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现场总线与DCS兼容性研究
1、相关定义
1.1、隧道技术的基本概念
3.1.1 封装 封装(Encapsulation)就是将数据包作为净荷放在另一个数据包或帧中。在IP网络中有:IP的IP封装[RFC 2003]、最小封装{RFC 2004}、通用路由封装(GRE Generic Routing Encapsulation[RFC 1701])。 隧道的封装实际上是对信息结构进行变换,在隧道内部使用的数据包格式和地址寻址方式可以与传输数据包的主干网络所使用的数据包格式和地址寻址方式完全不同,从而提供某种程度的内在数据的安全性。 3.1.2 隧道 当一个数据包被封装在另一个数据包的净荷中进行传送时,所经过的路径称为隧道。 3.1.3 隧道技术 隧道技术就是通过将待传输的原始数据经过加密和协议封装处理后再嵌套装入另一种协议的数据包中,像普通数据包一样发送到网络中进行传输,实现跨越公共网络转送私有数据包的目的。 在隧道的入口,即源端要对经过隧道传输的数据包进行分段、加密、封装等处理。
而在隧道的出口,即宿端要对经隧道传输过来的数据包解封、解密、重新组装等处理,还原出原始的数据包,然后根据数据包中的目的地址进行处理,如果数据的目的地址就是本节点,就把数据包送给上一层处理,如果不是,则进行转发。也就是说,只有源端和宿端对隧道中的数据包(嵌套信息)进行解释和处理,对其它节点而言数据包不能被解释和处理,因而没有任何意义。 3.1.4 分段 许多数据链路层以及在它的底层运行的硬件对能传送的最大帧的长度有限制,这种限制称为数据链路层MTU(Maximum Transfer Unit)。一条隧道的PMTU(Path MTU)就是构成这条隧道的源到目的地之间的各段路径MTU的最小值,可以通过Path MTU Discovery[RFC 1191]中定义的规程来发现隧道的MTU。MTU限制了在一帧中能传送的IP包的最大长度,如果IP包比传送它的数据链路层的MTU大,在传送前要将IP包分段(Fragmentation),将一个大的IP包分成几个小段,以便每个小片可以装进数据链路层MTU中。 3.1.5 数据的安全性 在通信协议的分层模型中,网络层(在TCP/IP协议中就是IP层)是可实现端到端安全通信的最底层。网络层安全协议为IP报文中封装的所有应用层数据提供透明的安全保护,用户无需修改应用层协议[26]。 数据的安全性(Security)是指数据在隧道中传输时不被篡改和泄露,在Internet上可以用过IPSec机制[RFC 2401]来实现。数据的安全性主要体现在以下几个方面: 数据源身份认证:证实数据报文是所声称的发送者发出的。 数据完整性:证实数据报文的内容在传输过程中没有被修改,无论是被估计改动或是由于发生了随机的传输错误。 数据机密性:隐藏明文消息,通常靠加密技术来实现。 重放攻击保护:保证攻击者不能截获数据报文,且稍后某个时间再发送数据报文,而且不会被检测到。
自动的密匙管理和安全关联管理:保证只需少量或根本不需要手工配置,就可以在共享的公共网络中写上生成密匙,并能动态刷新密匙。 IP安全体系结构是由IETF的IPSec工作组制定的,是一个开放性的标准框架,它能为网络层安全提供能够一个长期的、稳定的基础。它不仅可以使用先进的密码学算法,还可以在将来出现了更新更强大的密码学算法时,同样可以使用。因为它是开放的,IPSec不仅为Internet提供了基本的安全功能,也为创建健壮安全的虚拟私有网提供了灵活的手段。 IP认证头AH(Authentication Header[RFC 1826])数据包通过在其前面加入IP认证头提供对IP报头和净荷(Payload)的认证、完整性检查,IP认证头可用来认证发送者的身份,保护整个数据包不会被篡改。认证头无法提供数据加密,可由IP封装安全净荷ESP来提供。IP封装安全净荷ESP(IP Encapsulating Security Payload[RFC 1627])提供了IP包净荷的机密性、认证和完整性检查。
1.2、现场总线技术概念、结构和特点
现场总线(Field Bus)是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络,它也被称为现场底层设备控制网络(Infranet)。80年代以来,各种现场总线技术开始出现,人们要求对传统的模拟仪表和控制系统变革的呼声也越来越高,从而使现场总线成为一次世界性的技术变革浪潮。 随着现场总线技术的出现和成熟,促使了控制系统由分布控制系统(DCS)向现场总线控制系统(FCS)的过渡。在一般的FCS系统中,遵循一定现场总线协议的现场仪表可以组成控制回路,使控制站的部分控制功能下移分散到各个现场仪表中,从而减轻了控制站负担,使得控制站可以专职于执行复杂的高层次的控制算法。对于简单的控制应用,甚至可以把控制站取消,在控制站位置代之以起连接现场总线作用的网桥和集线器,操作站直接与现场仪表相连,构成分布式控制系统。分布式的FCS系统比DCS系统更好地体现了"信息集中,控制分散"的思想。与传统的DCS相比,FCS有其自身的特点,它具有高度的分散性,可以由现场设备组成自治的控制回路。现场仪表或设备具有高度的智能化与功能自主性,可完成控制的基本功能,并可以随时诊断设备的运行情况。另外,FCS的结构比DCS简单,有的FCS系统省略了DCS中控制站这一层,操作站直接与现场仪表相连,这就使FCS的可靠性得到提高。现场总线系统具有开放性,系统对相关标准具有一致性、公开性,强调对标准的共识与遵从。通信协议一致公开,各厂家的设备之间可实现信息交换,通过现场总线可构筑自动化领域的开放互连系统。系统的开放性决定了它具有互操作性和互用性,互操作性指互连设备间、系统间的信息传送与沟通;而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。作为工厂网络底层的现场总线还对现场环境有较强的适应性,它支持双绞线、同轴电缆、光缆、无线和电力线等,具有较强的抗干扰能力。 由于结构的改变,FCS比DCS更节约硬件设备。使用FCS可减少大量的隔离器、端子柜、I/O卡及I/O端口,节省了I/O装置及装置室的空间;同时减少了大量电缆,可以极大地节省安装费用。与此同时,FCS比DCS性能有所提高,由于免去了D/A与A/D变换,使仪表精度得到极大地提高;通过将PID功能植入到相应的智能传感器中,
