摘要 简扼地介绍了AutoMax DCS控制系统模块化的结构，各模块的功能特点，系统分时多任务的工作方式，基于Windows环境的集成编程控制系统以及系统的维护和改造。重点强调了系统硬软件的易维护、故障诊断功能、在线监控功能及系统改造的特点。
一、概述
AutoMax DCS控制系统是美国Reliance电气公司（现隶属于美国Rockwell集团）设计生产的集传动调节器、可编程控制器及过程控制器于一体的分布式控制系统。该系统采用了数字化、模块化的设计，提供了各种功能模块，因此，在系统的组建上非常简单方便，并且组建的系统功能强大，运行的可靠性、稳定性好。此外，该系统的控制任务（我们常称为控制程序）的编写采用增强型BASIC语言、控制块语言及梯形图逻辑语言，使设备维护人员不仅能很快熟悉整个控制系统及明白其中控制原理，而且，该系统还为设备维护人员提供了功能强大的在线监控及修改控制任务的功能，使设备维护人员对设备的维护极为方便。
二、系统的构成
在AutoMax DCS中，它提供了各种功能模块，如：AutoMax框架、AutoMax电源、公共内存模块、CPU模块、网络通讯模块、AutoMax输入输出接口模块及各种数字量、模拟量输入输出卡等。因此组建AutoMax DCS控制系统时，只要根据系统的需要选用所需的模块即可。图1示出一个典型的AutoMax DCS系统的框图。图中，虚线框内是由一个AutoMax框架构成的DCS控制器（又称为单体AutoMax DCS控制系统）。而多个单体AutoMax DCS控制系统通过网络通讯模块连接在一起构成了一个大型的AutoMax DCS控制系统。在该控制系统中，可以完成的功能有：(1)与各种数字式直流驱动器、交流变频器连接，以实现对传动调节及控制。(2)与各种数字量、模拟量输入输出卡及LED显示器相连，以完成输入输出量的控制及显示。(3)作监控用的PC可以与AutoMax DCS控制系统联机，进行实时监视及控制。
在大型的AutoMax DCS控制系统中，它是由多个单体的AutoMax DCS控制系统构成的，并且各个单体AutoMax DCS控制系统的构成原理是相同的，下面对图1中单体的AutoMax DCS控制系统作较详细的说明。
1．AutoMax框架可插接各种模块的框体，底板采用Intel多总线，多个CPU同时工作。有10个插槽及16个插槽两种任选。
2．电源模块提供功能模块所需的各种电压，另有操作权限的钥匙开关，分别为监视、设置及编程三个位置。钥匙开关拨到不同的位置时，监控PC对系统能实行的功能是不同的，对系统起到一种保护作用。
3．公共内存模块存储输入输出等公共变量，且可以为各个CPU对公共内存的访问，以先到先服务的原则服务。
4． CPU模块DCS控制系统执行应用任务的核心模块。每个AutoMax框架中，至少要有一块CPU模块，最多能有四块。当一个AutoMax框架中有两块或更多CPU模块时，框架中的最左边的0号插槽（紧靠电源模块的插槽）必须留出来插上公共内存模块，CPU模块插到1～4号插槽中。
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5．网络通信模块它为不同的AutoMax框架或Reliance公司生产的传动调节器之间构成通信控制网络，以实现数据收发的模块。其常见的拓朴形式有星形及总线形。对于星形拓朴，网络通信模块一般是使用光纤通过集线器HUB与各节点进行连接。而总线形拓朴，网络通信模块一般是使用同轴电缆与各节点连接，图1中网络通信模块即是使用总线形拓朴。在该模块中，最多可以连接55个从节点，其中，各个节点可以分别发送及接收32个16位的数据。在实际应用中，某些节点可能需要收发更多的数据，此时，可以通过调整该节点的节点深度的数值来实现。例如：当该节点的节点深度为1时，则收发量分别为32个16位的数据，而当节点深度为n时（1≤n≤55)，则该节点的数据收发量是节点深度为1时的n倍。在该模块中，其通信的工作原理是：该模块使用主从通信协议，因此，该模块在使用时，必须先设置其为主节点还是从节点，它是通过定义节点号来实现的，当节点号为0时，它为主节点，节点深度只能为1，且一个通信网络中只能有一个主节点。当节点号为1～55之间时，为从节点，节点深度可为1～55之间的值。但在一个通信网络中，包括由节点深度生产的虚拟节点在内，最多只能有55个从节点。