浅谈DCS集散控制系统产品开发

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浅谈DCS集散控制系统产品开发

作者：佚名文章来源：不详点击数：更新时间：2008-9-24 17:33:02

ActiveX

根据微软的定义：支持组件对象模型（COM）的对象总称为"组件对象"。而现在流行的术语OLE－－即OLE2，支持COM，所以OLE对象也称为"组件对象"。一个组件对象不仅支持"对象链接与嵌入"，而且还可以远程调用或运行其它机器或网络中的组件对象等等，它的功能已远远超过了OLE字面所能表达的功能。为了适合未来更加复杂的应用，微软决定重新命名它，将所有这些组件对象统称为ActiveX。

随着OOP逐渐成为公认的编程主流，面向对象软件组件已成为事实上的标准。面向对象软件组件统称为ActiveX组件。经过一番扩展以后，ActiveX组件现在可提供对DCOM的支持。ActiveX是组件对象模型的一种物理实现方式，它为ActiveX组件的创建提供了基础。

ActiveX组件将程序逻辑封装起来，并可以进程内、本地进程外、远程进程外三种形式之一在网络中运行，为其它应用程序（客户机应用程序）提供服务。因此可以将ActiveX组件理解成"服务器"。它要么在"进程内"工作，即代码在与客户机应用程序相同的进程空间内执行（亦即一个DLL－－ActiveX DLL）；要么在"进程外"工作，即代码在同一机器的另一个进程内运行，或在远程电脑的另一个进程内执行（亦即一个EXE文件－－ActiveX EXE）。利用Visual Basic 5.0，Visual C++5.0或Visual J++等OOP语言，可以很方便地创建ActiveX DLL（进程内服务器）和ActiveX EXE（本地或远程进程外服务器）。

控制系统软件开发者可以将自己的应用程序逻辑编写成进程内ActiveX DLL或本地进程外ActiveX EXE或远程进程外ActiveX EXE，以向其他ActiveX组件或外部应用程序开放它们的部分或全部对象。

建立和使用ActiveX EXE实例的客户应用程序，可开放它们的对象，并在进程外使用它们。这意味着，ActiveX EXE中的代码运行在它自己的进程中，并且是在它自己的空间中，这可把它与客户应用程序的代码空间分离开来。

ActiveX DLL不能作为一个应用程序单独运行，但可以为应用程序提供对象的动态链接库。由于DLL中的代码与调用它的应用程序运行于同一进程中，所以能使程序执行得更快、更高效。

控制系统软件开发者可以利用ActiveX组件组装自己的应用程序。使用ActiveX组件的方法与在OOP中使用其它对象类似：
（1）创建一个你欲使用的ActiveX组件对象的实例；
（2）利用该对象的方法、属性和事件编写代码；
（3）使用完毕释放该对象；
（4）必要时进行错误处理。

下面是Visual Basic 5.0中一个说明怎样在程序中利用ActiveX组件的VB程序片段。假设已建立了一个窗体，该窗体包含三个文本框（Text1、Text2和Text3）和一个命令按钮（Command1），并且在进程中增加了对微软Excel 8.0对象库的引用。当单击命令按钮（Command1）时，在Command1_Click事件过程中按照Microsoft Excel公式计算Text1与Text2的和，并将相加的结果显示在Text3中。程序如下：

Private Sub Command1_Click（）
‘说明对象变量
Dim xlApp As Excel. Application
Dim xlBook As Excel. Workbook
Dim xlSheet As Excel. Worksheet
‘用Add方法创建对象的实例
Set xlApp = New Excel. Application
Set xlBook = xlApp. Workbooks.Add
Set xlSheet = xlBook. Worksheets.Add
‘将文本框中的数据赋给Excel单元
xlSheet. Cells（1,1）.Value = Text1. Text
xlSheet. Cells（2,1）.Value = Text2. Text
‘在Excel中，用Excel公式计算其和
xlSheet. Cells（3,1）. Formula = " = R1C1 + R2C1"
‘在Text3文本框中显示结果
Text3. Text = xlSheet. Cells（3,1）
‘保存工作表单
xlSheet. SaveAs" c:\Test.xls"
‘关闭Excel
xlApp. Quit
‘释放对象
Set xlApp = Nothing
Set xlBook = Nothing
Set xlSheet = Nothing
End Sub

为简单起见，程序中没有进行错误检查。用户在编程时应养成检查错误、处理错误的习惯。

由以上程序可以看出，其编程方法完全是OOP的方法。这并不奇怪，因为ActiveX组件本身就意味着对象之间的共享，ActiveX组件是一种客户机/服务器关系，在这种关系中客户机请求对象，服务器提供对象。然而，具体一个ActiveX组件是客户机还是服务器并没有一个明显的界限。前面我们说可以把ActiveX组件理解成是一个服务器，因为它为用户程序（客户应用程序）提供服务；然而在其它场合，ActiveX组件本身往往还要向其它ActiveX组件请求服务，这时它又担当客户机的角色。