使控制周期大为缩短。目前FCS可以从DCS的每秒调节2~5次增加到每秒调节10~20次,改善了调节性能。FCS控制系统与DCS控制系统结构比较见图2.1。 图2.1两种控制系统结构 由于现场总线以上特点,特别是其系统结构的简化,使其从设计、安装、投入到正常生产运行及检修维护,都体现出很强的优越性。它不仅节省了硬件数量与投资,节省了安装费用,而且系统的维护开销也大大地降低。现场总线控制系统不仅精确度与可靠性高,在方便使用和维护性方面,FCS也比DCS有优势。FCS使用统一的组态方式,安装、运行、维修简便;利用智能化现场仪表,使维修预报(Predicted Maintenance)成为可能;由于系统具有互操作性和互用性,用户可以自由选择不同品牌的设备达到最佳的系统集成,在设备出现故障时,可以自由选择替换的设备,保障用户的高度系统集成主动权。它还具有设计简单,易于重构等特点[20]。 现场总线和传统控制技术相比,具有许多突出优点: 1、基于现场总线的自动化监控系统增强了现场信息继承能力[21] 通过现场总线可以从现场设备获取大量信息,能够很好地满足控制系统的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络,它不单纯取代4~20 mA信号,还可实现设备状态、故障、参数信息传送。 2、开放式、互操作性、互换性、可集成性好 不同厂商产品只要使用同一总线标准,就具有互操作性和互换性,因此设备具有
很好的可集成性。系统为开放的,允许各厂商将自己专长的控制技术集成到系统中。用户也可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统,避免因选择了某一品牌的产品而被限定使用设备的选择范围。 3、系统可靠性高、可维护性好 基于现场总线的自动化系统采用总线连接方式替代一对一的I/O连线,对于大规模系统来说,减少了由连线造成的不可靠因素。同时,系统具有现场设备的在线故障诊断、报警、记录功能,可完成现场设备的参数设定、修改等参数化工作,也增强了系统的可维护性。 4、节省安装费用[22] 现场总线系统的接线十分简单,一对双绞线或一条电缆上通常可以挂接多个设备,因而电缆、端子、槽盒和桥架的用量大大减少,连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时,无需增设新的电缆,可就近连接在原有的电缆上,既节省了投资,也减小了设计、安装的工作量。据典型实验工程的测算资料表明,可节约安装费用60%以上。 5、提高了系统的准确性和可靠性[22] 由于现场总线设备的智能化、数字化,与模拟信号相比,它从根本上提高了测量与控制的精确度,减少了传送误差。同时,由于系统结构的简化,设备与连线减少,现场仪表内部功能加强,减少了信号的往返传输,提高了系统工作的可靠性。 由于现场总线技术的上述特点,现场总线技术引起控制领域的一次深刻变革,并开创了控制领域的新纪元。
1.3、架构及概念
2.1.1 SyncML 的架构2.1.1 SyncML 的架构 SyncML 的框架如下图所示: 图 2-1 SyncML 架构图[1] 4 第二章 Sync ML 数据同步技术的研究 "AppA"所重点描述的对象为一个能够提供网络同步服务的应用程序,而"App B" 则是同一个网络当中的设备。在这其中,服务与设备所应用的是一样的网络传输协议。 [1] 在图 2-1 里面,同步引擎主要是通过在服务器来得以实现,并且能够在客户端当中 提供一个同步引擎接口。而同步服务代理则是与客户端同步代理共同应用服务器端的 SyncML 接口协议。
1.4、规则定义
通过上面的分析,本文可以对规则进行具体的定义和描述。 (1) 个人年收入低于 40000 ,则拒绝贷款; (2) 个人最大贷款额度大于 100000,则拒绝贷款; (3) A 级及以上的等级,月还款额/平均月收入比在 40%以下可以放款;BBB 级及以 下等级不予房款;BBB 级至 A 级之间的,月还款额/平均月收入比在 20%以下可 放款。具体等级和信用评分的关系为:AAA级:90分以上,AA级:80~ 89分,A级:70~79分; BBB级:60~69分,BB级:50~5 9分,B级:40~49分; C级:40分以下。
1.5、业务规则定义
业务规则有很多种说法,业务规则组织(business rules group)对其定义为 "业务规则是对业务的某些方面进行定义和约束的声明" [7] 。声明定义了业务结 构,能够控制或影响业务的行为。业务规则包含用户需求的正式和可实现的表达, 通常使用自然语言以文本形式进行陈述。该文本形式称为业务规则语句。每个业 务规则语句表示在运行业务中,一个离散、可操作的实践或策略,而与任何特定 的实现手段或技术无关。 领域规则通常也称为业务规则,这也是其最常见的类型,但是这一术语并不 恰当,因为大量软件应用不是面向业务问题的,例如,气候模拟或军队后勤。气 候模拟具有"领域规则",这些规则与物理法则及其关系相关,会影响应用需求 [8] 。 领域规则指出领域或业务是如何运作的。尽管应用需求通常都会受到领域规 则的影响,但是这些规则不是任何一个应用的需求。公司政策、物理法则(例如 油在地下如何流动)和政府法律都是常见的领域规则。 业务规则方法包含一些基本原则 [9] : (1) 规则应该明确的写下来:如果规则足够重要,就必须写下来。 (2) 规则应该用简明的语言描述:规则必须容易被人理解,就像上述防火 门的规则描述一样,第一个描述不易被人明白。 6 (3) 规则应该独立于规程和工作流程而单独存在:对于防火门可以写一个 规程"走近门、用手握住门把、顺时针转门把...",不过这样没有什么价 值。所以规则应该独立于规程而单独存在。 (4) 规则应该建立在事实基础上,事实应该建立在由术语表达的概念基础 上。 (5) 规则应该以所期望的方式指导或影响行为:防火门规则会督促员工不 忘记关门。 (6) 规则应该由可识别的重要业务要素驱动:规则是有用途的,不能模糊。 防火门可以防止火灾发生。 (7) 规则应该能够供被授权的部门使用:保证规则能够被遵守的最好方法 就是让规则在需要它进行提示的时候正好出现在人的面前。 (8) 规则应该只有一个来源:防火门规则是大楼日常消防措施体系的一部 分,不管把这个规则张贴成千份,规则来源也只有一个。 (9) 规则应该直接由具备相关知识的人描述:消防措施体系必须由具有该 领域经验的专家制定。 (10) 规则应该收到管理:规则必须经过精心的评审、批准、集成和落实。