在图1的单体AutoMax DCS系统中，使用了两块网络通信模块，从而可以构成两个通信网络，其中，对于左边的与其他AutoMax框架相连的网络通信模块，可按使用的需要而设定为主节点或从节点；而右边的与各传动调节器相连的模1fb2块，只能设定为主节点，以完成对各调节器的控制。这样，在通信时，主节点模块负责先对通信网络进行初始化，然后，按1～55的节点序号查找第一个激活的从节点，以广播的形式向该节点发送数据，其中数据包中除了32个16位的数据外，还包含了一个接收该数据包的目的节点的地址编码。这样，各从节点虽然同时收到该数据包，但只有节点号与目的节点的地址编码一致的从节点作出响应，接收该数据包中的数据，之后该从节点亦同样地把所需发送的数据以广播的形式发送到通信网络中，从而主节点即可读入所需的数据。如果该节点的节点号为a且节点深度n不为1，则对该节点需进行n次收发过程，节点号分别表示为a至（a+n－1)。这样，主节点对第一个激活的从节点通信完成后，便查找网络中第二个激活的从节点并与之进行上述的通信过程。当网络中所有的激活的从节点都通信完一次后，主节点模块将查找第一个未激活的节点并检验，如激活则置激活标志（注：下次查找时将检验下一个未激活的节点，且每次只顺序检验一个未激活的节点）。至此，才完成一次通讯循环，下次循环时重复上述过程。
6．AutoMax输入输出接口模块它是一个串行通信模块，其作用主要使AutoMax DCS与外部输入输出设备进行信息交换，从而实现对设备的控制。其中每个输入输出接口模块均有8个（□0～□7）可独立使用的通信讯口，每个端口分别用8个16位的寄存器作数据输出及输入。其拓朴形式主要有两种，第一种是两个都作主模块以异步通信形式进行连接。连接时AutoMax输入输出接口模块的某端口的发送输出端T＋、T－用双绞线接到另一个主模块的接收输入端R+、R－；另一个主模块的T＋、T－亦用双绞线接到该端口的R＋、R－。这种方式中两个主模块的通信端口最多可以各发送及接收8个16位的数据。另一种方式是一个主模块与多个从模块进行连接。这种形式主要是使输入输出接口模块的通信端口与各种数字量、模拟量输入输出卡或LED显示器连接以实现输入输出的控制或显示，在连接时，输入输出接口模块的某端口的发送输出端用双绞线连到第一块从模块的接收端，第一块从模块的发送端用双绞线连到下一个从模块的接收端，如此连接，直到最后一个从模块的发送端连到该输入输出接口模块端口的接收端。此时，该端口每次最多只能收发（8×16)位加1位开始位共129位的数据，因此，每个端口最多只能与8块16位的输入输出卡相连。在此，当某端口只与LED显示器相连以进行数据显示用时，可修改该端口的配置而使接收端口不用连线。
7．各种输入输出卡在AutoMax中，配有各种规格的功能卡，其中采用高密度设计的AutoMax系列的使用24V DC电源的输入输出卡较为常用，并且该系列的功能卡在使用时，可根据现场输入输出点的需要而选择所需的I/O卡插到AutoMax输入输出卡框架中即可，使系统的配置及维护都很方便。因此下面就该系列的I/O卡作介绍。其中，每块数字量输入卡，可以提供16个经过光电隔离保护的开关量输入通道；每块数字量输出卡可以提供16个经继电器输出的开关量通道。每个模拟量输入卡可以提供4个12位分辨率的能把标准的电压或电流信号转换为0～4095数值的模拟量输入通道；每个模拟量输出卡可以提供4个12位分辨率的将0～4095数字量转换为标准的电压或电流信号的模拟量输出通道。
此外，作监控用的PC可以与AutoMax框架的CPU模块或网络通信模块构成的控制网中的总线相连，以实现对系统的监控。
至此，已经对该单体的AutoMax DCS系统的功能模块作了介绍，且在该单体的AutoMax DCS中，示意地用到了如下模块：一个AutoMax框架、一块电源模块、一块公共内存模块、两块CPU模块、两块网络通信模块、两块AutoMax输入输出接口模块及各种UO卡和LED显示器。其中，两块网络通信模块中，一块用于与其它单体AutoMax DCS系统进行通信，以便构成一个大型的AutoMax DCS控制系统；另一块用于与各个传动调节器连接，以完成传动的控制。而两块AutoMax输入输出接口模块与各种现场I/O卡及LED显示器连接，以完成输入输出的控制及显示。在应用中，可根据需要而选择相应的功能模块即可。有时，甚至用很少的功能模块即可构建一个功能强大的DCS控制系统。例如笔者见到的具有20世纪90年代国际先进水平的用于生产无碳复写纸及热敏传真纸的涂布机的AutoMax DCS控制系统，它只用了一个10个插槽的AutoMax框架、一块电源模块、一块公共内存模块、两块CPU模块、四块AutoMax输入输出接口模块，即完成了13台分部传动的直流驱动器、350多个数字量输入点、350多个数字量输出点、3个模拟量输入通道、19个模拟量输出通道及部分LED显示器的控制，并且在AutoMax输入输出接口模块中，还有多余的通信端口。
