分散控制系统及现场总线技术(第三章-3)

1、分 散 控 制 系 统及 现 场 总 线 技 术 第三章 （3）华北电力大学 自动化系翟永杰翟永杰副教授/博士华北电力大学3.2 现场控制站 现场控制站的形式 现场控制站是最底层（直接控制级）的设备，是完成对过程现场输入输出信号处理并实现直接数字控制（DDC）的网络节点。 一是分散控制系统自身的“现场控制站”， 二是可纳入分散系统中应用的其它独立产品：可编程逻辑控制器（PLC）、可编程调节器等。1）现场控制站 现场控制站属于过程控制专用计算机 是一个以微处理器为核心的、具备现场信号采集与输出通道，并配以机柜和电源等而构成的一个相对独立的控制装置。现场控制站 2）可编程调节器 外貌类似一般盘装仪

2、表的数字化过程控制装置，由微处理器、RAM、ROM、模拟量和数字量I/O通道、电源等基本部分组成的微型计算机系统，能够独立构成控制回路。可编程逻辑控制器 3)可编程逻辑控制器（PLC） 一种以微处理器为核心、具有存贮记忆功能的数字化控制装置。 它的最大特点是提供了开关量输入、输出通道，可以通过预先编制好的程序来实现时间顺序控制或逻辑顺序控制，以取代以往复杂的继电器控制装置。现场控制站 可编程调节器和可编程逻辑控制器，与分散控制系统具有不同的发展历程和应用特点。 可以独立应用，也可以在分散控制系统中作为第三方设备应用，也可以与上位操作站、网络及监控软件构成完整的分散控制系统，如英国欧陆公司的Ne

3、twork6000。 有些PLC经过发展已经成为DCS产品，如西门子公司的PCS7。因此，其应用可使整个控制系统的的应用方案更加灵活和多样。 主要讨论传统意义上的DCS厂家自己提供的以连续过程量控制为起源的现场控制站产品。3.1.3 现场控制站的组成 主控制器、过程通道（I/O模件）、通信接口、电源、机柜及其他辅助设备 1）过程通道 过程通道又称为I/O模件， 是现场控制站的主要组成部分 是为分散控制系统的各种输入输出信号提供数据通道的专用模件， 是分散控制系统中种类最多、使用数量最大的一类模件。 I/O模件是联系生产过程与微处理器的桥梁。过程通道 对生产现场的模拟量信号、开关量信号、脉冲量信

4、号等进行采样、转化，处理成主控制器能够接收的标准数字信号 或将主控制器的运算输出结果（二进制码）转换、还原成模拟量或开关量信号，去控制现场执行机构。2） 主控制器(Main Control Unit) 主控制器是现场控制站的核心设备，是I/O设备的上一级设备。 它与I/O模件进行数据交换，实现现场的数据采集、储存、运算、控制等，负责现场控制单元的总体运行。 即按预定的周期、程序和条件对相应的信号进行处理、运算，对功能模件和其它相关模件进行操作控制和故障诊断。主控制器CPUROMRAM固态存储器系统网络接口控制网络接口电源冗余电路其它模件系统总线IO总线主控制器 CPU 只读存储器 随机存储器随

5、机存储器 固态盘固态盘 系统网络系统网络 控制网络控制网络主控制器 CPU：控制运算的主芯片，是功能模件的处理指挥中心。 一个主控制器是否性能优良，主要是看它在控制软件的配合下，能否长期安全、可靠地在规定的时间内完成规定的任务。 另外工艺上也是问题，比如说，散热片方式的CPU要比风扇式的CPU更可靠。主控制器 只读存储器（Read Only Memory，简称 ROM）：主要作为程序存储器，用来存放I/O驱动程序、数据采集程序、控制算法程序、时钟控制程序、引导程序、系统组态程序、模件、测试和自诊断程序等支持系统运行的固定程序。主控制器 随机存储器（随机存储器（Random Access Mem

6、ory，简，简称称 RAM）：）：主要作为数据存储器，用来存放采集的数据、设定值、中间运算结果、最后运算结果、报警限值、手动操作值、整定参数、控制指令等可在线修改的参数，为程序运行提供存储实时数据和计算中间变量的必要空间。 具有后备电池的随机存储器SRAM 后备电池一般采用小型的锂电池或铬镍电池 主控制器 固态盘（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RAM运行。 主控制器 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、工程师站等过程