1.6、DCS定义
系统(DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM),在一些资料中也称 集散控制系统,是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统,是 在集中式控制系统的基础之上发展、演变而来的,是继基地式调节器(变送、指 示、调节一体化的仪表)、气动、电动单元组合仪表、直接数字控制DDC系统 (DIRECT DIGITAL CONTROL)以及监督计算机控制SCC(SUPERVISORYC伽PUTER CONTROL)以后又一新兴的自动化控制系统。DCS系统基于被控过程本身具有层次 性和可分割性的事实,而使用了多台计算机分担了控制的功能和范围,使处理 能力大大提高,并将危险性分散,以其高度的可靠性、方便的组态软件、丰富 的控制算法、开放的联网能力等优点,得到迅速的发展,成为计算机工业控制 系统的主流。 2.2 OCS研究现状 作为国民经济的支柱产业,制造业的发展对国家经济实力的提高有着战略 意义。由于DCS思想对以制造业为代表的工业企业的生存、发展问题有着划时 代的指导意义,因此,世界各国都对DCS给予极度重视,发达国家如美国、日 本、德国等纷纷把DCS的实施提高到战略高度,许多基础较为雄厚的中小型企 业也都大力投资,冒着巨大的风险进行DCS试点。特别是自从80年代以来,在 市场剧烈竞争的刺激下,在ocs有关技术飞速发展的支持下,DCS己成为制造工 业的热点。 2.2.1国外研究现状 国外开展DCS的研究与应用己有20多年历史。世界各国十分重视DCS等制 造系统集成技术的研究与开发,欧美等发达国家将DCS技术列入其高技术研究 发展战略计划,给予重点支持。 目前,国外己建成了一批研究基地;形成了一批以大学、研究所为核心的研 究队伍实现了一批不同行业、不同规模的DCS工厂。在欧美等发达国家已有许 多大中型企业实施了DcS,不少小型企业也在纷纷采用DCS技术。据美国凯格公 司的调查表明,DCS系统可以给予企业带来很大的经济效益,它可以使次品率减 一6- !||les... 武汉理工大学硕士学位论文 少10%,库存减少20%,提高工资50%,总生产费用节减10%}15%等。国外发达 国家对于水泥企业DCS的研究也颇为活跃,尤其是在单元智能控制技术等方面,. 狄得了丰硕研究成果。 2.3 OCS的发展趋势 DCS发展很快,影响它的发展的主要因素是微处理器及超大规模集成电路技 术的应用。现在的32位微处理器以应用于现场控制站,功能更强,速度更快, 存储器容量不断速增。人一机接口技术的交互图形、复合窗口及触摸屏幕的应 用,使操作站更趋完善,操作更为便捷,彩色CRT分辨率更高。专用集成电路 (AS IC)和表面安装技术(SMI)在硬件上的使用,使板极上的元件数量更少,硬件 的可靠性大大提高。智能半导体器件进入到现场一级,成为现场仪表,包括直 接数字传感器、光纤传感器和智能执行器。标准化的数据通信链路和通信网络 技术的发展,影响网络体系结构的变化。各种公共网络体系的建立和通信网络 技术的普及,使得网络环境下新的各类控制系统的开发成为可能。开放式结构 和集成技术将对ocs产生深刻影响。下面介绍其现状及前景。 1.开放化 ocs的通信用实现开放系统互联来满足工厂自动化要求。各种设备(计算机、 单回路调节器等)之间通信能力的加强,可方便地构成一个大系统。DCS各种制 造商为适应这种发展,竞相把自己的专用网络改造成符合国际标准的网络,或 将自己的专用网络与普通网络之间加入网关,使其与以太网、MAP网连接。 2.小型化 个人计算机的性能不断提高,价格不断降低,使得中小规模DCS可广泛采 用高档微机以及加固的工业PC机来构成低价格的集散系统,以满足小型工厂和 装置的应用。 3.智能化 人工智能特别是知识库系统(KBS)和专家系统(ES)在过程控制中的应用包 括:自整定和自适应控制器、实时数据采集、故障诊断、生产计划和调度、过程 优化、控制系统的计算机辅助设计、仿真培训和在线维修等。可以说人工智能 将会在ocs的各级(从控制到工厂管理)实现。 4.基于现场总线的PLC PLC以其结构紧凑、功能简单、速度快、可靠性高和价格低等优点,迅速获 得广n应用,己成为与DCS并驾齐驱的主流工业控制系统。目前以PLC为基础 的ocs发展很快,PLc与DCS相互渗透、相互融合、相互竞争,己成为当前工业 控制系统的发展趋势。 武汉理工大学硕士学位论文 5.新一代智能变送器 高度集成的智能器件正在向现场延伸。国外公司己开发生产出各类数字式 智能变送器,包括温度、差压、流量、液位、密度和压力变送器等多个品种。 6.管控一体综合集成系统CIMS 20世纪90年代以来,计算机控制系统在功能上朝着制造业自动化、过程控 制自动化、办公室自动化和经营管理自动化相结合的万向发展,即构成计算机 集成制造系统CIMS(Computer Int。grated Manufacturing System)或计算机集 成过程系统CIPS(Computer Integrat。d Process System)。 CIMS由决策管理、规划调度、监控和控制四个功能层次的子系统构成,实 现管理控制系统的一体化模式。 