分散控制课程设计

分散控制系统与现场总线技术课程设计指导书课程设计(综合实验)报告（2015 - 2016 年度第 1 学期）名 称： 分散控制系统与现场总线技术 题 目： 分散控制系统与SIS的接口技术分析 院 系： 自动化 班 级： 自动化 1202 学 号： 学生姓名： 指导教师： 刘延泉 设计周数： 1 成 绩： 日期：2016年 1月 6日一、课程设计(综合实验)的目的与要求 分散控制系统与现场总线技术是目前国内外工程领域应用非常广泛而有效的计算机控制技术，作为自动化类本科学生应当具备和掌握与此相关的基础知识、概念和设计方法。本课程设计是在分散控制系统与现场总线技术课程结束之后进行的一个综合性实践环节，主要目的是使学生在课程内容学习的基础上，运用所学的基础理论知识和设计方法，针对工程应用问题能够进行有关计算机监控系统等内容的综合分析设计以及仿真，通过该教学环节使学生进一步加深对分散控制系统与现场总线技术的认识和理解，同时也给学生提供了一个实践和增加感性认识的机会，为今后从事实际工作打下一定的基础。2、 设计（实验）正文设计题目：分散控制系统与SIS的接口技术分析1.SIS的定义电力生产企业生产和管理一般分为3个层次，即下层的控制操作层，面向运行操作者；中间的生产管理层，面向生产和技术管理者；上层的经营管理层，面向行政和经营管理者。目前，我国许多电厂均建立了面向运行操作者的DCS和面向经营管理层的MIS，恰恰缺少了面向生产管理层的自动化网络，这是造成我国电力生产管理水平和运行经济性指标不高的重要原因之一。因此，基于以上分析，非常有必要在DCS和MIS间建立一套面向电厂生产管理层的厂级监控信息系统，形成厂级综合自动化系统(包括SIS和MIS)。SIS 是厂级监控信息系统（Supervisory Information System）的英文缩写。SIS 系统（厂级监控系统）属厂级生产过程自动化范畴，以分散控制系统 DCS 为基础，以安全经济运行和提高电厂整体效益为目的，是实现从 DCS 系统到管理信息系统 MIS 的桥梁，从而在全厂范围内实现信息共享和管控一体化。厂级信息监控系统属于厂级自动化系统范畴，与DCS、MIS都属于管控一体化建设中的一部分，是实现企业管理信息系统（MIS）与各种控制系统（主要是DCS）之间数据交换的桥梁。现代电厂厂级自动化系统主要包括电厂生产过程控制系统（如DCS、PLC、SCADA、RTU等）、厂级监控信息系统（SIS）和企业管理信息系统（MIS），其模型如图所示：一方面，SIS 系统采集下层所有机组级/车间级控制系统的生产实时数据，实现性能优化、故障诊断、负荷分配等功能；另一方面，将机组状态信息和性能信息发送给上层的 MIS 系统。SIS 系统处于具有高精度、高速度、高可靠性要求的 DCS系统与实时性要求不高的 MIS 系统之间，是电厂自动化、信息化架构中的过渡层面，起到隔离作用。 2.SIS的作用：SIS的主要功能为：（1） 生产过程信息监测和统计 设立SIS能解决发电厂控制系统之间“信息孤岛”问题，实现了各机组DCS网络和辅控络的生产数据信息的联通和采集。从而各级生产管理人员和部门能及时获取各台机组DCS和辅控系统的全部运行参数和设备运行情况，提高电厂自动化信息水平。（2） 实时性能计算和分析 SIS主要作用就是如何利用电厂控制系统每天产生的大量数据，来提取其中各种有效信息：如当前机组运行成本、设备安全裕量；主要设备部件的寿命或需要检修维护要求；当前机组的运行状态。（3） 经济性分析和诊断 现阶段我国火电机组的运行和管理水平还较低，主要经济指标如平均煤耗和厂用电率等与先进国家水平相比还有较大差距。SIS就是通过性能分析和计算，实时发现机组运行煤耗偏高的主因，然后根据不同原因，划分为运行、检修可控或不可控损失，并提出指导运行意见。（4） 设备寿命监测和管理 采用实时数据的设备动态管理技术，从而突破传统点检定修的概念，实现真正含义上的设备状态检修，大大降低生产和维护成本。（5） 设备状态监测和故障诊断火电厂是一个非常复杂的系统，主、辅设备的数量众多而且类型复杂。电厂每台最关心的问题就是如何保证主辅设备的安全稳定运行。这也是是生产过程中问题最多的地方。当设备故障时，如能快速导出其故障首出记录、顺控保护的顺序、主要越限参数值，则能实现故障快速判断和分析；SIS对故障相关联系数据进行判断和分析，并结合库里设备模型和运行人员的经验，找出故障原因和解决意见。3.SIS的基本网络架构SIS系统建设一般包括数据通讯网络、实时/历史数据服务器、接口机以及各类功能站组成。典型SIS网络结构如图所示：4.SIS与DCS的接口技术厂级信息监控系统的接口网络主要作用是将生产控制装置的实时数据采集到服务器上，同时为了系统的稳定性和安全性，一般采用分布式网络结构，接口机分布在各控制室现场，其中接口交换机的上传端口和线路冗余备份。接口软件能提供采集数据缓存功能。当现场接口机到核心交换机的网络通信故障时，釆集的数据不会造成丢失。一般与底层控制系统之间数据采集主要通过客户机形式来实现。通过客户机方式采集数据，可以轻松实现不同网络结构和不同网络协议之间数据的交换和采集。用技术可以实现各种生产控制系统、智能仪表之间的数据链接。各运行机组采用的 DCS 控制系统有不同的形式，如何在各种不同的 DCS 系统中采集过程控制数据，是建设 SIS 系统软件接口方面的难点。DCS是电厂中应用广泛的控制系统，承担机组的主要控制。现场变送器得到的生产过程信息首先反映在DCS的变量里。对于需要现场数据的系统而言，DCS提供的数据最快速、全面。从DCS采集的主要途径包括Modbus、OPC和API方式等。