4、LN2000分散控制系统.doc

一、LN2000分散控制系统简介LN2000系统是山东鲁能控制工程公司推出的一种新型的分散控制系统（DCS）产品。它继承和发扬了当今DCS的优点：控制功能分散、系统功能分散；显示、操作、记录、管理集中。LN2000的设计过程中，更是整合了多种先进技术，如：计算机技术、CRT图形显示技术、数据通信技术、先进控制技术等。LN2000分散控制系统是一种系统结构合理、控制功能完善、开放性强的新型分散控制系统，集数据采集、过程控制、生产管理于一体，能够满足大、中小不同规模的生产过程的控制和管理需求。二、系统整体结构该系统为分散型控制系统，系统实现了分散控制、集中管理的功能，具有这类系统精度高、可靠性强、模块化结构、智能化体系的特点。系统整体结构如图所示。从各站功能上看，站点工作相对独立，耦合度较低，但为保证系统可靠协调运行，站间必须进行数据的交换。系统具有上下两层网络，上层网为高速以太网，是各站点间进行信息共享的信息高速公路；下层网为现场总线网，是过程控制柜内各I/O模块与过程控制站（PU）及其之间相互通讯的网络。两层网均为冗余网，数据传输更为可靠。三、LN2000分散控制系统的硬件组成1、过程控制站（LN-PU）以高性能微处理器为核心，能进行多种过程控制运算，并通过I/O模块完成过程控制功能的计算机称为过程控制站。采用PC104系列产品为基础，具有集成度高、可靠性强的优点，使PU的升级换代更加便利，同时使充足的备品备件得了到保证。过程控制站（PU）是过程控制柜内的最重要的器件，每个PU上具有一片嵌入式低功耗CPU（GX1-300），64MB RAM、32MB电子盘（DOM），PU运行软件为QNX实时多任务操作系统，完成主要任务有：接收并执行工程师站编译下装的控制策略接收I/O模块采集的数据向I/O模块发送指令及数据接收操作员站的操作指令向工程师站、操作员站发送实时数据PU有三个以太网卡，其中两个用于实时数据通信网，一个用于实现站间的冗余。处于备用状态的PU能够自动跟踪运行的PU，一旦主PU出现故障，备用PU将立即承担过程控制任务，实现PU的无扰切换。PU上还有两个CAN网网络控制器，用于形成环形的现场总线网络，具有完整的冗余能力，完成对I/O模块的管理。2、操作员站（OP）用于现场的过程监视、操作、记录、报警、数据通信等功能，操作员站的典型配置为高性能工业控制计算机。操作员站属于系统的监督控制级，它收集过程控制站的有关输入输出数据，并通过运行人员的简单操作，就可进行生产过程的显示、各种工艺流程图的显示、趋势图显示，是运行人员监督生产运行状态，保证生产过程稳定运行而采取有效措施的主要窗口。3、工程师站（ES）采用通用的计算机和操作系统，以及完整的专用组态软件，用于过程控制应用软件组态、系统调试和维护的计算机称为工程师站。工程师站、操作员站等上位计算机统称为控制计算机。4、LN系列智能模块I/O模块是过程控制站与现场生产过程之间的桥梁，过程控制站通过I/O模块完成过程数据采集和实现对生产过程的控制。在LN2000系统中，I/O模块以微处理器为核心的智能模块，自行完成数据检测与处理，无须过程控制站干涉。LN系列智能模块采用了51系列单片机为CPU，底层软件固化于片内，系统稳定性高；看门狗功能保证系统具有自恢复能力。通讯方式为CAN通讯。CAN通讯方式最多可有4台上位机运行，CAN总线上最多可挂接60个智能模块，通讯协议采用CAN2.0A协议。智能模块按照用户组态指定的时间周期定时与上位机交换数据。模块地址和通讯速率通过模块内拨码开关设定。