和利时课程设计报告

1、精选优质文档-倾情为你奉上精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业专心-专注-专业精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业北 华 航 天 工 业 学 院课程设计报告（论文）设计课题： 和利时课程设计 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 设计时间： 2013年12月19日 北华航天工业学院电子工程系 和利时 课程设计任务书姓 名：专 业：自动化班 级：指导教师：职 称：讲师课程设计题目：和利时课程设计已知技术参数和设计要求：了解HOLLiASMACS系统的组成结构；了解HOLLiASMACS系统中各站的作用；熟悉HOLLiASMACS系统中的“网络”，并熟悉网络上各个节点的IP地址分配；了解

2、SM系列硬件产品的参数及配制方法；熟悉HOLLiASMACS软件及组态实施过程所需仪器设备：计算机成果验收形式：系统仿真运行达到要求设计报告完整、无错误参考文献：和利时DCS系统常见故障以及处理方法分析 韩斌等 中国电力教育和利时MACSVDCS系统在锅炉改造中的应用 光自锋等 自动化应用和利时MACSV系统在线更换DPU过程 王建伟 新疆电力技术时间安排下发设计任务（第1天）系统结构（第2、3天）SM系列硬件产品（第4、5天）软件介绍及组态（第6、7、8天）撰写课程设计报告（第9天）指导教师： 教研室主任： 2013年12月19日注：本表下发学生一份，指导教师一份，栏目不够时请另附页。课程设

3、计任务书装订于设计计算说明书（或论文）封面之后，目录页之前。内 容 摘 要本报告通过对目前国内著名企业和利时的HOLLiAS-MACS的学习，总结了HOLLiAS-MACS系统的总结结构、硬件体系结构、软件体系结构、SM系列硬件产品以及软件介绍和组态实施过程。索引关键词：和利时 HOLLiAS-MACS SM系列 组态目 录一 概 述 1二 方案设计与论证1三 单元电路设计与参数计算1 3.1. 系统结构 23.1.1 工程师站 2 3.1.2 操作员站 23.1.3 数据站 23.1.4 现场控制站 33.1.5 通讯站 33.1.6 监控网络 33.1.7 系统网络 43.1.8 控制网络

4、 43.1.9 工程师站和现场控制站的网络连接 53.2. SM系列硬件产品 73.2.1 MACS系统机柜 73.2.1 机笼单元 73.2.1 电源模块 93.2.1 主控模块103.2.1 I/O模块 10四 总原理图及元器件清单 12五 安装与调试 13六 性能测试与分析 15七 结论 16八 心得体会 16九 参考文献 17 一、概述 为了保证设备安全经济运行，必须要求某些表征设备正常工作的物理量始终维持在某一规定值或预定范围内、按预定的规律来变化，但生产过程中经常受到各种外界或内部因素的干扰，使被调量发生偏离规定值的倾向时，就需要进行相应的调节 ，使之保持或恢复到规定的范围内，保证

5、生产过程的稳定。自动调节就是依靠自动调节设备来实现这种调节作用的，所以自动调节设备必须具备检测、定值、运算、执行等功能。和利时公司在成功地开发并应用了HS-DCS-1000系统和HS2000系统之后，在系统地总结了各行业用户的意见和建议，充分调查了计算机技术、网络技术、应用软件技术、信号处理技术等最新发展动态的情况下，基于当今最先进的技术 ，采用成熟的先进控制算法，推出了公司的第四代DCS系统HOLLiASMACS系统。二、方案设计与论证图1 系统结构图DCS即集散型控制系统，又称分布式控制系统(Distributed Control System) 特点：分散控制、集中管理DCS的宗旨是为工

6、业生产和社会生活提供安全可靠的自动化解决方案，提高人们生产和生活的质量与效率，通过促进节能减排降耗来保护环境。三、单元电路设计与参数计算3.1. 系统结构HOLLiASMACS系统是由以太网和使用现场总线技术的控制网络连接的各工程师站、操作员站、现场控制站、通讯控制站、数据站组成的综合自动化系统，完成大型、中型分布式控制系统(DCS)、大型数据采集监控系统(SCADA)功能。图2 HOLLiASMACS系统3.1.1 工程师站运行相应的组态管理程序，对整个系统进行集中控制和管理。组态(包括系统硬件设备、数据库、控制算法、图形、报表)和相关系统参数的设置。现场控制站的下装和在线调试，数据站和操作