在新的管理模式与工艺指导下,综合运用信息技术、自动化技术,并通过 软件支持,CIMS把孤立的工厂自动子系统构成一个完整的系统,对生产过程的 物质流、管理过程的信息流及决策过程的决策流进行有效的控制和协调,以适 用新的竟争模式下市场对生产和管理过程提出的高质量、高速度、高灵活性和 低成本的要求。 2.4 DcS的组成及特点 集散型控制系统通常由过程控制单元过程接口单元、CRT显示操作站、管 理计算机以及高速数据通道等五个主要部分组成。其基本机构如图2.1所示。 些些辘卿人 人 有有蔫拉住月t tt 往往翻草兄龙龙 甘甘班计茸棍 棍 过过住盯O抽OOO 擎擎友友 困2 .1集故互拉翻拜统药本结构 1.过程控制单元((PCU:Proeess Control Unit)又叫现场控制站。是 DC的核心部分,对生产过程进行闭环控制,可控制数个至数十个回路,还可进 行顺序、逻辑和批量控制。 武汉理工大学硕士学位论文 2.过程接口单元(PILJ:Proeess Interfaee Unit)又叫数据采集站。 它是为生产过程中的非控制变量设置的采集装置,不但可完成数据采集和预期 处理,还可以对实时数据作进一步加工处理,供CRT操作站显示和打印,实现 开环监视。 3.操作站(OPS:operat ing Station)是集散系统的人一机接口装置。除 监视操作、打印报表外,系统的组态、编辑也在操作站上进行。 操作站有操作员键盘和工程师键盘。操作员键盘供操作人员用,可调出有 关画面,进行有关操作,如:修改某个回路的给定值;改变某个回路的运行状态; 对某个回路进行手工操作、确认报警和打印报表等。工程师键盘主要供技术人 员组态用,所有的监控点、控制回路、各种画面、报警清单和工艺报警等均由 技术人员通过工程师键盘进行输入。 操作站一般配有温氏硬盘存储器的软盘存储器;少数系统除硬盘外,还配有 磁带存储器(如RS3)。硬盘主要存储操作站的组态软件、系统组态软件、趋势纪 录、过程数据和报表等。此外,DCS本身的系统软件也存储在硬件中。当系统突 然断电时,硬盘存储的信息不会丢失,再次上电时可保证系统正常装载运行。 软盘和磁带存储器作为中间存储器使用。当信息存储在软盘或磁带后,可以离 机保存,以作备用。 4.数据高速通道(DH:Data Highway)又叫高速通信总线、大道和公路等, 是一种具有高速通信能力的信息总线,一般由双绞线、同轴电缆或光导纤维构 成。它将过程控制单元、操作站和上位机等连成一个完整的系统,以一定的速 率在各个单元之间传递信息。 5.管理计算机(MC:Manager Computer)管理计算机是集散系统的主机,习 惯上称它为上位机。它综合监视全系统的各个单元,管理各系统的所有信息, 具有进行大型复杂运算的能力以及多输入、多输出控制功能,以实现系统的最 优控制和全厂的优化管理。 运用分散控制和集中显示、操作及管理这一基本思想构成的DCS系统,与 常规模拟仪表相比,具有以下特点: (l)完善的控制功能集散系统可以完成连续、离散、顺序、逻辑和批量的控 制功能。完成从单回路、串级、前馈一反馈复合到非线性、自适应、多变量解 藕、多变量模型优化、多参数预估和摸糊等高级控制。可以执行常规Pm运算, 也可以执行Smith预估、三阶矩阵乘法等各种运算。 (2)丰富的监控功能操作人员通过CRT和操作盘,可以监视生产装置以及整 个车间情况,将系统总貌、分组和单元数据及时恰当地呈现出来,实现全系统 统一操作。技术人员可按预定的控制策略组态不同控制回路,并调整回路的任 武汉理工大学硕士学位论文 一参数或设置方式,而且还可以对机电设备进行各种控制,从而实现真正的集 中操作和监控管理。 (3)灵活的扩展功能集散系统采用模块结构,用户可根据要求方便地扩大或 缩小规模,或改变系统的控制级别。系统采用组态方法构成各种控制回路,很 容易对方案进行修改。也可通过系列选型或系统生成,构成各种系统。因扩展 灵活,故有利于分批投资,分批受益。 (4)极高的可靠性能由于采用了多台微处理机分散控制结构,故危险分散。 系统中关键设备采用双重或多重冗余,如控制站较多使用的3:2:l热冗余技术。 系统还设有中断自动备用系统和完善的自诊断功能,使系统的平均无故障时间 MTBF达105天。故障出现时可自动报警,甚至可提供故障维修服务。许多系统 可以提供远方技术中心服务,使平均修复时间MTBF为10一2天,系统利用率达 99.9999%。 (5)简便的安装调试集散系统的各单元都安装在标准机框内,模件之间采用 多芯电缆、标准化插件相连:与过程连接时采用规格化端子板,到中控室操作站 只需敷设同轴电缆进行数据传递,所以布线量大大减少,安装工作为常规仪表 的1/3。系统采用专用软件进行调试,调试时间仅为常规仪表的1/20。 (6)良好的性能价格比在性能上集散系统技术先进,功能齐全,可靠性高, 适用于多级递级管理控制。在价格方面,目前在国夕卜80个控制回路的生产过 程采永集散系统的投资,己与采用常规模拟仪表相当。系统规模越大,平均每 个回路的投资费用越低。 2.5 DCS的分层体系 层次化是集散型控制系统的体系特征,使之体现集中操作管理、分散控制 的思想。从生产管理角度出发,ocs大致可以分为过程控制级、生产管理级和经 营管理级。其结构模式见图2.2。下面介绍各级的功能。 武汉理工人学硕」学位论文 盆侧开关控翻 田2 .2集散型拉制系统四层给构模式 l、过程控制级 过程控制级主要是现场控制站、数据采集站和过程管理计算机等,是直接 与生产过程相连接的一级计算机系统,是集散控制系统的基础。过程控制级一 方面与各类现场设备例如变送器、执行器相连,以实现装置的监测与控制;另一 方面还向上与第二层计算机相连,接收上层的管理信息。 2、控制管理级 控制管理级主要有监控计算机、操作站和工程师站等,主要是实施生产过 程的优化控制,根据产品原材料库以及能源的使用情况,以优化准则来协调装 置间的相互关系。另外,通过获取直接控制层的实时数据,进行生产过程的监 视、故障检测和数据存档。 3、生产管理级 生产管理级又称产品管理级。这一级采用管理用计算机,主要是规化产品 的结构和规模。根据用户定货情况、库存情况和能源情况来修订生产计划和改 变产品结构。