第二章DCS的硬件系統(tǒng)

1、本章重點(diǎn)：DCS的硬件組成和原理 對DCS的概念以及DCS的體系結(jié)構(gòu)前面已經(jīng)作了詳細(xì)的學(xué)習(xí)。從這節(jié)開始，學(xué)習(xí)DCS的硬件組成和硬件原理。 2， DCS的硬件前面已有所接觸，一個(gè)DCS系統(tǒng)至少包括四個(gè)組成部分，它們是： 3，DCS的體系結(jié)構(gòu)包括四個(gè)層次，它們是： 1， 集散型控制系統(tǒng)采用危險(xiǎn)分散、控制分散，而操作和管理集中的基本設(shè)計(jì)思想，形成 的結(jié)構(gòu)形式，適應(yīng)現(xiàn)代化的生產(chǎn)和管理要求。 （一）工程師站（一）工程師站 (Engineer Station ,ES): 主要給儀表工程師使用 , 作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和維護(hù)的主要工具。儀表工程師可在工程師站上進(jìn)行系統(tǒng)配置、 I/O 數(shù)據(jù)設(shè)定、報(bào)警和打印報(bào)表設(shè)計(jì)、操

2、作畫面設(shè)計(jì)和控制算法設(shè)計(jì)等工作。一般每套系統(tǒng)配置一臺(tái)工程師站即可。工程師站可以通過網(wǎng)絡(luò)連人系統(tǒng) , 在線 (On Line) 使用 , 比如在線進(jìn)行算法仿真調(diào)試 , 也可以不連人系統(tǒng) , 離線 (Off-Line) 運(yùn)行。基本上在系統(tǒng)投運(yùn)后 , 工程師站就可以不再連人系統(tǒng)甚至不上電。 （二）操作員站（二）操作員站 (Operator Station ,OS): 主要給運(yùn)行操作工使用 , 作為系統(tǒng)投運(yùn)后日常值班操作的人機(jī)接口 (Man Machine Interface ,MMI ) 設(shè)備使用。在操作員站上 , 操作人員可以監(jiān)視工廠的運(yùn)行狀況并進(jìn)行少量必要的人工操作控制。每套系統(tǒng)按工藝流程的要求

3、 , 可以配置多臺(tái)操作員站 , 每臺(tái)操作員站供一位操作員使用 , 監(jiān)控不同的工藝過程 , 或者多人備份同時(shí)監(jiān)控相同的工藝過程。有的操作員人機(jī)接口還配置大屏幕 ( 占一面墻 ) 顯示。 （三）系統(tǒng)服務(wù)器（三）系統(tǒng)服務(wù)器 (System Server): 一般每套 DCS 系統(tǒng)配置一臺(tái)或一對冗余的系統(tǒng)服務(wù)器。系統(tǒng)服務(wù)器的用途可以有很多種 , 各個(gè)廠家的定義可能有差別?？偟膩碚f , 系統(tǒng)服務(wù)器可以用做 :(1) 系統(tǒng)級(jí)的過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫 , 存儲(chǔ)系統(tǒng)中需要 .長期保存的過程數(shù)據(jù)。 (2) 向企業(yè) MIS (Management Information System) 提供單向的過程數(shù)據(jù) , 此時(shí)為區(qū)別

4、慢過程的 MIS 辦公信息 ,將安裝在服務(wù)器上的過程信息系統(tǒng)稱為REAL MIS, 即實(shí)時(shí)管理信息系統(tǒng) , 因?yàn)樗峁┑氖菍?shí)時(shí)的工藝過程數(shù)據(jù)。 (3) 作為DCS系統(tǒng)向別的系統(tǒng)提供通信接口服務(wù)并確保系統(tǒng)隔離和安全 , 如防火墻 (Fire Wall) 功能。 （四）主控制器（四）主控制器 (Main Control Unit ,MCU): 主控制器是DCS中各個(gè)現(xiàn)場控制站的中央處理單元 , 是 DCS 的核心設(shè)備。在一套DCS應(yīng)用系統(tǒng)中 , 根據(jù)危險(xiǎn)分散的原則 , 按照工藝過程的相對獨(dú)立性 , 每個(gè)典型的工藝段應(yīng)配置一對冗余的主控制器 , 主控制器在設(shè)定的控制周期下 , 循環(huán)地執(zhí)行以下任務(wù) :

5、 從 I/0 設(shè)備采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)一 執(zhí)行控制邏輯運(yùn)算一 向 I/O 輸出設(shè)備輸出控制指令一 與操作員站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 （五）輸入輸出設(shè)備（五）輸入輸出設(shè)備 (Input/Output ,I/O): 用于采集現(xiàn)場信號(hào)或輸出控制信號(hào) , 主要包含模擬量輸入設(shè)備 (Analog Input ,AI) 、模擬量輸出設(shè)備 (Analog Output ,AO) 、開關(guān)量輸入設(shè)備 (Digital Input DI) 、開關(guān)量輸出設(shè)備 (Digital Output , DO) 、脈沖量輸入設(shè)備 ( Pusle Input PI) 及一些其他的混合信號(hào)類型輸入輸出設(shè)備或特殊 I/0 設(shè)備。 （六）控制網(wǎng)絡(luò)及