不管怎样，利用ActiveX组件组装成的应用程序，其结构必然是客户机/服务器结构，客户机/服务结构是网络发展的必然结果。

4.3 客户机/服务器结构

综观计算机网络系统结构的发展，大致可分为三个阶段：集中式结构、文件服务器结构以及客户机/服务器结构。这三个阶段代表了计算机网络系统结构发展的里程和趋势。

在六、七十年代，如果一家公司需要真正的计算能务（比如，天气预报、地震预报数据处理等等）便会考虑使用大型机，大型机代表一种集中式系统结构。

在集中式结构中，只有两种关键组件：服务器和客户机终端。客户机与服务器之间传输的唯一数据是用户的按键调度信息以及由服务器返回的终端字符。集中式结构伯优点包括出色的安全性以及可实现集中管理，这是因为无论应用程序逻辑还是数据都驻留于同一台机器－－服务器上；同时也意昧着服务器的费用太高，因为它要完成网络中所有的计算。由于应用程序逻辑和数据都驻留于服务器上，集中式结构没有办法真正划分应用程序逻辑。

在本世纪80年代，PC机进入了商业舞台并逐渐走入千家万户。不久，局域网问世，同时引入了文件服务器的崭新概念。

文件服务器结构以DOS局域网和Windows3.X为代表。它使得廉价的PC机联成网络，共享资源。这对于那些根本没有实力实现大型机方案的公司来说，PC机无疑是他们的救星。但是，在这种结构中，应用程序逻辑总是在客户工作站上执行，使用的是客户机的CPU，而不是像集中式结构那样在服务器上执行。这意味着，客户机要有足够的计算能力，以便执行需要的任何应用程序，或能完成任何必要的任务。这无形中增加了客户机的负担，从而抵消了PC机价格低廉的优点。

为了折中考虑费用与性能问题，引入了客户机/服务器结构。在这种结构中，允许应用程序逻辑在用户工作站、服务器（不再称为"文件服务器"）或者两者上运行。SQL Server、Oracle等是客户机/服务器结构的代表。

在客户机/服务器结构中，同时至少有两个独立的应用程序在运行：一个是客户应用程序（简称为客户）；另一个是服务器应用程序（简称为服务器）。客户提出请求，服务器响应请求并为其服务。为了完成一项特定的任务，客户和服务器协同工作，以提高运行速度和效率。例如，在网络环境中，用户在客户端发出SQL命令查询服务器上某数据库中的数据，在文件服务器和客户机/服务器这两种结构中，该命令的执行情况是不一样的。如果读者不能区分它们之间的差别，就不可能充分利用客户机/服务器结构为我们提供的强大功能。

事实上，在基于文件服务器的结构中，查询是在客户端赋值并执行的。这就意味着，如果查询涉及的表中有10000条记录，那么查询逻辑会请求服务器通过网络将包含这10000条记录的表全部传送到自己这儿（客户端），在客户端进行查询处理。而在基于客户机/服务器原结构里，SQL语句本身将通过网络传送并在服务器内执行，服务器使用自己的CPU处理完SQL语句后，只把处理结果（成功或失败）通过网络反馈回客户端。显然，这大大减轻了网络的负载，同时也缩短了执行时间。这是对基于文件服务器结构性能的一个重要改进。

综上所述，大型机和基于文件服务器的系统由于应用程序逻辑必须在大型机内运行（针对集中式结构）或必须在客户机内执行（针对文件服务器结构），所以不能提供一个真正可伸缩的系统框架。而客户机/服务器系统至少由两部分组成：一台发出请求的客户机，一台为请求服务的服务器。这两个部分协同工作，应用程序逻辑则分布于客户和服务器之间。这样一来，就为开发运行更快、更高效的应用程序提供了基础。

Intranet和Internet为客户机/服务器结构提供了极好的机遇。当今的Web技术就是一个典型的客户机/服务器结构：浏览器是客户机，Web站点是服务器。

4.4 软件开发建议

在DCS网络环境下运行的应用程序，应该是遵循COM/DCOM标准、通过ActiveX实现的客户机/服务器结构的应用程序。因为这样的应用程序是由ActiveX组件组装而成的，与其它应用程序结构相比更加健壮、可伸缩性强且容易维护。

另外，应注意：由于微软的重新命名，OLE文档已成为ActiveX文档；OLE控件已成为ActiveX控件；等等。从而OLE这一术语才真正像它早期缩写的含义那样，代表"对象链接与嵌入"，而OLE中一些关键技术和组件则成为重新命名后的ActiveX技术和组件。