7、员站的下装。下装完毕后可把工程师站兼操作员站使用。3.1.2 操作员站站号为5079。运行相应的实时监控程序，对整个系统进行监视和控制。各种监视信息的显示、查询和打印，主要有工艺流程图显示、趋势显示、参数列表显示、报警监视、日志查询、系统设备监视等。 通过键盘、鼠标或触摸屏等人机设备，通过命令和参数的修改，实现对系统的人工干预，如在线参数修改、控制调节等。3.1.3 数据站站号为0。运行相应的实时监控程序，对整个系统进行监视和控制。3.1.4 现场控制站站号为1049。运行相应的实时控制程序，对现场进行控制和管理。包括运行工程师站所下装的控制程序，进行工程单位变换、数据采集和控制输出、控制运算

8、等。3.1.5 通讯站和其它设备通讯。3.1.6 监控网络冗余高速以太网链路；使用五类屏蔽双绞线或光纤将各个通讯节点连接到中心交换机上；节点有工程师站、操作员站、数据站；采用TCP/IP通讯协议。图3 以太网线监控网络上各个节点用固定分配的IP地址进行标识。为实现监控网络的冗余，网中每个节点的主机都配有两块以太网卡，一般在工程上将两块以太网卡分别连接到130网段和131网段的交换机上。监控网络的前两位IP地址分别为130.0和131.0，后两位则可以自行定义。对于工程师站和操作员站的计算机，我们把它看作同一类计算机，进行统一编号。工程上编号的惯例为：操作员站50操作员站51操作员站52操作员站

9、n(工程师站)数据站A机数据站B机130网段130.0.0.50130.0.0.51130.0.0.52130.0.0.n130.0.0.1130.0.0.2131网段131.0.0.50131.0.0.51131.0.0.52131.0.0.n131.0.0.1131.0.0.2 图4 监控网以太网卡的设置针对操作员站、数据站监控网网卡设置，选择TCP/IP协议，点击属性在弹出的窗口中填入该站的IP地址，如果这台计算机为50号站，则填入地址130.0.0.50，如果这台计算机为数据站A机，则填入地址130.0.0.1。3.1.7 系统网络冗余高速工业以太网；采用HSIE 通讯协议；使用五类屏

10、蔽双绞线或光纤将各个通讯节点连接到中心交换机上；节点有数据站、现场控制站。系统网以太网卡的设置：由于系统网络是工业以太网，其通讯协议为HSIE协议，因此不需要在系统设备组态中设置系统网以太网卡的地址。图5 系统网以太网卡的设置针对数据站系统网网卡设置，选择HSIE协议即可。3.1.8 控制网络位于现场控制站内部Profibus-DP现场总线采用带屏蔽的双绞铜线连接节点主要有DP主站(主控单元)和DP从站(智能I/O单元)完成实时输入/输出数据和从站设备诊断信息的传送站地址为0-125图6 Profibus-DP线缆Profibus是作为德国国家标准DIN 19245和欧洲标准prEN 5017

11、0的现场总线。ISO/OSI模型也是它的参考模型。由Profibus-Dp、Profibus-FMS、Profibus-PA组成了Profibus系列。Porfibus支持主从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。主站具有对总线的控制权，可主动发送信息。按Profibus的通信规范，令牌在主站之间按地址编号顺序，沿上行方向进行传递。主站在得到控制权时，可以按主从方式，向从站发送或索取信息，实现点对点通信。主站可采取对所有站点广播 (不要求应答 ),或有选择地向一组站点广播。HOLLiAS-MACS系统使用ProfibusDP协议。3.1.9 工程师站和现场控制站的网络连接图7 工程

12、师站和现场控制站的网络连接工程师站下装数据时通图7所示连接实现。由于工程师站下装现场控制站是通过TCP/IP协议进行，因此现场控制站需要设置IP地址。我们将一个现场控制站里相互冗余的两个主控单元分别称为A机、B机。它们的IP地址设置是通过一对拨码开关来实现的，具体设置方法详见硬件产品介绍中的主控机笼SM120正面板上的拨码开关设置部分。设置后的现场控制站中系统网卡的IP地址如下表所示。工程师站下装现场控制站时需要在组态软件选择设置的此地址，具体设置方法详见软件介绍中的控制器算法组态。#10站主控单元#11站主控单元#12站主控单元#n站主控单元A机128网段128.0.0.10128.0.0.