有了产品重新组织和柔性制造的功能,就可应付由于用户订货变 化所造成的各种损失。此外,工厂生产和产品监视,以及产品报告也都在这一 级实现。 4、经营管理级 这一级管理用计算机叫中央计算机,是工厂自动化系统的最高一层。它管 理的范围除了工程技术方面之外,还应包括经济、商业事务、人事组织以及其 它方面的功能。把这些功能都集中到软件系统中,并与经理部、市场部、计划 一11- 武汉理工大学硕士学位论文 部以及人事部等办公自动化系统相连接,运用优化策略来实现整个制造系统的 最优化。经营管理级的功能是市场用户分析、订货,以及销售统计、销售计划、 产品制造协调、合同事宜、期限监测和财政报告等。 对于某一具体应用的集散系统,并非都有匹层功能体系。中小规模的控制 系统只有一、二层,少数使用到第三级;在大规模的控叙系统中才应用到四层模 式。 2.6 DCS的基本功能 集散型控制系统内含丰富的功能,以下是必备的基本功能。 1.输入数据处理 对模拟量来说,一般要进行采样、增益最佳化、A/D转换、规格化、合理性 检查、零偏校正、热电偶冷端补偿、线性化处理、超限制判断、工程量变换、 数字滤波、温度和压力校正、开方处理及上、下限报警等处理,对脉冲系列进 行瞬时值变换及累积计算。 (l)数据的采样速率按系统不同的需要,:沮态不同的扫描采样频率。流量、 压力、液位、温度与成分的采样频率f的经验数据是1八八Hz,1/101/3Hz, l/8}1/SHz和1/20一1/15Hzo (2)增益最佳化模拟量信号在A/D转换之前要进行前置放大,以使被转换量 落在A/D转换线性范围之内(通常在S既一100%满度范围之内),提高通道的相 对测量精度。因此要选择合适的量程,增益最佳化即能自动挑选最佳增益。 (3)模拟量信号的规格化模拟量信号的规格化是指1}SV的模拟信号经A/D 转换电路变成规格化的数字量。 (4)合理性检查如果A/D变换超出限定对间或接到指令后根本未进行变换, 则"户以D卡故障"置位,而给出不合理标志加果是A/D超量程或欠量程(小 于下限值),则该数将进一步处理,给出读数不合理标志。 (5)零偏校正由温度、电源等环境因素变化引起的放大器的零点漂移,可通 过软件校正。通常是把输入短路时采集的放大器零漂码平均值存入内存,然后 .在当前测量结果中扣出此零漂值。这种方法常用于零漂不超过通道模拟输出动 态范围1/lO的场合。零漂严重时可能使系统发生饱和,因此在零偏校正时常设 定一漂移限值,超过该码,则状态字中"零偏超出故障"置位,并发出报警。 (6)工程量变换当上位机或操作站需显示或打印时,还应将规格化的数据转 换成工程量单位值。 (7)超限判断当参数超限时,一般均需进行报警。通常需要绝对值报警、偏 差报警、速度报警以及累计值报警。 (8)热电偶冷端补偿对于安装在现场多路切换箱中的热电偶,其冷端温度自 武汉理工大学硕士学位论文 动补偿是通过一支专用的冷端检测热电偶进行的。输入处理时先接通一次,测 量工作电势:再短路一次,测量短路电势。这两者相减即可消除外线路影响。 (9)非线性校正对于温度与热电动势mV数值或热电阻。数值间的非线性关 系,可通过折线近似或曲线拟合的方法加以校正。采用曲线拟合法时,多采用 高次方程。 (10)开方处理对于平方特性的数据(例如节流式流量计的差压信号与流量 信号成平方关系)需进行开方处理,才能使信号与流量成线性关系。 (11)热电偶开路检查测点在切入之前,用一小电流流过模拟信号线、多路 切换电路和变换器。假如通过外电路的压降超过正常值,就表明热电偶已经开 路。 (12)数字滤波数字滤波就是为了克服随机干扰引入的误差而进行的数据平 滑处理。常用的数字滤波算法有程序判断法、中位值法、算术平均滤波法、加 权平均滤波法、一阶惯性滤波法和复合滤波法。 (13)温度、压力校正当用孔板测量气体或蒸汽流量时,因测得的差压值偏 离孔板设计时的标准温度、标准压力,计算将有误差,因此需将此值校正到标 准条件下的差压。 2.输出处理 集散系统的输出一般分模拟量输出和开关量输出。模拟量输出时,CPU算出 的数字结果再经D/A转换成4一ZOmA的信号送端子板输出:在输出需限幅信号时 可经限幅处理。在D/A转换之前,数据先与限幅信号作比较,正常时将输出送 D/A,反之将限幅值送D/A,在开关量输出时,由主机电路送出数字信号,先存 输出锁存器,再经驱动电路进行功率放大,去控制现场执行机构。通过组态, 数字输出可有三种不同形式: (1)瞬时输出式信号一消失,触点就断开。 (2)延时输出式信号消失,延时一段时间后触点断开。 (3)锁定输出式触点闭合后,待下次信号来时才断开。 即使是模拟输出信号,也是以数字信号形式给出,再经D/A转换后采形成 的。正确的数据输出后,外部干扰有可能使输出装置得到错误的数据。这种错 误的输出结果有时会造成重大恶果,但措施得力,也是可以补救的。输出装置 与CPU的距离越远,连线就越长:受干扰的机会就越多。输出设备是电位控制型 还是同步锁存型,对干扰的敏感性相差较大。前者有良好的抗"毛刺"能力;而 后者不耐干扰,当锁存线上出现干扰时,就会盲目锁存当前的数据,而不管这 时数据是否有效。输出设备的惯性(响应速度)与干扰的承受能力也有很大关系。 惯性小的输出设备(如通信口、显示设备等)耐受干扰能力就差一些。 武汉理工大学硕士学位论文 不同的输出装置对干扰的耐受能力不同,抗干扰措施也就不同。其措施如 下: (1)各类输出数据锁存器尽可能和CPU安装在同一电路板上,使输线上传送 的都是已锁存好的电位控制信号。有时这一点不一定能做到。例如用串行通信 方式输出到远程显示器,一条线送数据,一条线送脉冲,这时就特别容易受干 扰。 (2)对于重要的输出设备,建立检测通道,CPJ可以通过检测通道来检查输 出的结果是否正确。 (3)软件上重复输出同一数据。只要有可能,其重复周期应尽可能短些。当 外部设备接收到一个被干扰的错误信息后,还来不及作出有效的反应,一个正 确的输出信息又来到,就可以及时防止错误动作的发生。 有关输出芯片的状态在执行输出功能时也一并重复设置。例如8155芯片和 8255芯片常用来扩展输入/输出功能,很多外设均通过它们来获得控制信息。