三、系统控制原理
AutoMax DCS控制系统是一个多任务多语言编程控制系统，因此在一个DCS控制系统中，可能存在如下三种语言编写的控制程序：BASIC语言程序、控制块语言程序及梯形图逻辑语言巷序。而所有这些控制程序在一个大的AutoMax DCS控制系统中，其控制的实现是由各个AutoMax框架中的CPU模块运行各自框架中的应用程序来完成的，各个AutoMax框架之间通过网络通讯模块进行通讯以实现数据交换。在一个AutoMax框架中的各个CPU模块是采用分任务独立控制，需共享的数据到公共内存模块中存取（框架中的输入输出变量及各任务之间需共用的变量都被定义为公共变量而存储在公共内存模块中）。而对于每个CPU模块，它对应用程序的运行是采用分时多任务的工作方式。
什么叫分时多任务的工作方式呢？下面加以举例说明。nextpage
在AutoMax DCS中，控制任务的编写可以根据控制的需要而选择最适合的编程语言，从而系统中可以存在三种语言编写的应用任务。而在这些应用任务中，它们要设定如下参数：第一是应用任务由框架中哪个插槽的CPU模块来负责运行，从而把框架中的CPU模块进行分工。第二是应用任务的优先级别。它决定了应用任务的运行顺序，级别的数值越大，优先级越低。第三除了一些只在送电时运行一次的初始化任务外，其它应用任务必须设定其循环扫描时间。另还需要掌握每个应用任务的实际运行时间（每条指令的执行时间已知道）。下面，假设某个插槽中的CPU模块有A、B、C三个应用任务，其中，任务A：优先权为5，扫描时间定为10ms，运行时间为2ms。任务B：优先权为6，扫描时间定为12ms，运行时间为5ms。任务C：优先权为8，主描时间定为15ms，运行时间为5ms。则这三个任务的运行的时序如图2所示。
从图中可知，各个任务都是按扫描时间循环执行的，例如任务A每隔10ms便运行一次。并且，优先级别高的任务可以中断优先级别低的任务而占先执行。例如在时序图中，在第10ms时，任务A的扫描时间到并且任务A优先级别比任务C高，所以任务A中断任务C占先执行，任务A运行完毕后任务C才继续运行至结束；而在第30ms时，虽然前面的任务B因优先级别较任务C高而占先执行，但此时，任务A的扫描时间到并优先级别又较任务B高，任务A又中断任务B而占先执行，任务A运行结束后任务B、任务C才继续运行至结束。
四、集成编程控制系统
在AutoMax DCS控制系统中，其配套的集成编程控制系统是基于Windows环境的应用软件，以标准的Windows A－V用程序的方便易用的特性提供了如下的主要功能：
1．提供了应用系统的上载、下载、添加、删除等操作，给系统的管理带来极大的方便。
2．提供了方便快捷的编程环境，可以用三种编程语言对不同的应用任务进行编程。其中，增强型BASIC语言适用于编写各种初始化任务及通讯控制任务，板块控制语言适用于编写传动控制任务，梯形图逻辑语言适用于编写梯形图逻辑控制任务。
3．提供了在线的监视、调节、强制等功能，极方便于设备的维护。通过监控电脑，不仅可以监视设备的运行状态，调整各种可调参数，甚至可以强制系统中绝大部分的变量，以满足生产或设备维护的需要。
4．简易的输入输出配置。在该编程控制系统中，它对功能模块及输入输出的配置主要是以图形或列表的形式来实现，简单直观，避免了编程者对硬件进行复杂的难于理解的配置工作。例如：现在需要对某网络通信模块的某节点的输入输出数据进行定义时，便可以选择并进入系统框架配置界面，选择到该网络通信模块及进入其输入输出寄存器的列表界面，找到该节点所对应的输入输出寄存器，在其上输入需要收发的数据的变量名即可。另外，为了增加程序的可读性及维护性，在此，还可以输入一些对该变量的作用作注释的文字。
五、设备维护与改造
1．模块化的设计方便系统的维修