13、11128.0.0.12128.0.0.n129网段129.0.0.10129.0.0.11129.0.0.12129.0.0.nB机128网段128.0.0.138128.0.0.139128.0.0.140128.0.0.(128+n)129网段129.0.0.138129.0.0.139129.0.0.140129.0.0.(128+n)通过下表总结一下各站网卡数量以及网卡地址。(工程师站兼做操作员站使用时站号可根据实际情况选择，不限于50号站)操作员站50/工程师站操作员站n数据站A机数据站B机现场控制站10现场控制站nA机B机A机B机监控网A网130.0.0.50130.0.0.n1

14、30.0.0.1130.0.0.2监控网B网131.0.0.50131.0.0.n131.0.0.1131.0.0.2系统网A网/下装A128.0.0.50HSIE ProtocolHSIE ProtocolHSIE Protocol/128.0.0.10HSIE Protocol/ 128.0.0.138 HSIE Protocol/128.0.0.nHSIEProtocol/128.0.0.(128+n)系统网B网/下装B129.0.0.50HSIE ProtocolHSIE ProtocolHSIE Protocol/129.0.0.10HSIE Protocol/129.0.0.138

15、HSIE Protocol/129.0.0.nHSIEProtocol/129.0.0.(128+n)网卡数量42442222说明：每个操作员站2块网卡(每卡1个IP地址)，工程师站4块网卡(每卡1个IP地址)，每个数据站4块网卡(监控网每卡1个IP地址，系统网网卡HSIE Protocol，没有IP地址)，每个现场控制站中有4块以太网卡(A主控有2块，B主控有2块，系统网网卡HSIE Protocol，没有IP地址，但由于接收工程师站下装每卡1个IP地址 )3.2. SM系列硬件产品3.2.1 MACS系统机柜每个控制机柜正面安装机笼，机笼之间的通讯联系通过预制电缆(SX00 x/DB9)连

16、接；每个控制机柜可以安装四至五个机笼；每个机笼可以安装14个模块。控制机柜背面有三列导轨，可以安装45个100型端子模块(SM3xxx),或30个150型 端子模块，或15个300型端子模块。SM硬件设备主控机笼、扩展机笼、模块等均置于现场控制机柜中。其中，FP069机柜用于放SM130/SM131机笼。现场控制机柜为框式结构，前后开门，左右侧板可拆卸。机柜前后门下方设计有通风孔、防尘罩，机柜顶部装有排风单元，前门内侧设有文件架，机柜顶部装有四个吊环。机柜底座与机柜主体之间为橡胶绝缘。机柜底座有4个M12的地脚螺钉孔。3.2.2 机笼单元 14槽电缆连接型后出线主控机笼SM130:SM130为

17、后出线型主控机笼，共有14个槽位，由左至右依次可配置2个冗余电源模块、10个I/O模块和2个冗余主控模块。前面板上设有主控站号拨码开关、终端匹配拨码开关、冗余Profibus-DP 主站接口以及冗余以太网接口；后面板上设有24VDC 电源输入接口、电源故障报警输出接口和10 个DB25 预制电缆插座。图8主控机笼SM130前视图图9主控机笼SM130后视图主控站号设定：SM130主控机笼前面板上的6位拨码开关“CN”用于设置主控单元站地址。拨向“ON”,该位二进制数值为“0”；拨向“OFF”，该位二进制数值为“1”。冗余的两个主控模块共用一个拨码开关。其中 Ki=0 (i=16)表示第i 位拨

18、码的二进制数值。站号=20K1+21K2+22K3+23K4+24K5+25K6机笼号：SM130主控机笼的机笼编号始终默认为“0”号。机笼槽位编号设定：SM130 主控机笼最左侧的两个槽位固定为冗余电源模块插槽，不设槽位编号。最右侧两个槽位固定为冗余主控A 机和B 机的插槽，不设槽号。其余10 个槽位为I/O 模块插槽，槽位编号从左至右依次为211 号，与此对应，I/O 模块的通讯站地址从左至右依次为211 ，此编号固定且不更改。终端匹配开关：SM130 主控机笼前面板设有4 位终端匹配拨码开关 “TR”，拨码向“OFF”，匹配开关打开，断开终端匹配电阻。 14槽电缆连接型后出线I/O机笼S