这 类芯片均应编程,以明确各端口的职能。由于干扰的作用,有可能在无形中将芯 片的编程方式改变了。为了确保输出功能正确实现,输出功能模块在执行具体 的数据输出之前,应该先执行芯片的编程指令,在输出有关数据。这样做,也 将对芯片端口重新定义,使输入模块得以正确执行。 对于以D/A转换方式是实现的模拟输出,区本质上仍为数字量,同样可以 通过重复输出的方式来提高模拟输出通道的抗干扰性能。在不影响反应速度的 前提下,在模拟输出端接一适当的RS滤波电路(起到增加惯性的效果),配合重 复输出措施,便能基本上消除模拟输出通道上的干扰毛刺。 3.控制功能 控制部分是集散系统的核心。带微处理器的控制站按所具有回路数的多少, 可分为单回路、双回路和多回路。多回路的控制一般为16,32或64个回路, 最多达到400个回路。控制算法的数目从28种、30种到上百和。随着微机技术 和控制理论的发展,控制算法己达1000种以上,运算功能越来越强。控‘钊方 式从早期只有连续控制功能的状况,己发展到普遍具有逻辑控制、顺序控制和 批量控制的功能。 (l)连续控制 严格来说,计算机控制全部是离散控制,但为区别于顺序控制和逻辑控还 是称它为连续控制。连续就是调节器能随输入信号的不断变化而按一定规则输 出,不间断地修正输出值的大小。 连续控制算法一般有常规PID、微分先行PID、积分分离、选择性控制采样 控制、非线性控制、Smith预估控制和多变量解祸控制等常规及高级控制算法。 武汉理工大学硕士学位论文 此外,还有模糊控制和PID自整定算法等智能控制算法。 除了各种算法之外,连续控制还必须具有一些附加功能才可以完成实际的 过程控制。这些附加功能如下: ①回路手动(LM:LooP MANUAL)对于一个控制回路进行手动操作。 ②手动方式(MAN:MANUAL)由操作站(包括本地操作站)经由通信系统进行手 动操作。 ③自由方式(AUT:AUTO)以本地设定值(LSP)为基准进行运算,实现闭环控制 方式。 ④串级方式((C AS)以另一个控制回路的输出值作为本回路的设定值进行自 动运算,实现串级控制方式。 ⑤计算机方式(C OMP)经由数据通道接受上位计算机的输出数据,作为本回 路的设定值进行自动运算控制方式(SPC);或者直接作为输出值的控制友式 (DDC)o ⑥PV跟踪PV算法必须具有PV跟踪功能,即在手动状态下,使本回路的设 定值不再保持原来的设定值,而跟踪PV值。PV跟踪时,从手动切换到自动偏差 总是零。因此,即使比例带较小,P功输出值也不会产生扰动,实现平滑切换; 切换到自动后,再逐步把设定值调到所要求的值。 ⑦输出值跟踪PID算法在设置PV跟踪的同时,还需要设置输出值跟踪功能, 即在手动状态时,使内存中上次输出单元的数值跟踪手操输出值。这样,再切 换到自动时,由于单元数值与手操输出相等,因而实现无扰动切换。 ⑧予置PID算法在偏差为零时,输出为一不定的常值。构成串级控制时, 次级回路在处于串级断开状态时,把次级回路的设定值(LSP)送到主回路的输出 单元(0P),称为予置。这样,若串级的主回路设置PV跟踪,次级回路设置予置 和PV跟踪,则串级调节回路从任何非串级调节状态值切换到串级时,都是无扰 动切换。 ⑨反算若串级调节主回路PID算法输出插有静态偏置,则算法必须具有反 算功能,即算法块(比如是加法功能块)必须反算出(逆运算)一个平衡无扰的输 入值作为主回路的输出。 (2)逻辑控制 根据输入变量的状态,按逻辑关系进行的控制称为逻辑控制。在集散系统 中,由逻辑块实现逻辑控制功能。逻辑运算包括AN以与)、OR(或)、XOR(异 或)LINK(连接)、OFFDELAY(停止延时)、ON DELAY(进行延时)、FILP一FLOP(触发 器)和PULSE(脉冲)等。逻辑块的输入变量包括数字输入/输出状态、逻辑块状态、 计数器状态、局部故障状态、连续控制SLOP的操作方式和上位机的计数溢出状 武汉理工大学硕士学位论文 态。它可直接用于过程控制进行工艺联锁,也可作为顺序控制中的功能块,进 行条件判断、状态变换等。 (3)顺序控制 顺序控制是根据预定顺序或逻辑,逐步进行各阶信息处理的控制方法。在 J顿序控制中兼有连续控制、逻辑控制和输入/输出监控的功能。 (4)批量控制 批量控制就是利用顺序程序,控制一个间断的生产过程,以得到规定的产 品。例如研制生产一种催化剂溶液,需经投料一加放一定量溶剂一搅拌一加热 控制到一定温度一保温规定时间一过滤排放等操作。每个操作都不是连续的, 但有规定的要求,每步的转移又都必须有一定的条件。这里除了要进行连续常规 的温度流量闭环调节外,还必须执行打开阀门、启动搅拌等开关控制及判断。 因此,要用顺序程序把这些操作按次序连接起来,定义每步操作的具体条件和 要求,直接指挥有关的现场控制设备,以得到满意的产品。因此,批量控制是 顺序控制的一种应用。 4、人一机接口功能 按照现场控制的连接方式,集散系统的人一机接口可分为现场简易接口和 CRT操作站两种。前者直接与现场控制站相连,后者是通过通信网络与现场控制 站相连。简易操作接口使现场工作人员能对系统进行操作、设定和监视。CRT操 作站不是为某个现场控制器所专用,而是几个控制站共享。CRT系统信息集中地 反映在屏幕上,并自动地对信息进行分析、判断和综合。操作站的功能归纳起 来有以下几个方面: ①对全部过程变量进行各种格式的显示,并允许操作人员对过程进行干预, 如参数调整、状态切换和紧急处理等。 ②对过程变量的历史数据进行处理和存储。 ③显示和打印过程报警。 ④编制和调用各种用户画面。 ⑤编制和打印各种报表。 ⑥组态并装载监视、控制和管理软件。 ⑦对通信总线上所连接的设备进行组态,并将组态结果装载到对应设备。 ⑧完成系统的自诊断和故障维修。 5.通信功能 通信功能是集散系统的重要支柱,执行分散控制的各单元以及人一机接口 要靠通信系统连成一体。它是一个高通信速率、低误码率和快速响应的网络, 具有组织灵活、易于扩展和资源共享的特点。 武汉理工大学硕士学位论文 6.自诊断功能 为了提高可靠性,集散控制系统的各装置具有较强的自诊断功能。