6、設(shè)備（六）控制網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備 (Control Network,CNET): 控制網(wǎng)絡(luò)用于將主控制器與 I/0 設(shè)備連接起來 , 其主要設(shè)備包括通信線纜 ( 即通信介質(zhì) ) 、重復(fù)器、終端匹配器、通信介質(zhì)轉(zhuǎn)換器、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器或其他特殊功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。 （七）系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備（七）系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備 (System Network,SNET): 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)用于將操作員站、工程師站及系統(tǒng)服務(wù)器等操作層設(shè)備和控制層的主控制器連接起來。組成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的主要設(shè)備有網(wǎng)絡(luò)接口卡、集線器 ( 或交換機(jī) ) 、路由器和通信線纜等。 （八）（八）電源、轉(zhuǎn)換設(shè)備電源、轉(zhuǎn)換設(shè)備 : 主要為系統(tǒng)提供電源 , 主要設(shè)備包含 AC-

7、配轉(zhuǎn)換器、雙路 AC 切換裝置 ( 僅在某些場合使用 ) 和不間斷電源 (UPS) 等。 （九）機(jī)柜和操作臺(tái)（九）機(jī)柜和操作臺(tái) : 機(jī)柜用于安裝主控制器、 I/0 設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及電源裝置。操作臺(tái)用于安裝操作員站設(shè)備。DCS的硬件組成包括：（一）工程師站（一）工程師站 (Engineer Station ,ES)（二）操作員站（二）操作員站 (Operator Station ,OS)（三）系統(tǒng)服務(wù)器（三）系統(tǒng)服務(wù)器 (System Server)（四）主控制器（四）主控制器 (Main Control Unit ,MCU)（五）輸入輸出設(shè)備（五）輸入輸出設(shè)備 (Input/Output ,I

8、/O)（六）控制網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備（六）控制網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備 (Control Network,CNET)（七）系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備（七）系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備 (System Network,SNET)（八）電源、轉(zhuǎn)換設(shè)備（八）電源、轉(zhuǎn)換設(shè)備（九）機(jī)柜和操作臺(tái)（九）機(jī)柜和操作臺(tái)小結(jié) 學(xué)習(xí)DCS硬件，以應(yīng)用為主，這里主要講現(xiàn)場控制站內(nèi)部電路，包括：（1）主控制器）主控制器 (Main Control Unit ,MCU)（2）輸入輸出設(shè)備）輸入輸出設(shè)備 (Input/Output ,I/O)（3）電源、轉(zhuǎn)換設(shè)備）電源、轉(zhuǎn)換設(shè)備（4）機(jī)柜和操作臺(tái)）機(jī)柜和操作臺(tái)（1）主控制器）主控制器 (Main Control Unit

9、,MCU)（1）主控制器）主控制器 (Main Control Unit ,MCU)一個(gè)典型的 MCU 的組成框圖如圖所示： （一）CPU: 控制運(yùn)算的主芯片 , 常見的有Intel486DX4、IntelPentium133/233/266、等 , 近年來以 ARM 核為基礎(chǔ)的低功耗芯片的流行 。 CPU要綜合考慮計(jì)算速度和可靠性問題，不見得CPU檔次越高越好 。（1）主控制器）主控制器 (Main Control Unit ,MCU) （二）（二） 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò) (SNET) 接口接口 :SNET 接口是主控制器與操作員站、工程師站等操作層設(shè)備通信的網(wǎng)絡(luò)接口。過去各家 DCS 廠商的系

10、統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)基本上都是專有的 ， 根本不開放 , 并且都宣稱專用網(wǎng)絡(luò)可靠。目前這種情況已經(jīng)有了很大的改變 , 幾乎在 20 世紀(jì) 90 年代后期推出的新系統(tǒng)中 ,DCS 的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)都采用了以太網(wǎng) , 事實(shí)證明 , 以太網(wǎng)作為主流的商用網(wǎng)絡(luò) , 只要在軟件的應(yīng)用層上采取一定的保護(hù)措施 ( 比如應(yīng)答和重發(fā) ), 其可靠性和安全性是沒有問題的。采用以太網(wǎng)最大的好處 , 首先是開放和易于集成 , 其次是低成本。 （1）主控制器）主控制器 (Main Control Unit ,MCU) （三）控制網(wǎng)絡(luò)（三）控制網(wǎng)絡(luò) (CNET) 接口接口 :CNET 接口是主控制器與 I/O 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的網(wǎng)絡(luò)接口。作為過

11、程控制系統(tǒng) ( 即DCS), 與制造控制系統(tǒng)相比 ( 即傳統(tǒng)的 PLC 系統(tǒng) ), 由于 DCS 需要進(jìn)行大量的模擬量數(shù)據(jù)傳送 , 而且每個(gè) I/0 設(shè)備的數(shù)據(jù)量較大 , 所以 CNET 一般選擇字節(jié)型長包協(xié)議的通信網(wǎng)絡(luò) ( 如 Profibus 一 DP), （1）主控制器）主控制器 (Main Control Unit ,MCU) （四）主從冗余控制邏輯（四）主從冗余控制邏輯 : 該部分電路用于控制互為備份的兩臺(tái)主控制器的切換。由于過程控制對安全性和可靠性的特殊要求 , 幾乎所有的 DCS 系統(tǒng)，其標(biāo)準(zhǔn)配置都是雙主控制器冗余運(yùn)行 , 這和普通 PLC 只能是單控制器配置的結(jié)構(gòu)是不同的。該部