LN系列智能化I/O模块，具有以往模块所不具有的许多功能，如：自恢复、自诊断功能，能够在通道采用各种隔离措施同时，运用数字滤波技术，使模块无论在功能上还是可靠性上，与非智能模块相比，都有了质的飞跃。本系统的I/O模块采用了智能化的设计，每块模块上都具有一16位单片机及相应的存储器。每种类型模块除具有本身所独有的功能外，还具有如下共有的功能：自诊断：每块I/O模块都能够监视自身的运行状态，每一执行周期对本板I/O通道进行检测。若出现故障时，能够通告PU进行处理，同时通过板上的报警指示及时提醒现场工作人员进行处理。信号的预处理：智能模块运行的软件能够对信号进行数字滤波、工程量变换、非线性补偿、热偶信号的冷端补偿等处理，这样既减轻了PU的任务负担，又提高了信号的处理速度。带电插拔：在系统加电运行时，I/O模块及PU能够进行插拔更换，而不会对模块造成损坏或影响模块使用寿命，给现场维护人员替换模块带来方便。隔离功能：每块I/O模块与现场信号及网络在电气上是隔离的，既保证模块的安全，又维护了系统的安全性。LN系统智能模块有下面八个型号：1）LN01隔离型模拟量输入模块设有8路双端模拟量输入通道，12位分辨率A/D。LN01在工作时，将输入的电压或电流信号经输入端低通滤波、多路开关、仪表放大器、A/D转换后、经光耦隔离送入单片机。在单片机内经软件滤波、平滑化后通过CAN通讯接口将数据送至上位机。2）LN02隔离型智能热电偶输入模块设有4路双端热电偶输入通道，24位分辨率A/D转换器。具有内置多路开关、可编程放大器、数字滤波器及精度校准功能，可有效地抑制工频干扰，得到高精度的A/D转换结果。3）LN03隔离型热电阻输入模块设有3路热电阻输入通道，24位分辨率A/D。LN03隔离型热电阻输入模块采用的是高精度的A/D转换器，具有内置多路开关，可编程放大器，数字滤波器及精度校准功能，可有效地抑制50Hz工频干扰，得到高精度的A/D转换结果。模块在工作时，连接在输入端的热电阻在200A恒流源激励下，得到的电压信号经输入端低通滤波、A/D转换后，经光耦隔离送入单片机。在单片机的控制下，通过CAN通讯接口将A/D转换结果传送至上位机显示、处理。4）LN04隔离型脉冲输入计数器模块LN04模块设有2路脉冲量输入通道，每个通道分别设有可编程数字噪声滤波器，可滤除窄于设定脉宽的干扰脉冲。LN04模块在工作时，将输入的脉冲信号经输入端信号调理后，经光耦隔离送入单片机。在单片机的控制下，通过CAN通讯接口将脉冲量输入信号状态结果传送至上位机显示、处理。5）LN05隔离型模拟量输出模块设有4路模拟量输出通道，可输出15V电压或420mA电流信号。LN05模块在工作时，通过CAN通讯接口将输出数据送入单片机后，经光耦隔离后送给DA输出，信号类型可通过跳线器选择电压或电流信号输出。6）LN06隔离型开关量输入模块设有8路开关量输入通道。LN-06模块在工作时，将输入的电压或无源触点信号经输入端信号调理后，经光耦隔离送入单片机。在单片机的控制下，通过CAN通讯接口将开关量状态输入信号传送至上位机。7）LN07隔离型开关量输出模块设有8路开关量输出通道，具有CAN现场总线通讯功能的隔离型智能开关量输出模块。LN07模块在工作时，通过CAN通讯接口将输出数据送入单片机后，经光耦隔离后输出。8）LN08隔离型继电器输出模块设有4路具有自保持功能继电器输出通道。5、过程控制柜将过程控制站及其管理和控制的I/O模块等组合在一起，称为过程控制柜（Process Cab）。过程控制柜是由过程控制站和各种功能模块组成的，控制站采集现场信号，按照系统设计时所编制的控制策略进行计算处理，运算结果通过信号输出模块送往现场，直接控制现场执行机构或阀门。