7、管理级设备通信的网络接口。 控制网络（控制网络（CNET）接口：）接口：CNET接口是主控制器与I/O设备进行数据交换的网络接口。 主控制器 模件总线：模件总线：功能模件上的总线是该模件所有数据、地址、控制等信息的传输通道。它将模件上的各个部分以及模件外的相关部件连接在一起，在CPU的控制和协调下使模件构成一个具有设定功能的有机整体。 电源电路：电源电路：主控制器的电源输入一般是24V直流电源，需要将其变换成5V直流或3.3V直流，供主控制器上的集成电路芯片使用。 主控制器 主从冗余控制逻辑：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

8、求，几乎所有的DCS系统，其标准配置都是双主控制器冗众运行。 这和普通PLC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IO设备。 现场控制站的功能 现场控制站的主要功能有五个： 1）现场数据实时采集 2）信号处理及运算 3）输出控制信号 4）为上层提供显示信息 5）接受上层指令现场控制站的功能 除了上述基本功能外，现场控制站一般还具有以下功能； （1）电源提供：为一些无源的测量元件提供电源，最常用的是24V直流电源。 （2）隔离及保护：在现场控制站中为现场信号的输入输出回路配备完善的隔离电路和保护电路。现场控制站软件现场控制层软件 软件代码又可

9、分为周期执行代码和随机执行代码。 周期执行代码完成的是周期性的功能，例如：周期性的数据采集、转换处理、越限检查；周期性的控制运算；周期性的网络数据通信；周期性的系统状态检测等。 周期性执行过程一般由硬件时钟定时激活。现场控制层软件现场控制层软件 随机执行代码完成的是实时处理功能，例如：文件顺序信号处理；实时网络数据的接收；系统故障信号处理（如电源掉电等）等。 这类信号发生的时间不定，若一旦发生，就应及时处理。 随机执行过程一般由硬件中断激活。DCS的信号采集与数据预处理 模拟量信号采集的主要处理 1）采样周期的选择 2）模拟量信号的数字化处理 3）信号处理数据采集 数据对应 软硬件对应拨码开关

10、-模块号通道 通信对应数据格式数据头模块号通道号数字值数据尾数据传送 现场总线网CAN技术 通讯速度可根据通信距离组态设置。 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。 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）。拨码开关 拨码开关SW1的设置如下所述： SW1的16位为智能模块通讯地址设定开关，第6位为最高位，第一位为最低位。 图2：000000：0 图3：011010：26 图4：101100：44 图5表示拨码开关位置与波

11、特率的对应关系位速率（bps）500K250K100k20K最大总线长度130m270m620m3.3Km模拟量转换 现场信号最终在操作员站上显示需要经过两个过程： 电信号经A/D转换为数字量，如16位精度范围为0-65535 之后进行工程量转换 1种为0-100%对应，之后在 HMI上二次转换 另一种为直接转换为工程单位。主要差异：控制调节的参数不同。数据预处理 工程单位转换0 0 x x1 1 x xx x2 2 输入信号工程值y y2 2y y y y1 1Y=y1+(y2-y1)/(x2-x1)*(x-x1)思考题 某温度变送器的量程是0-100度，其输出信号是0-10mA，试求25度

12、时经6位A/D转换后，其输出二进制代码应是多少？最终在操作员界面上显示的温度值是多少？ 如果是25.5度时，其输出二进制代码应是多少？最终在操作员界面上显示的温度值是多少？数据预处理 小信号切除值：模拟量近零死区处理0 0输入信号工程值死区滤波 数字滤波 硬件滤波：模入部件入口设置模拟RC滤波器，有效地抑制高频干扰，但对低频干扰滤波效果不佳。 数字滤波：数字是用数学方法通过数学运算对输入信号（包括数据）进行处理地一种滤波方法。通过编程实现，实质是软件滤波。滤波方法 a. 中值滤波 取三次以上，大小居中的那个 三次中有一个干扰，可以滤波，两个极性相反的，可以滤波，两个极性相同，不行。 b. 平均

13、滤波（递推平均滤波） 取三次以上，计算平均值 出现问题的实例 c. 加权滤波速率报警限制 大的随机干扰或由于变送器可靠性欠佳所造成的失真，将会引起输入信号的大幅度跳动，这会导致计算机控制系统的误动作。 将两个相邻的采样值进行比较，假如差值过大，超出该变量可能变化的范围，则认为后一次采样值是虚假的，应予舍去，仍用上一次采样值送往计算机。 小，将y（n）送计算机 大，将y（n-1）送计算机 滤波方法又称为变化率限幅滤波 报警560565500505555495主汽温度（单位：度）时间（单位：秒）10203040506070假如主汽温度报警上限为560度，报警下限为500度，报警死区为5度，请在图中

