng)單元還可實(shí)現(xiàn)曲線插補(bǔ)，可控制曲線運(yùn)動(dòng)。所以，若PLC配置了這種單元，則*可以用NC的辦法，進(jìn)行數(shù)字量的控制。

新開(kāi)發(fā)的運(yùn)動(dòng)單元，甚至還發(fā)行了NC技術(shù)的編程語(yǔ)言，為更好地用PLC進(jìn)行數(shù)字控制提供了方便。

3.4用于數(shù)據(jù)采集

隨著PLC技術(shù)的發(fā)展，其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)越來(lái)越大。如德維森公司的PLC，其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)（DM區(qū)）可達(dá)到9999個(gè)字。這樣龐大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，可以存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集可以用計(jì)數(shù)器，累計(jì)記錄采集到的脈沖數(shù)，并定時(shí)地轉(zhuǎn)存到DM區(qū)中去。

數(shù)據(jù)采集也可用A/D單元，當(dāng)模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再定時(shí)地轉(zhuǎn)存到DM區(qū)中去。

PLC還可配置上小型打印機(jī)，定期把DM區(qū)的數(shù)據(jù)打出來(lái)。

PLC也可與計(jì)算機(jī)通訊，由計(jì)算機(jī)把DM區(qū)的數(shù)據(jù)讀出，并由計(jì)算機(jī)再對(duì)這些數(shù)據(jù)作處理。這時(shí)，PLC即成為計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)終端。