系统投 运前用离线诊断程序检查各部分工作状态:系统投运中各设备不断执行在线自 诊断程序,一旦发现错误,即切换到备用设备。同时,经过通信网络在CRT上 显示出故障代码,等待及时处理。通常故障代码可以定位到插件板,用户只需 要更换插卡。 7.冗余技术 自诊断可以及时检查出故障,但要使离散系统的运行不受故障的影响,主 要靠冗余应用。冗余有两种方式:工作冗余和后备冗余,俗称"热备用"和"冷 备用"。操作站采用工作冗余的方式。对现场控制器,各冗余方式不同,有的采 用1:1冗余,也有的采用N:1冗余,但均采用无中断自动切换方式。集散系 统特别重视供电系统的可靠性,除了22OV交流供电外,还要有备用电源、不间 断电源UPS,以及各种掉电保护措施。集散系统中,大多数采用两套相同通信网 络的冗余形式。但具体工作情况有所不同,工作冗余和后备冗余的情况都有。 除了硬件冗余外,集散系统还采用了信息冗余技术,就是在发送信息的末 端增加信息位,以提高检错和纠错的能力。 2.7 OSC的通信网络与系统特性 集散型控制系统的通信网络的作用是互联各种通信设备。它完成的是工业 控制,因此与一般的办公室用局部网络有所不同,应具有以下特点: ①具有快速的适时响应能力一般的办公室自动化计算机局部网络响应时间 为2一65,而它要求0.01一0.55。, ②具有极高的可靠性不许连续、准确运行,数据传送误码率为10一‘一10一8 s。系统利用率在99.999%以上。③适应于恶劣环境下工作能抗电源干扰、 雷击干扰、电磁千扰和接地电位差干扰。 ④分层结构为适应集散系统的分层结构,其通信网络也必须具有分层结构, 例如分为现场总线、车间级网络系统和工厂级网络系统等不同层次。集散系统 中参加网络通信的最小单位成为节点。发送信号的源节点对信息进行编码,然 后送到传输介质(通信电缆),最后被接收这一信号的目的节点接收。网终通信 的三要素是:要保证在众多节点之间的数据合理发送;必须将通信系统构成一定 网络;遵循一定的网络结构的通信方式。 2.7.1通信介质 通信介质又称为传输介质或信道,是连接网上站或节点德物理信号通路。 武汉理工大学硕士学位论文 它主要有双绞线,同轴电缆和光纤三种。 1.双绞线 把两根平行导线按一定的节距绞合在一起的信号线称为双绞线。由磁场干 扰引起的感应电流,在处于相邻绞线回路的同一根导线上方向相反,互相抵消, 从而能较好的抑制电磁感应干扰。双绞线频带宽为15kHz或更贫。双绞线的价 格比同轴电缆低的多,通常把多股导线封装在屏蔽护套内构成一根电缆。由于 双绞线具有较大的分布电容,故不宜传送高频信号。 2.同轴电缆 同轴电缆由中心导体、定中心导体的电介质绝缘层、屏蔽导体和外绝缘层 构称。它又分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆两种。它们的传输速率可分别达 到10Mbps和SOMbps,传输距离为几km。同轴电缆的抗干扰能力比双绞线好, 可以传送中频和高频信号。同轴电缆中心导线数少,安装时必须特别小心。若 外层圆筒形导体弯曲或变形。则电缆阻抗容易改变,致使信号衰减。因此,在 使用中对于不同尺寸的同轴电缆,都应按它规定的最小弯曲半径和最大长度进 行连接;连接时都需要用专用接头,以实现阻抗匹配。同轴电缆成本介于双绞线 和光缆之间。 3.光缆 网络信号也可经光缆转换成光信号,在光缆中进行传输。光信号在光纤中 的传输速度大约是电信号在铜导线中传输的2/3,因此光缆传输的延迟就大些。 但光导纤维不受电磁场的影响,适用于特别恶劣的环境;此外,它重量轻,体积 小,安装较为简单。由于光纤造价昂贵,故目前尚未被广泛使用。 2.7.2网络结构 网络结构又称为网络拓扑,是指网络节点的连接方式。通常有星形、环形、 总线型、树形、及组合形等五种网络结构。 1.星形网络 星形的中心为主节点,其它为从节点。网上个从节点的通信必须经过主站。 这种拓扑结构体现了一种集中式通信控制策略,主节点负责全部信息的协调和 传输,一旦发生故障,殃及整个网络,主节点采用冗余结构,使系统投资较大。 2.环形网络 环形网络网上所有节点都通过点对点链路连接,首尾相连,构成环形。工 作站通过节点接口与环相连,数据沿环单项或双向传输。双向传输时有路径问 题。环形网络的突出优点是结构及控制逻辑简单,挂接或摘除节点也比较容易, 系统的初始开发成本及修改费用较低。环形结构的主要问题是可靠性较差,当 节点处理或数据通道出现问题时,会给整个网络带来威胁。这个缺陷虽可通过 武汉理工大学硕士学位论文 增设旁路通道或采用双向环形数据通道等措施加以克服,但增加了形同复杂性。 目前采用较广泛的是环形网络。 3.总线形网络 总线网络所有节点都在总线上。为控制通信,有的设有控制器,采用集中 控制方式。有的把通信控制功能分设在各通信接口中,称为发散控制方式。总 线形通信网络的性能主要取决于总线的带宽、挂县设备的数目以及总线访问规 程。总线形网络结构简单,系统可大可小,扩展方便,易设置备用部件,安装 费用低。当某设备发生故障时,不会威胁整个网络系统,而是降级使用,继续 工作。它也是目前广泛采用的一种网络结构。组合网络结构在较大的集散系统 中,为提高其适用性,常把几个网络结构合理的运用于一个系统发挥各自的优 点。 2.7.3通信控制方式 各个站通过网络传送信息的基本关系是:发送站将信息发送上网络,接收站 从网络上读取信息。为快速而准确的实现这些对网络的存取访问过程,要有合 理的通信控制方式。通信控制方式分为广播式和存储转发式两种,各有特点, 应用都较广泛。 1.广播式 广播式通信方式是指在同一时间内只有一个节点发送信息,其它都在收听。 这种方式在环形和总线形网络中应用较多。 竞争式、通行标记式(令牌传递式) (l)自由竞争式 广播式协议根据发送信息的方式不同,又分为自由和时间分榷式三种。 自由竞争式是各站自己发送信息,遇有冲突时,各站都退回,经随机延时 后重新发送信息。这种方式可靠性比较高,但软件比较复杂,且网络利用率不 高,适用于轻载网络。 (2)通行标记式 通行标记式又称为令牌式,接到令牌的节点方能发送数据,发送完毕后须 将令牌附在信息包的后面,传送给下一个节点。由于令牌式不发生冲突,因此 适时性好。