14、分别标出报警动作点和报警解除点。 例外报告最小间隔时间 最大间隔时间 例外报告死区附：数据结构 （1）索引号：用来进行数据点的检索，每一类数据点都是按照索引号进行顺序排列，可以由索引号直接确定记录点的位置。这样大大提高了应用程序存取数据点的速度。在整个系统中，数据点的索引号是唯一的。 （2）点名：用来保存该点对应的信号的名称，用字母数字表示，最好用现场中经常使用的命名方法，例如AI01F143等。 （3）说明：用来存放该点的说明信息，例如“甲粗粉分离器入口风压”这样的描述。 （4）工程单位：用来说明该数据点所以对应的物理量的工程单位，如压力的单位是Pa,MPa，流量的单位是t/h等。 （5）放

15、大倍数：用来表示输入或者输出信号的类型等级。不同的等级信号类型代表不同的信号调理水平。例如，对于输入来说，如果A/D转换器的输入量程为010V，那么-2020mV的输入，需要经过250倍的放大才可以。而如果输入就是010V，则不需要进行任何放大。 （6）初始巡检：可选巡检、不巡检，即系统加载时的巡检方式。 （7）初始值：存放用户初始化数据库的时候输入的一个浮点量数值，它代表在采样开始前的该点数值。 （8）物理量程上下限：存放该数据点在工程现场中可能出现的数值的高低限。 （9）报警上限、报警下限、报警上上限、报警下下限：存放该点发生报警的上下限和报警程度加深的上下限。一般信号的实时值在报警下限（

16、LL）和报警上限（HL）之间波动时，我们都认为该点处于正常工作状态。信号值如果大于了HL限度，就会进入上限报警状态，如果超过了报警上上限，就进入了严重报警状态，这个时候，系统必须通知操作员采取措施，防止事故的发生。同样，发生越下限报警的时候也类似。为了避免该数据点的值在报警值附近波动的时候，系统 报 警 频 繁 发 生 ， 通 常 会 加 入 一 个 报 警 死 区(DeadBand,简称DB)。在软件上,我们也相应的也进行处理：当一个点进入上限报警状态的时候，报警产生，当这个数据点的数值返回到报警上限值的时候，并不立刻消除报警状态，而是直到它回到HL-DB之内时，采取消报警。 （10）报警死

17、区：用来防止报警频繁发生。 （11）报警级别：分为普通、次急、紧急、特急四个等级，用来区分不同紧急程度的报警。 （12）报警方式：可以选择存盘、发出声音等方式。 （13）报警屏蔽用来屏蔽某个数据点的报警，一旦将该点置于报警屏蔽状态，这个点的所有报警都不会出现在报警软件中。 （14）速率报警：存放了发生报警时这个数据点的数值变化速率，一旦变化值超过这个速率，就发生报警。这种报警多发生在变送器故障的时候。 （15）例外死区：只有在一个数据点的变化达到一定裕度时，它才被传送，该裕度称为“例外死区”。当数据点长期停留在一个范围内，时间超过最大传送间隔时间tmax时，也要进行传送，以确认信号正常。当数据

18、点的变化迅速时，按设定最小传送间隔时间tmin传送，以防止网络信号堵塞。例外死区、tmax和tmin在数据库建立时设定，或者由操作员修改。 （16）最大间隔时间：数据点长期停留在一个范围内，当距离上次该点被传送的时间超过最大间隔时间的时候，该点进行传送。 （17）最小间隔时间：当数据点变化迅速的时候，按照最小间隔时间进行传送，防止发生网络阻塞。 （18）小信号切除：当数据点的值小于小信号切除值的时候，认为该点的值为零。这个数据项通常用来切除某些流量变送器在较小值的时候较大的测量误差。 （19）滤波类型：可选不滤波、平均滤波、中值滤波、加权滤波。 滤波算法具体是由现场控制级软件来完成的。现场控制级根据选定的滤波类型对信号采取不同的滤波方法。当信号放大倍数大于100时，系统自动增加低通滤波。 （20）量程转换类型：分为4-20mA，1-5V和0-10mA，0-5V两种转换类型，用来匹配现场中不同的变送器类型。struct AI int m_Index; int m_Card; int m_Address; int m_Gain; int m_CheckCyc; int m_bFirstCheck; double m_InitValue; double m_PhyUpLimit; double m_PhyLowLimit; double m_Ex