需要指出的是，究竟采用何种软件进行开发并不十分重要。采用Visual Basic 5.0以上版本的软件可以开发出人机界面十分友好的组态软件和监视软件，这也被大量的专业化组态软件公司优先采用，毕竟它是几乎所有软件编制人员最易上手的工具。它本身具备良好的可视化界面（所见即所得）和良好的结构化风格，允许多人协同工作。由于最大的软件开发工作量之一是编制界面，我们没有必要选择太专业化的开发工具，因为熟悉和掌握是需要较长时间。也有公司采用Visual Basic & Visual C++5.0或Visual J++等语言，可以相互弥补各自的不足。近段时间，国内外有不少公司试着采用Java甚至HTML语言编制动态的组态软件，将枯燥乏味的组态软件工作当作是动画编辑，逐步得到人们的首肯。这对今后工业以太网控制系统的大量应用无疑将占尽先机，也逐步展现出迷人的前景。

5．DCS向FCS系统的过渡及其发展方向

前面我们介绍了，今后DCS系统的发展必将是以在DCS的基础上发展起来的FCS替代现在的DCS，因为FCS顺应了自动控制系统的发展潮流。

为了今后的开发工作不迷失方向，我们有必要了解FCS的主要构成、现状和未来的发展方向，应该说，今天我们讨论的DCS应该是今后的FCS：

5．1七十年代以前，控制系统中采用模拟量对传输及控制信号进行转换、传递，其精度差、受干扰信号影响大，因而整个控制系统的控制效果及系统稳定性都很差。七十年代末，随着大规模集成电路的出现，微处理器技术得到很大发展。微处理器功能强、体积小、可靠性高、通过适当的接口电路用于控制系统，控制效果得到提高；但是尽管如此，还是属于集中式控制系统。随着过程控制技术、自动化仪表技术和计算机网络技术的成熟和发展，控制领域又发生了一次技术变革。这次变革使传统的控制系统（如集散控制系统）无论在结构上还是在性能上都发生了巨大的飞跃，这次变革的基础就是现场总线技术的产生。

5．2现场总线是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络，它也被称为现场底层设备控制网络（INFRANET）。80年代以来，各种现场总线技术开始出现，人们要求对传统的模拟仪表和控制系统变革的呼声也越来越高，从而使现场总线成为一次世界性的技术变革浪潮。美国仪表协会（ISA）于1984年开始制订现场总线标准，在欧洲有德国的PROFIBUS和法国的FIP等，各种现场总线标准陆续形成。其中主要的有：基金会现场总线FF（Foundation Fieldbus）、控制局域网络CAN（Controller Area Network）、局部操作网络LonWorks（Local Operating Network）、过程现场总线PROFIBUS（Process Field Bus）和HART协议（Highway Addressable Remote Transducer）等。但是，总线标准的制定工作并非一帆风顺，由于行业与地域发展等历史原因，加上各公司和企业集团受自身利益的驱使，致使现场总线的国际化标准工作进展缓慢。但是不论如何，制定单一的开放国际现场总线标准是发展的必然。

5．3　当前流行的几类现场总线

5．3．1　基金会现场总线FF

基金会现场总线FF是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的一种技术。其前身是以美国Fisher－Rosemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地150家公司制定的World FIP协议。这两大集团于1994年9月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。

基金会现场总线分为H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为31.25Kbps，通信距离可达1.9km，可支持总线供电和本质安全防暴环境。H2的传输速率可为1Mbps和2.5Mbps两种，通信距离为750m和500m。物理传输介质可为双绞线、光缆和无线，其传输信号采用曼切斯特编码。基金会现场总线以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。FF总线包括FF通信协议、ISO模型中的2～7层通信协议的通栈、用于描述设备特性及操作接口的DDL设备描述语言、设备描述字典，用于实现测量、控制、工程量转换的应用功能块，实现系统组态管理功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。

5．3．2　CAN总线

CAN总线最早是由德国Bosch公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准，并且广泛应用于离散控制领域。它也是基于OSI模型，但进行了优化，采用了其中的物理层、数据链路层、应用层，提高了实时性。其节点有优先级设定，支持点对点、一点对多点、广播模式通信。各节点可随时发送消息。传输介质为双绞线，通信速率与总线长度有关。CAN总线采用短消息报文，每一帧有效字节数为8个；当节点出错时，可自动关闭，抗干扰能力强，可靠性高。

