第5章-DCS的硬件系统1-20100325概要

1、关键词：硬件；原理本讲重点：DCS的硬件组成和原理 对DCS的概念以及DCS的体系结构前面已经作了详细的学习。从这节课开始，学习DCS的硬件组成和硬件原理。 2， DCS的硬件前面已有所接触，一个DCS系统至少包括四个组成部分，它们是： 3，DCS的体系结构包括四个层次，它们是： 1， 集散型控制系统采用危险分散、控制分散，而操作和管理集中的基本设计思想，形成 的结构形式，适应现代化的生产和管理要求。 课堂提问： （一）工程师站（一）工程师站 (Engineer Station ,ES): 主要给仪表工程师使用 , 作为系统设计和维护的主要工具。仪表工程师可在工程师站上进行系统配置、 I/O

2、数据设定、报警和打印报表设计、操作画面设计和控制算法设计等工作。一般每套系统配置一台工程师站即可。工程师站可以通过网络连人系统 , 在线 (On Line) 使用 , 比如在线进行算法仿真调试 , 也可以不连人系统 , 离线 (Off-Line) 运行。基本上在系统投运后 , 工程师站就可以不再连人系统甚至不上电。 （二）操作员站（二）操作员站 (Operator Station ,OS): 主要给运行操作工使用 , 作为系统投运后日常值班操作的人机接口 (Man Machine Interface ,MMI ) 设备使用。在操作员站上 , 操作人员可以监视工厂的运行状况并进行少量必要的人工操

3、作控制。每套系统按工艺流程的要求 , 可以配置多台操作员站 , 每台操作员站供一位操作员使用 , 监控不同的工艺过程 , 或者多人备份同时监控相同的工艺过程。有的操作员人机接口还配置大屏幕 ( 占一面墙 ) 显示。 （三）系统服务器（三）系统服务器 (System Server): 一般每套 DCS 系统配置一台或一对冗余的系统服务器。系统服务器的用途可以有很多种 , 各个厂家的定义可能有差别。总的来说 , 系统服务器可以用做 :(1) 系统级的过程实时数据库 , 存储系统中需要 .长期保存的过程数据。 (2) 向企业 MIS (Management Information System) 提

4、供单向的过程数据 , 此时为区别慢过程的 MIS 办公信息 ,将安装在服务器上的过程信息系统称为REAL MIS, 即实时管理信息系统 , 因为它提供的是实时的工艺过程数据。 (3) 作为DCS系统向别的系统提供通信接口服务并确保系统隔离和安全 , 如防火墙 (Fire Wall) 功能。 （四）主控制器（四）主控制器 (Main Control Unit ,MCU): 主控制器是DCS中各个现场控制站的中央处理单元 , 是 DCS 的核心设备。在一套DCS应用系统中 , 根据危险分散的原则 , 按照工艺过程的相对独立性 , 每个典型的工艺段应配置一对冗余的主控制器 , 主控制器在设定的控制周

5、期下 , 循环地执行以下任务 : 从 I/0 设备采集现场数据一 执行控制逻辑运算一 向 I/O 输出设备输出控制指令一 与操作员站进行数据交换。 （五）输入输出设备（五）输入输出设备 (Input/Output ,I/O): 用于采集现场信号或输出控制信号 , 主要包含模拟量输入设备 (Analog Input ,AI) 、模拟量输出设备 (Analog Output ,AO) 、开关量输入设备 (Digital Input DI) 、开关量输出设备 (Digital Output , DO) 、脉冲量输入设备 ( Pusle Input PI) 及一些其他的混合信号类型输入输出设备或特殊

6、I/0 设备。 （六）控制网络及设备（六）控制网络及设备 (Control Network,CNET): 控制网络用于将主控制器与 I/0 设备连接起来 , 其主要设备包括通信线缆 ( 即通信介质 ) 、重复器、终端匹配器、通信介质转换器、通信协议转换器或其他特殊功能的网络设备。 （七）系统网络及设备（七）系统网络及设备 (System Network,SNET): 系统网络用于将操作员站、工程师站及系统服务器等操作层设备和控制层的主控制器连接起来。组成系统网络的主要设备有网络接口卡、集线器 ( 或交换机 ) 、路由器和通信线缆等。 （八）（八）电源、转换设备电源、转换设备 : 主要为系统提供

7、电源 , 主要设备包含 AC- 配转换器、双路 AC 切换装置 ( 仅在某些场合使用 ) 和不间断电源 (UPS) 等。 （九）机柜和操作台（九）机柜和操作台 : 机柜用于安装主控制器、 I/0 设备、网络设备及电源装置。操作台用于安装操作员站设备。DCS的硬件组成包括：（一）工程师站（一）工程师站 (Engineer Station ,ES)（二）操作员站（二）操作员站 (Operator Station ,OS)（三）系统服务器（三）系统服务器 (System Server)（四）主控制器（四）主控制器 (Main Control Unit ,MCU)（五）输入输出设备（五）输入输出设备

8、(Input/Output ,I/O)（六）控制网络及设备（六）控制网络及设备 (Control Network,CNET)（七）系统网络及设备（七）系统网络及设备 (System Network,SNET)（八）电源、转换设备（八）电源、转换设备（九）机柜和操作台（九）机柜和操作台小结 学习DCS硬件，以应用为主，这里主要讲现场控制站内部电路，包括：（1）主控制器）主控制器 (Main Control Unit ,MCU)（2）输入输出设备）输入输出设备 (Input/Output ,I/O)（3）电源、转换设备）电源、转换设备（4）机柜和操作台）机柜和操作台（1）主控制器）主控制器 (Ma