19、M131:SM131为后出线型IO机笼，共有14个槽位，由左至右依次可配置2个冗余电源模块和12个I/O模块。前面板上设有模块站号拨码开关、终端匹配拨码开关和冗余Profibus-DP 从站输入输出接口；后面板上设有24VDC电源输入接口、电源故障报警输出接口和12个DB25预制电缆插座。机笼槽号说明及模块站地址设置SM131I/O机笼共有12个插槽（除去最左边两个电源模块），分为3组（每组4槽位）， 每组插槽的槽号由底板走线按顺序硬件固化，从左到右依次为0、1、2、3号站。每组插槽的组地址分别由前面板上的3个5位拨码开关设置，拨向“ON”，该位二进制数值为“0”；拨向“OFF”，该位二进制数

20、值为“1”。组地址编号=20K1+21K2+22K3+23K4+24K5机笼槽号说明及模块站地址设置通讯站地址=组地址编号4+槽位编号（0,1,2,3）例如：某I/O机笼的第2组5位拨码开关从高位到低位依次设定为“10000”，则第2 组对应插槽的模块通讯站地址别为：64+ (0，1，2，3)=64，65，66，67。终端匹配开关：SM131 主控机笼前面板设有4位终端匹配拨码开关“TR”，拨码全部拨向 “ON”，匹配开关闭合，连通终端匹配电阻；全部拨向“OFF”，匹配开关打开，断开终端匹配电阻。只有在总线链路末端的机笼上才接通终端匹配电阻，用于吸收信号的反射和回波，位于总线链路中间的其他机笼

21、则禁止接通终端匹配电阻。I/O 模块的冗余对于需要冗余配置的I/O模块，SM131I/O机笼可以提供6对冗余输入/输出插槽，并且只能为0、1号（2、3号；4、5号；6、7号；8、9号；10、11号）槽位两两互为冗余。3.2.3 电源模块 SM911 24VDC（240W）电源模块 输入电压：176VAC264VAC，47Hz63Hz；输出电压：24VDC10A；额定功率：240W；支持11并联冗余；开机软启动；输入输出隔离；保护：短路/过载/过压/超温；电源输出状态报报警； SM920 48VDC电源模块 支持 11冗余；输入输出隔离；输出过载过压保护；电源故障状态输出；开机软启动 。 SM9

22、40 48VDC电源模块24VDC 系统电源分为两组，每组两路24VDC 输入，三路24VDC 输出。其中，每路24VDC 输入经肖特基二极管冗余后并接输出三路24VDC。查询电源将两路24/48VDC 输入与两路24/48VDC 输出并接。 SM902A 24.5V/5.1V双路隔离电源模块输入电压：24VDC 输出电压：24VDC/5.1VDC支持热插拔支持1+1冗余功能输出过压、欠压保护输出状态显示报警和故障检测输入输出隔离，双路输出隔离 SM3612 16通道 48VDC查询电源分配端子模块SM3612为SM618/SM619模块提供48VDC查询电源。3.2.4主控模块 SM203

23、主控模块嵌入式X86兼容处理器，主频100MHz；16M DRAM；1M SRAM；主、从冗余；掉电保护；系统网双网冗余；控制网冗余。3.2.5 I/O模块在对控制系统做出合理配置前，应先统计出工程应用对象的测量、控制点数及类型，从而确定所需模块的类型和数量。常用的四种I/O单元类型：AI、AO、DI、DO。 基本AI模块 模拟量输入模块（SM481、SM472、SM432）SM481 8路电流型模拟量输入模块SM472 8通道(路间隔离)热电偶模 拟量输入模块SM432 8通道热电阻型模拟量输入模块 基本AO模块 模拟量输出模块（SM510、 SM520）SM510 8路电流型模拟量输出模块

24、SM510是SM系列硬件产品中的8通道电流型模拟量输出模块。通过64针欧式连接器与机笼底板连接，与对应端子模块配套使用，输出8路420mA电流信号至现场设备。SM510采用模块化设计，整体结构为盒式插件结构，机笼轨道安装，卡销固定。模块背板上的防混销唯一固定。 基本DI模块 开关量输入模块SM618 16 通道48VDC 触点型开关量输入模块SM618是SM系列硬件产品中的16通道48VDC触点型开关量输入模块。通过64针欧式连接器与机笼底板连接，与对应端子模块配套使用，从现场输入16 路触点型开关量信号。触点查询电压48VDC。 基本DO模块 开关量输入模块（SM711）SM711是SM系列