AutoMax DCS系统是完全模块化设计的，并且大部分功能模块都有自诊断及故障指示功能，因此设备维护人员便可以方便快捷地在模块级上更换相应的模块而排除硬件上的故障。当然，这些模块包括从一块小小的I/0卡到一块控制用的CPU模块。
2．软件的开放性便于系统的维护
AutoMax DCS控制系统的控制软件是完全开放的，设备维护人员完全可以对其程序源代码进行阅读及修改，而不像某些控制系统那样，把控制程序编译成可执行程序后交给设备使用者，致使设备维护人员不能明白该系统的控制是如何实现的。并且该系统所使用的三种编程语言都属于简明易学的编程语言，设备维护人员不需太多专业的编程知识而借助Reliance公司提供的编程指令说明手册即可阅读及修改控制程序的源代码，从而可以明白设备的每一个控制是如何实现的。因而可以从根本上提高了设备维护人员，特别是电气设备维护人员的设备维护水平。
3．完善的故障诊断功能帮助设备维修
在该系统中，其绝大部分模块都有独立的故障诊断系统，并且这些信息都可以被系统利用，因此，AutoMax DCS控制系统一般都有一个完善的故障诊断系统。一旦设备出现故障时，该系统会根据故障的严重程度，作出相应的处理。例如，诊断系统发现一般故障时，可能只发出声光报警及显示故障代码，但没有停止设备的运行；但如果发现严重故障时，便会对设备进行紧急停车并发出声光报警及显示故障代码。这样，不仅可以防止设备故障进一步扩大而造成更大的损害，而且设备维护人员可通过查找故障代码说明表而快速定位故障的部位及类型，从而大大缩短了故障的查找时间。
4．设备在线监控
Auto Max DCS控制系统的集成编程控制系统软件提供了功能强大的在线监视控制功能。其中，对用BASIC语言及控制块语言编写的控制程序，可以对其各个变量进行实时监视，而对用梯形图逻辑语言编写的控制程序，不仅可以对其各个变量进行实时监视，而且可以进入其梯形图监控状态，对每个梯形图进行实时监控。另外该控制软件还有在线的参数调整及强制功能。而所有这些功能给那些没有明显故障代码指示的故障的查找带来极大的方便。例如，笔者就遇到过如下的故障处理例子。某台采用AutoMax DCS控制系统设计的可年产150001涂布纸的涂布机。在设备运行中，当机器加速时，很容易引起某个张力控制点的张力不能控制而断纸，但是，设备工作在没有加减速的稳定状态时，却勉强可以开机。初时，笔者在设备运行的状态下，对该点起张力调节与检测作用的跳舞辊的张力给定参数及反应该点张力控制情况的跳舞辊摆动角度的参数进行监视，未发现异常；随后进一步对该点之前的两个起张力调节作用的分部传动调节点（冷缸及真空辊）的速度给定参数及速度反馈参数进行监视，亦未发现异常，从而排除了该点张力控制中执行与检测元件可能存在的故障。因此，笔者想有可能是上述两个分部传动调节点的传动部分有问题，于是在停机的状态下，利用系统的强制功能分别强制这两个传动调节点的直流电机以一定速度运行，结果发现真空辊的直流电机运行正常，但牵引用的真空辊却没有转动，拆开其变速箱后发现变速箱输出轴的轴键已断裂，从而造成张力控制不良而出现上述故障。
5．设备的改造
在一个DCS控制系统中，虽然设计较为完善，但有时亦会因生产工艺的需要或技术的更新而需作些改造。而AutoMax DCS控制系统模块化设计及开放性的软件系统使这些改造变得轻而易举。因为一般情况下，DCS控制系统中都会有一些多余的插槽，所以对一些大的需要增加功能模块的改造时，只要把功能模块插到匹配的插槽中，然后即可依样画葫芦地完成模块的配置及控制软件的编写。而对于一些小型的改造，因所需的I/0点较少，而系统的功能模块中，一般会有一些多余的I/0点，因此只需用上这些多余的I/0点即可。例如笔者在对一台亦是采用Au－toMax DCS控制系统的涂布机的放卷部的张力控制进行改造时即是如此。当时，原机的张力感应器是采用气动张力感应器，而该张力感应器因存在机械振动而极易损坏，而且从国外进口该感应器价格昂贵及供货时间较长。因此，我们用电阻应变式张力感应器（配变送器）和E/P阀替换了该气动张力感应器。其间，使用了该DCS系统中的一个多余的A/D通道及一个多余的D/A通道，并且电阻应变式张力感应器的感应信号进入到AutoMax DCS后，使用了控制块语言中的指令进行了数字滤波等处理，从而使控制效果更加良好。这样经过上述改造后的涂布机放卷部张力控制效果不仅比原来的好，而且运行两年多来一直使用正常，大大减少了维护时间及费用，改造取得了满意的效果。