其配置可根据控制I/O点数目灵活掌握，一个控制柜内最多可安装60个I/O模块。另外，可根据需要将I/O模块和LN-PU分开布置，实现远方I/O功能，最大距离为10Km。机械结构和布局机柜门为外挂式，厚度为20mm。机柜门一律右手开启，门与门框连接的门轴二点（上、下）连接，门锁边与机柜之间为三点固定，上、下为固定装置，中间为锁定装置。锁的钥匙是统一的，即一把钥匙能开所有的机柜门。机柜门有较好的密封性。机柜两侧的侧面板也是外挂式的，厚度为30mm，机柜最外两侧安装侧面板，机柜之间不装侧面板。为保证机柜门和侧面板长时间不变形，都装有加强筋。机柜之间能互相连在一起，通过前、后、上中下各三处用较粗的螺栓连在一起而构成一个整体。机柜前后门都有对流的通气孔，并且加有滤网，前后门下部有接地螺栓，前后门中间有接防静电环的结构。机柜顶部安装一个对流风扇（大小为160mm见方），接交流220V，机柜顶部与风扇之间加有防止异物落入的网格。为固定铭牌，机柜前后门上边的边框留有40mm宽，左右两边20mm宽，下边框为40mm宽。机柜的吊环安装在机柜两侧居中的位置，装有加强筋。机柜的底座是一个高为100mm，前后宽边为50mm，左右宽边为50mm的底托。底座与机柜底部相连，用隔离垫进行隔离。机柜底部开一个方孔，留给现场进线使用，在机柜底部的后门方向有接地铜板，铜板与机柜底座之间是隔离的。铜板上有100个M4带螺纹的孔。机柜两侧有横梁起固定支撑作用，每侧横梁配置四根。图1-1-2为机柜示意图。从图中可以看出，机柜布置由上而下依次为：对流风扇DPUHUBI/O模块电源机柜冷却方式采用空气对流自然冷却，由机柜后面门的下部进气，自下而上通过电源模块、模块模块、HUB、LN-PU，最后由对流风扇把气流从机柜上部送出。直流电源放在机柜下部。在每一台机柜内部实际安装风扇四台，上下排放，可安装电源两台，模块60个，LN-PU两台，HUB两台。四、LN2000分散控制系统的网络通信系统本系统具有两层网络结构：上层为高速以太网，是操作员站、工程师站及过程控制站间的信息通路；下层为目前在工业控制领域迅速发展，且具有广泛应用前途的CAN现场总线网，作为PU与I/O模块间的通讯网络。1、上层网系统的上层网络采用以太(Ethernet)网作为站间通讯网络，网络标准符合IEEE802.3,通讯协议采用TCP/IP协议标准，通讯速度为100Mbps。Ethernet网络采用CSMA/CD存取控制方法，在网上节点较少，通讯负荷低时，CSMA/CD的响应时间反而比其他存取控制方法更快，因而每个站都有良好的实时性。本系统网络的拓扑结构为总线型网络，每站点通过双绞线连接于一数据交换机，工程师站、操作员站到机柜的距离较长，与机柜内数据交换机的连接采用带屏蔽的五类网线；总线型Ethernet的网络结构接口简单，总线扩展、站点的扩充十分容易，维护方便。为保证站间的数据传输的可靠性，系统Ethernet采用两个独立总线网，各站同时挂在两个网上，当运行网出现故障时，系统将自动判断故障性质，并切换到备用网，保持站间通信的畅通。2、CAN现场总线网系统的第二层网络为现场总线网CAN网。通讯速度可根据通信距离组态设置，过程控制站与智能I/O模块之间的通讯就是通过这层网络完成的。该网的传输介质用带胶皮护套屏蔽双绞线。智能模块通过本板上的拨码开关来决定本板在CAN网上的地址。本层网同样为冗余配置的总线型拓扑结构，具有扩展容易、可靠性高等优点。