25、硬件产品中的16通道共负端晶体管型开关量输出模块。通过64针欧式连接器与机笼底板连接，与对应端子模块配套使用，输出16路开关量信号至现场设备。SM711采用模块化设计，整体结构为盒式插件结构，机笼轨道安装，卡销固定。模块背板上的防混销唯一固定。3.2.6端子模块按尺寸划分，端子模块可以分为3类：300型(模块高度为300mm)、150型、100型。常用的端子模块中，还有两种通用的端子模块:SM3310、SM3311。可搭配多种IO模块使用。SM3432 8通道热电阻型模拟量输入端子模块SM3480 8通道电流型模拟量输入端子模块SM3470 8通道热电偶模拟量输入端子模块SM3471 7通道热

26、电偶（带冷端补偿）模拟量输入端子模块SM3510 8通道(路间隔离)电流型模拟量输出端子模块SM3612 16通道48VDC查询电源分配端子模块3.2.7接地系统现场控制站在上电调试和正式投运前，必须按照其接地要求完成接地系统的安装，并测试合格。良好的接地系统能够保证：当进入MACS系统现场控制站的信号、供电电源或现场控制站内部设备本身出现问题时，可以迅速将过载电流导入大地；为进入现场控制站的信号电缆提供屏蔽层，消除电子噪声干扰，并为整个控制系统提供公共信号参考点；防止设备外壳的静电荷积累，避免造成人员的触电伤害及设备的损坏。一般情况下，现场控制站的接地系统包括：保护地、屏蔽地和系统地。保护地

27、(CG，Cabinet Grounding) 是为了防止设备外壳的静电荷积累、避免造成人身伤害而采取的保护措施。屏蔽地(AG，Analog Grounding) 它可以把信号传输时所受到的干扰屏蔽掉，以提高信号质量。进入现场控制站的弱电信号电缆的屏蔽层应做屏蔽接地。系统地 在现场控制站中，就是I/O 级设备的24VDC 或5VDC 的工作电源地。是为DCS 电子系统提供可靠性和准确性的参考点。四、总原理图及元器件清单1总原理图图10 总原理图2元件清单元件序号型号主要参数数量备注机柜FP0691机笼单元SM13014槽位1机笼单元SM13114槽位1电源模块SM91124VDC（240W）1电

28、源模块SM92048VDC1主控模块SM203主频100MHz；16M DRAM；1M SRAM；1AI模块 SM4818通道；420mA电流信号输入 1AO模块 SM5108通道；420mA电流信号输出 1DI模块 SM61016 通道1DO模块 SM71116通道1 五、安装与调试5.1新建工程打开数据库总控打开新建工程对话框键入工程名打开工程域组号组态关闭数据库总控5.2硬件配置打开设备组态工具打开工程系统设备组态（编辑、编译）IO设备组态（编辑、编译）关闭设备组态工具生成系统设备状态图形。5.3 数据库组态打开数据库总控打开工程进入编辑数据库画面进行数据编辑（AI、AO、DI、DO、A

29、M、DM等）编辑数据库后保存（数据库更新）数据库基本编译5.4 生成控制器算法工程组态打开数据库总控打开工程数据库基本编译数据库联编生成控制器算法工程（生成下装文件）5.5控制器算法组态创建程序型POU，采用合适的POU语言（一般CFC或FBD）编写它的运算内容，在编程时，对变量进行数据读、写操作，用变量传递运算结果，将某些变量值送到输出模块去作为控制现场设备动作的指令，或者不输出变量而仅将变量值传递到上层操作员站监控用。 POU操作过程创建POU编辑POUPOU的触发 操作编译选择工程菜单中的“编译”或“全部再编译”，编译结果显示在编译栏中，如有错误用红色显示，可双击鼠标左键，系统自动定位到

30、错误地点，改正错误直到编译成功仿真调试选择在线菜单中的“仿真调试”，然后点击在线菜单中的“登录”，然后点击在线菜单中的“运行”,观察运行结果。下装点击在线菜单中的“仿真模式”，使其前面不再打勾，然后再点击在线菜单中的“通讯参数”，进行通讯参数的设置。选择通讯参数窗口中右侧的“New”填写信道名称，然后点击“OK”点击“OK”,通讯参数设置完成填写要下装的控制器的IP地址点击在线菜单中的“登录”，弹出提示窗口选择“是”，系统将下装控制器，然后系统开始正常运行，调试方法与仿真调试方法相同5.6 报表组态离线组态：打开报表组态工具打开工程-绘制静态表格-添加动态点编译报表保存报表文件-关闭报表组态工具工程师在线下装到操作员站在线组态：进入操作员在线登录到工程师级