4.1Modbus方式Modbus是一种免费的和易实施的协议。其Master/ Slave通信机理能很好地满足实时性要求，Modbus系统结构如图所示：目前工业中常用的Modbus通信分为2种物理接口方式，一种是经由RS - 232C兼容串行接口（或通过RS - 232/ 485转换器转换成RS-485接口）组成Modbus网络进行通信，另一种通过以太网结合TCP/ IP协议组成Mod-bus/ TCP网络进行通信。Modbus协议分为RTU（Remote Terminal Unit）和ASCII两种协议传输模式。ASCII是早期的模式，现在已经很少使用。由于RTU模式在相同通信速率下具有更大的数据流量，所以现在几乎所有工业仪表都采用RTU模式。使用Modbus做通信的另外一个优点是这种方式不会将计算机病毒引入DCS，比以太网的方式更安全。如果一定要使用以太网，那么需要增加网闸，这样就增加了硬件成本和工作量。为了简化程序，提高开发效率，可以使用Microsoft公司提供的Active X控件MSComm（Microsoft Commu-nications Control）来开发基于RS-232的Modbus通信程序，该控件为应用程序提供了通过串行接口收发数据的方法和属性。开发Modbus/ TCP通信程序时，推荐使用Microsoft的winsock实现。常用的Modbus功能码有1、2、3、4、5、6、15和16，分别表示读线圈、读输入状态、读保持寄存器、读输入寄存器、写单个线圈、写单个输入状态、写多个线圈和写多个保持寄存器。发送小数时，经常要将小数以10倍、100倍发送，接收端再除以10或100恢复。这样可以避免处理浮点数。各种型号的DCS都提供了Modbus接口模块。做接口时，首先应清楚要做通信的DCS所提供的Modbus接口类型。类型不同，采用的硬件和软件都不一样。如果采用RS-232的方式，可以选用简易的RS-232/485转换器连接RS-485总线和计算机。若计算机没有RS-232接口，可以再使用一个USB/RS-232转换器实现连接，这样的硬件实现成本较低，也可以选用模块化的转换器连接，这些转换器增加了光电隔离和过电流保护等措施，相对而言可靠性提高不少。如果使用Modbus/TCP方式，则只需要有以太网接口。此外，Modbus总线上的数据量可能会很大，使用串口编程时，要设置合适的接收缓冲区大小和接收中断触发阀值。由于DCS多数工作在主站模式下，而且一条Modbus总线可能挂有多个设备，DCS的数据帧一直在反复重发，若查询的子站没有响应，DCS超时后，会继续查询下一个站。编写从站程序时，要特别注意程序对DCS的影响。在程序调试过程中，如果与DCS相连，从站程序没有响应，会造成整个Modbus总线响应变慢。这时要联系电厂的热工人员，评估对电厂运行的影响，并做好合适的应急预案。做通信程序时，需要修改DCS组态，并进行下载操作，可能会对控制器的运行造成一定影响。主要取决于DCS的组态及实现方式。4.2OPC方式OPC（OLE for Process Control）是微软公司DNA（Distributed Inter Net Application）构架和COM/DCOM技术在工业通信上的应用。它把硬件供应商和软件开发商分离开来，在设备、数据库等数据源和客户之间架起了一座桥梁，提供了一种工业标准接口。主要包括OPC数据访问规范（OPC Data Access）、OPC历史数据访问规范（OPC History Data Access）等。其中，OPC数据访问规范是主要使用的规范，用于从OPC服务器获取实时数据。OPC通信采用Client/Server架构。基本上所有DCS厂家都提供有OPC服务器。用户只要使用OPC客户端就可以方便地取得数据。OPC服务器对象在OPC数据访问规范中主要包括3类对象，分别是OPC Server、OPC Group和OPC Item，客户端建好这3 类对象后，保存在OPC服务器上。如图所示：OPC服务器通常支持2种类型的访问接口：自定义接口和自动化接口，它们分别为不同的编程语言环境提供访问机制。自定义接口适合C+语言设计，并可实现最佳运行性能的客户应用程序。自动化接口是可选接口，适合Visual Basic、Delphi、C#等程序使用。目前，国内外公司和高校开发了一些快速OPC的开发包，使用灵活方便。Kepware公司实现了OPC接口，并且公开了部分源代码，可以参考。另外，OPC基金会提供一个动态库OPCDAauto.dll，非常适合使用自动化接口编程，参考资料也较易获得。OPC服务器只可以运行在微软公司的Windows平台上，使用Unix作为操作员站的DCS（如Foxboro）要使用一台Windows计算机作为专用的OPC服务器。这种方式只对DCS有软件要求，硬件上使用网线即可，而且也不需要对DCS进行很大的改动。因为是网络传输，DCS的计算机容易感染计算机病毒，所以使用OPC方式时，最好增加网闸或做好病毒防御工作，以免对DCS构成威胁。4.3利用DCS提供的专用API接口函数一些DCS提供了与其控制器通信的接口函数，用户可使用这些函数与控制器进行数据交换。美国Metso Automation MAX控制公司的分散控制系统max DNA为用户提供了开放的接口。用户可在软件背板（SBP）的基础上开发自己的应用程序。使用SBP与max DNA的DPU通信无需更改DPU设置，不会对DPU产生影响，程序实现比较安全。三、课程设计（综合实验）总结或结论 本次课程设计中，通过去中国知网查阅资料，使我知道了了SIS的定义和作用，并