现场总线的使用，适应当今仪表智能化的趋势，降低系统信号线成本，本系统采用的现场总线网为CAN（Control Area Network）网，该网络是目前较为成熟且十分流行的现场总线网之一。CAN自其诞生以来，以独特的设计思想、优良的性能和高度的可靠性越来越受到工业界的青睐。在国外，尤其是在美国和欧洲，CAN已经广泛用于汽车、火车、轮船、机器人、智能楼宇、机械制造、数控机床、液压传动、自动化仪表等领域。CAN现场总线网有如下特点：网络节点可分成不同优先级，以满足不同的实时要求。网络通讯距离最远为10Km（5Kbps）。当网线长度不超过40米时，通信速率可达1Mbps，性能远高于RS485、Bitbus等。采用短帧结构，每帧有效字节数为8个，这样传输时间短，受干扰概率低，网络响应快。网络有较强的检错及纠错功能，可靠性较高。通讯介质可采用普通双绞线，线路造价低。五、LN2000分散控制系统的软件系统组成l 系统启动STARTUP软件（STARTUP.EXE）启动系统，调用其它模块。l 系统数据库组态软件（DATABASE.EXE）LN2000系统组态软件完成对LN2000系统中站的配置、模块配置和所有数据点的配置，及相关的修改、查询功能，还具有在线查询数据点的当前值和状态值的功能。l SAMA图组态系统软件（SAMA.EXE）功能模块共分为9类：信号源功能块、输入输出功能块、数学计算功能块、逻辑功能块、选择功能块、控制功能块、时间功能块、线性功能块以及非线性功能块。l 图形组态软件（GRAPHIC.EXE）用来绘制操作员站的监控画面。本图形组态软件为用户提供了各种基本绘图工具，如直线、矩形、圆角矩形、椭圆、扇形、多边形、折线、文字、位图。还提供动态数据点连接工具，如模拟量点、开关量点、棒图、指针、实时曲线、XY曲线、报警。可以通过鼠标简便的绘制操作员监控画面。各基本图元都有动态属性连接，可以根据连接的动态数据点改变颜色，闪烁，隐藏，移动。它还提供了丰富的编辑功能，使工作效率大大提高。程序还有导航图功能，可以帮助用户在绘制过程中清晰地掌握各图之间的层次关系，方便的在各图之间进行切换。l 历史数据库组态软件（HISLIB.EXE）完成对LN2000系统中需要保存的历史数据和记录方式进行组态。l 监控软件（OPTVIEW.EXE）进入操作员站主界面。l 报警软件（ALARM.EXE）报警程序包括实时报警和历史报警两项。可以在文件菜单中进行切换显示。实时报警的功能是将实时数据中的报警点显示在报警栏中。并有各种过滤条件，可以将符合过滤条件的报警滤出。历史报警设定查看历史报警的起始和终止时间，将历史报警文件中位于起始时间与终止时间之间的报警显示在报警栏中。l 自检软件（SELFTEST.EXE）用来监视整个DCS系统中从上位操作员站，工程师站到下位过程站，CAN网，模块，数据通道的所有状态。并以图例清晰明了的显示站的在线，离线；站网卡的通断；过程站的主从站状态；CAN网两个网断的通断；模块上通道的好坏。为用户了解系统运行状态提供充足的信息。l 趋势曲线软件（TREND.EXE）趋势曲线包括实时趋势曲线和历史趋势曲线。趋势曲线程序是多文档程序，每个文档包含一个趋势组，并保存成单独的文件。实时趋势中的趋势点从系统数据库中读取数据点信息，接收实时广播数据，实时显示数据点的变化趋势；历史趋势从历史数据库里读取数据点信息，并从历史库数据文件里读取数据，显示指定时间区间的变化趋势。l 报表管理系统（REPORT.EXE）本系统能生成的报表类型共有八种：值报、日报、月报、年报、即时报表、追忆报表、SOE报表和系统事件报表。将各种记录导出到预先设置好的EXCEL模