12、分電路必須確保任一時(shí)刻有且僅有一臺(tái)主控制器的控制指令被輸出到 I/0 設(shè)備。 （1）主控制器）主控制器 (Main Control Unit ,MCU) （五）固態(tài)盤（五）固態(tài)盤 (Solid State Disk,SSD) 或或 Flash 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 : 用于保存主控制器的操作系統(tǒng)、用戶控制算法文件等信息。在主控制器上電啟動(dòng)后將這些文件調(diào)入內(nèi)存運(yùn)行。 （六）內(nèi)存（六）內(nèi)存 (Main Memory): 用于加載運(yùn)行程序 , 掉電后內(nèi)存的內(nèi)容不會(huì)被保存。 （七）掉電保持靜態(tài)存儲(chǔ)器（七）掉電保持靜態(tài)存儲(chǔ)器 (SRAM): 該存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)運(yùn)行過程中需要實(shí)時(shí)保存、并且在系統(tǒng)掉電后還需要保存一段

13、時(shí)間的數(shù)據(jù) , 比方說閥門在 DCS 掉電前的開度。因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)在 DCS重新上電后可能用做初始值輸出 , 保證現(xiàn)場閥位不出現(xiàn)跳動(dòng)。為了便于選擇 DCS 掉電后SRAM 是否保存實(shí)時(shí)數(shù)據(jù) , 一般的主控制器都設(shè)置有使能開關(guān) , 用于接通或關(guān)斷 SRAM 的后備電池 (Backup Battery) 。 （2）輸入輸出設(shè)備）輸入輸出設(shè)備 (Input/Output ,I/O)模擬量輸入設(shè)備模擬量輸入設(shè)備 (AI)模擬量模塊在使用時(shí)注意以下幾個(gè)問題模擬量模塊在使用時(shí)注意以下幾個(gè)問題 1，精度，精度 首先我們來澄清三個(gè)概念。精密度 (Precision): 表示測量結(jié)果的隨機(jī) ( 偶然 ) 誤差的大

14、小。 正確度 (Correctness): 表示測量結(jié)果的系統(tǒng)誤差大小。 準(zhǔn)確度 (Accuracy): 是系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的綜合，表示測量結(jié)果閾 真值的一致程度，也稱精確度或精度。 在實(shí)際測量 AI 的精度時(shí)，一般在滿量程內(nèi)均勻選取 3 點(diǎn) (10%,50%,90%) 或 5 點(diǎn) (10%,30%,50%,70%,90%), 用精度至少高一個(gè)等級(jí)的測量儀表和信號(hào)源測量 AI 的精度，必須所有測量點(diǎn)的絕對誤差都小于期望值，AI 精度就算合格。 模擬量模塊在使用時(shí)注意以下幾個(gè)問題模擬量模塊在使用時(shí)注意以下幾個(gè)問題 1，精度，精度 2，分辨率，分辨率 分辨率 是測量裝置能感知和區(qū)分的最小變化量,

15、對于采用A/D轉(zhuǎn)換器的 AI設(shè)備而言,分辨率就是采樣數(shù)據(jù)最低位 所代表的模擬量的值. 分辨率以A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)和量程表示,比如用 12 位量程為 05V 的A/D , 其分辨率為 :5V/4096=1.22Mv.一般地，分辨率 = 信號(hào)量程 /2n, 其中 n 為 A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。 模擬量模塊在使用時(shí)注意以下幾個(gè)問題模擬量模塊在使用時(shí)注意以下幾個(gè)問題 1，精度，精度 2，分辨率，分辨率 3，輸入阻抗，輸入阻抗 對于 AI 設(shè)備來說，當(dāng)用于測量電壓信號(hào)時(shí)， 輸入阻抗的大小也會(huì)對測量精度帶來影響。這是因?yàn)楸粶y量的電壓信號(hào)源都存在微小的等效內(nèi)阻，該內(nèi)阻與 AI 的輸入阻抗是串聯(lián)關(guān)系，當(dāng) AI 的輸入阻抗不足夠大時(shí)，信號(hào)源內(nèi)阻上的電壓降就不可忽略，AI 設(shè)備輸入端得到的電壓為開路時(shí)信號(hào)電壓減去接通時(shí)信號(hào)源內(nèi)阻上的壓降 , 比真實(shí)值小。 一般要求 DCS 的 AI 設(shè)備的輸入阻抗在 100K以上 (IE61131-2僅要求10K以上 )，這意味著當(dāng)信號(hào)源的內(nèi)阻在 1O 以內(nèi)時(shí)，最多引起萬分之一的相對誤差。 模擬量模塊在使用時(shí)注意以下幾個(gè)問題模擬