5．3．3　LonWorks总线

LonWorks技术是美国ECHELON公司开发，并与Motorola和东芝公司共同倡导的现场总线技术。它采用了OSI参考模型全部的七层协议结构。LonWorks技术的核心是具备通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片实现完整的LonWorks的LonTalk通信协议。其上集成有三个8位CPU。一个CPU完成OSI模型第一和第二层的功能，称为介质访问处理器。一个CPU是应用处理器，运行操作系统与用户代码。还有一个CPU为网络处理器，作为前两者的中介，它进行网络变量寻址、更新、路径选择、网络通信管理等。由神经芯片构成的节点之间可以进行对等通信。LonWorks支持多种物理介质并支持多种拓扑结构，组网方式灵活，其IS－78本安物理通道使得它可以应用于危险区域。LonWorks应用范围主要包括楼宇自动化、工业控制等，在组建分布式监控网络方面有较优越的性能。

5．3．4　PROFIBUS总线

PROFIBUS是符合德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50179的现场总线，包括 PROFIBUS－DP、PROFIBUS－FMS、PROFIBUS－PA三部分。它也只采用了OSI模型的物理层、数据链路层、应用层。PROFIBUS支持主从方式、纯主方式、多主多从通信方式。主站对总线具有控制权，主站间通过传递令牌来传递对总线的控制权。取得控制权的主站，可向从站发送、获取信息。PROFIBUS－DP用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域。FMS型适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。而PA型则是用于过程自动化的总线类型。

5. HART总线　　

HART协议是由Rosemount公司于1986年提出的通信协议。它是用于现场智能仪表和控制室设备间通信的一种协议。它包括ISO/OSI模型的物理层、数据链路层和应用层。HART通信可以有点对点或多点连接模式。这种协议是可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品，因而在当前的过渡时期具有较强市场竞争力，在智能仪表市场上占有很大的份额。

5．4　现场总线控制系统（FCS）的结构与特点

5．4．1　结构

随着现场总线技术的出现和成熟，促使了控制系统由集散控制系统（DCS）向现场总线控制系统（FCS）的过渡。在一般的FCS系统中，遵循一定现场总线协议的现场仪表可以组成控制回路，使控制站的部分控制功能下移分散到各个现场仪表中。从而减轻了控制站负担，使得控制站可以专职于执行复杂的高层次的控制算法。对于简单的控制应用，甚至可以把控制站取消，在控制站的位置代之以起连接现场总线作用的网桥和集线器，操作站直接与现场仪表相连，构成分布式控制系统。

5．4．2　特点

分布式的FCS系统比DCS系统更好地体现了“信息集中，控制分散"的思想。与传统的DCS 相比，FCS有其自身的特点。FCS系统具有高度的分散性，它可以由现场设备组成自治的控制回路。现场仪表或设备具有高度的智能化与功能自主性，可完成控制的基本功能，并可以随时诊断设备的运行情况。另外，FCS的结构比DCS简化。有的FCS系统省略了DCS中控制站这一层，操作站直接与现场仪表相连。这些使FCS的可靠性得到提高。

现场总线系统具有开放性。系统对相关标准具有一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换，通过现场总线可构筑自动化领域的开放互连系统。系统的开放性决定了它具有互操作性和互用性。互操作性指互连设备间、系统间信息传送与沟通；而互用则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。作为工厂网络底层的现场总线还对现场环境有较强地适应性。它支持双绞线、同轴电缆、光缆、无线和电力线等，具有较强的抗干扰能力。

由于结构上的改变，FCS比DCS更节约硬件设备。使用FCS可以减少大量的隔离器、端子柜、I/O卡及I/O端口，这样就节省了I/O装置及装置室的空间；同时减少了大量电缆，可以极大地节省安装费用。与此同时，FCS比DCS性能有所提高。由于免去了D/A与A/D变换，使仪表精度得到极大的提高；通过将PID功能植入到相应的智能传感器中去，使控制周期大为缩短。目前FCS可以从DCS的每秒调节2～5次增加到每秒调节10～20次，改善了调节性能。FCS控制系统与DCS控制系统结构比较见图1。

5．4．3　现场总线的优点

由于现场总线的以上特点，特别是其系统结构的简化，使其从设计、安装、投运到正常生产运行及检修维护，都体现出优越性。它不仅节省了硬件数量与投资，节省了安装费用，而且系统的维护开销也大大地降低。现场总线控制系统不仅精确度与可靠性高，在方便使用和维护性方面，FCS也比DCS有优势。FCS使用统一的组态方式，安装、运行、维修简便；利用智能化现场仪表，使维修预报（Predicted maintenance）成为可能；由于系统具有互操作性和互用性，用户可以自由选择不同品牌的设备达到最佳的系统集成，在设备出现故障时，可以自由选择替换的设备，保障用户的高度系统集成主动权。

此外，它还具有设计简单，易于重构等特点。

5．4．4　发展趋向

传统的集散控制系统（DCS系统）具有集中监控、分散控制、操作方便的特点。但是，在实际应用中也发现DCS的结构存在一些不足之处，如控制不能做到彻底分散，危险仍然相对集中；由于系统的不

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