9、in Control Unit ,MCU)（1）主控制器）主控制器 (Main Control Unit ,MCU)一个典型的 MCU 的组成框图如图所示： （一）CPU: 控制运算的主芯片 , 常见的有Intel486DX4、IntelPentium133/233/266、等 , 近年来以 ARM 核为基础的低功耗芯片的流行 。 CPU要综合考虑计算速度和可靠性问题，不见得CPU档次越高越好 。（1）主控制器）主控制器 (Main Control Unit ,MCU) （二）（二） 系统网络系统网络 (SNET) 接口接口 :SNET 接口是主控制器与操作员站、工程师站等操作层设备通信的网络

10、接口。过去各家 DCS 厂商的系统网络基本上都是专有的 ， 根本不开放 , 并且都宣称专用网络可靠。目前这种情况已经有了很大的改变 , 几乎在 20 世纪 90 年代后期推出的新系统中 ,DCS 的系统网络都采用了以太网 , 事实证明 , 以太网作为主流的商用网络 , 只要在软件的应用层上采取一定的保护措施 ( 比如应答和重发 ), 其可靠性和安全性是没有问题的。采用以太网最大的好处 , 首先是开放和易于集成 , 其次是低成本。 （1）主控制器）主控制器 (Main Control Unit ,MCU) （三）控制网络（三）控制网络 (CNET) 接口接口 :CNET 接口是主控制器与 I/O

11、 进行数据交换的网络接口。作为过程控制系统 ( 即DCS), 与制造控制系统相比 ( 即传统的 PLC 系统 ), 由于 DCS 需要进行大量的模拟量数据传送 , 而且每个 I/0 设备的数据量较大 , 所以 CNET 一般选择字节型长包协议的通信网络 ( 如 Profibus 一 DP), （1）主控制器）主控制器 (Main Control Unit ,MCU) （四）主从冗余控制逻辑（四）主从冗余控制逻辑 : 该部分电路用于控制互为备份的两台主控制器的切换。由于过程控制对安全性和可靠性的特殊要求 , 几乎所有的 DCS 系统，其标准配置都是双主控制器冗余运行 , 这和普通 PLC 只能是

12、单控制器配置的结构是不同的。该部分电路必须确保任一时刻有且仅有一台主控制器的控制指令被输出到 I/0 设备。 （1）主控制器）主控制器 (Main Control Unit ,MCU) （五）固态盘（五）固态盘 (Solid State Disk,SSD) 或或 Flash 存储器存储器 : 用于保存主控制器的操作系统、用户控制算法文件等信息。在主控制器上电启动后将这些文件调入内存运行。 （六）内存（六）内存 (Main Memory): 用于加载运行程序 , 掉电后内存的内容不会被保存。 （七）掉电保持静态存储器（七）掉电保持静态存储器 (SRAM): 该存储器用于存储运行过程中需要实时保存

13、、并且在系统掉电后还需要保存一段时间的数据 , 比方说阀门在 DCS 掉电前的开度。因为这些数据在 DCS重新上电后可能用做初始值输出 , 保证现场阀位不出现跳动。为了便于选择 DCS 掉电后SRAM 是否保存实时数据 , 一般的主控制器都设置有使能开关 , 用于接通或关断 SRAM 的后备电池 (Backup Battery) 。 （2）输入输出设备）输入输出设备 (Input/Output ,I/O)模拟量输入设备模拟量输入设备 (AI)模拟量模块在使用时注意以下几个问题模拟量模块在使用时注意以下几个问题 1，精度，精度 首先我们来澄清三个概念。精密度 (Precision): 表示测量结

14、果的随机 ( 偶然 ) 误差的大小。 正确度 (Correctness): 表示测量结果的系统误差大小。 准确度 (Accuracy): 是系统误差和随机误差的综合，表示测量结果阈 真值的一致程度，也称精确度或精度。 在实际测量 AI 的精度时，一般在满量程内均匀选取 3 点 (10%,50%,90%) 或 5 点 (10%,30%,50%,70%,90%), 用精度至少高一个等级的测量仪表和信号源测量 AI 的精度，必须所有测量点的绝对误差都小于期望值，AI 精度就算合格。 模拟量模块在使用时注意以下几个问题模拟量模块在使用时注意以下几个问题 1，精度，精度 2，分辨率，分辨率 分辨率 是测

15、量装置能感知和区分的最小变化量,对于采用A/D转换器的 AI设备而言,分辨率就是采样数据最低位 所代表的模拟量的值. 分辨率以A/D转换器的位数和量程表示,比如用 12 位量程为 05V 的A/D , 其分辨率为 :5V/4096=1.22Mv.一般地，分辨率 = 信号量程 /2n, 其中 n 为 A/D 转换器的位数。 模拟量模块在使用时注意以下几个问题模拟量模块在使用时注意以下几个问题 1，精度，精度 2，分辨率，分辨率 3，输入阻抗，输入阻抗 对于 AI 设备来说，当用于测量电压信号时， 输入阻抗的大小也会对测量精度带来影响。这是因为被测量的电压信号源都存在微小的等效内阻，该内阻与 AI 的输入阻抗是串联关系，当 AI 的输入阻抗不足够大时，信号源内阻上的电压降就不可忽略，AI 设备输入端得到的电压为开路时信号电压减去接通时信号源内阻上的压降 , 比真实值小。 一般要求 DCS 的 AI 设备的输入阻抗在 100K以上 (IE61131-2仅要求10K以上 )，这意味着当信号源的内阻在 1O 以内时，最多引起万分之一的相对误差。 模拟量模块在使用时注意以下几个问题模