此外,网络重载时自动缓发优先级别较低的信息,使通信效率提高。 但是令牌方式控制比较复杂,网络扩展时须重新配置硬件传输,所以可靠性较 差。 (3)时间分槽式 时间分槽式是把一个规定的时间间隔分成若干时间槽,各在相应的时间槽 内发送信息。每个节点可以占有一个以上的时间槽,但信息的传送严格限制在 一19- 武汉理工大学硕士学位论文 属于该点的时间槽内。一旦时间槽结束,节点必须停止发信,而让位于下一个 节点。 2.存储转发式 存储转发式是首先把源节点进来的信息存储起来,等道本节点的信息发送 完毕,再转发这各信息,依次传送,直至到达目的节点。这种网络允许同时有 多个节点发送、接收信息,不需要通信指挥器。它的突出优点是信息的延时少、 利用率高,常用于环形网络中。在环形网络中,存储转发式在每一个节点_匕发 生,目标节点在收到所需的信息后,在信息上加一个确认码,然后把信息放回 环路,继续传送。当源节点接到确认码后才取消信息。如果收到否认码,则源 节点启动重发逻辑,信号重发。在星形网络中,存储转发式常用询问形式,主 站以此询问从站,由从站给主站发信息,信息响应较慢。 武汉理工大学硕士学位论文 第三章基干OPC技术的开放式DCS系统研究 自从1946年世界上第一台计算机问世以来就开始了计算机在控制领域的应 用;60年代出现了SCC系统和DCC系统,1 975年HONEYWELL公司推出了世界上 第一套DCS。从此,计算机在控制领域的应用进入了快速发展时期,使控制方式 发生了革命性变化,极大地提高了控制系统的技术性能和水平。进入80年代, CIMS计算机集成制造系统,借助计算机硬软件,综合应用现代管理技术、信息 技术、自动化技术、系统工程技术,将企业生产全部过程中有关人、技术、经 营管理三要素及其信息流与物流有机地集成并优化运行,以实现产品高质、低 耗、上市快。 3.IG!MS系统的构建 CIMS计算机集成制造系统,是基于CIM哲理而组成的实际系统。流程工业 的CIMS也被称为CIPS(Computer Integrated Proeess System)计算机集成过程 系统。 流程工业CIPS功能分为三个子系统: (1)生产过程控制子系统:职能是对生产过程数据的自动采集,进行常规和 先进控制。以保证生产的平稳操作和设备的安全性。 (2)管理信息子系统:包括生产调度、生产支持、经营管理、决策规划等。 调度系统是联接生产过程控制子系统和管理信息子系统的结合点。 (3)信息集成支持子系统:主要指计算机网络、数据库、软件开发工具等。 .计算机网络 计算机集成制造系统中计算机网络是重要的组成部分,一般采用 051(opensystem Intereonneetion)开放系统互连参考模型。在非051网络协议 中最流行的是TCP/IP协议,广泛用于远程网络互连,特别是Internet网络。 流程工业CIMS要求把 DCS连入计算机网络,把实时数据送入上位机,把先进控 制系统、优化控制系统的给定数据反送给DCS。管理信息系统和决策支持系统也 要靠网络与企业内各部门联络。对外与上级部门以及有关商务单位的联络也靠 网络系统支持。大型企业的CIMS计算机网络一般应是多个局域网互连的复杂网 络结构。 今数据库 计算机集成制造系统中使用的数据库可能是多个不同类型的数据库, 使用SQL(Struetred Query Language)结构化查询语言实现数据共享。CIMS 一21- 武汉理工大学硕士学位论文 系统中,一般采用关系型分布式数据库。大多数数据库系统配套有网络数据管 理系统和开发工具,支持C/S(Client/Server)或Intranet。除了关系型数据 库之外,流程工业还需要实时数据库,以支持先进控制、模拟优化和MIS系统 所需的信息。实时数据库是流程工业CIMS信息集成的有效工具。CIMS的实施 没有固定的模式,每个企业必须根据实际情况,设计自己的CIMS系统。 3.2新一代OCS控制系统 3.2.1传统DCS系统和现场总线 众所周知、传统的ocs控制系统由各种工作站通过局域网连接而成,工程师 站、操作站、信息管理站完成系统的组态、监视操作和运行管理,现场测控站 完成生产过程信息的采集和控制。DCS的核心思想是分散控制、集中监控,但是 与工业过程打交道的过程测控站仍然还是集中的,现场信号的检测、传输与控 制还是采用4一20mA的模拟信号,而这正是对分散控制、集中监控思想的违背。 至今,模拟仪表和ocs的技术及相关标准已相当成熟,但现场总线(FCS)正在变 革传统的模拟仪表和DCS。现场总线的优点有: (1)一对N结构。一对传输线,N台仪表,双向传输多个信号。这种结构使 得接线简单、工程周期短、安装费用低、维护方便 (2)可靠性高。数字信号传输抗干扰性强、精度高,无须采用抗干扰和提高 精度的措施。 (3)可控状态。操作员在控制室既可以了解现场设备和仪表的工作状态,也 能对其进行参数调整,还可以预测或寻找事故。 (4)互换性。用户可以自由选择不同制造商所提供的性能价格比最优的现场 设备或现场仪表,并将不同品牌的仪表进行互换。 (5)互操作性。用户把不同制造商的各种品牌的仪表集成在一起,进行统一 组态,构成它所需要的控制回路。 (6)综合功能。现场仪表既有检测、变换和补偿功能,也有控制和运算功能。 实现了一表多用。 (7)分散控制。控制站功能分散到现场仪表中,通过现场仪表可构成控制回 路,实现彻底的分散控制。提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。 (8)统一组态。由于现场设备或仪表都引入了功能块的概念,所有制造商都 使用相同的功能块,并统一组态方法。 (9)开放式系统。现场总线为开放式互联网络,所有的技术和标准都是公开 的,所有制造商都必须遵循。这样,用户可以自由集成不同制造商的通信网络, 既可以与同层网络互联,也可以与不同层网络互联,另外,用户可以极其方便 一22- 武汉理工大学硕士学位论文 地共享网络数据库。 现场总线控制系统与DCS控制系统相比具有巨大的优势,但由于用户的 习惯、费用等问题,以及DCS系统本身仍在完善和发展,现场总线取代DCS也 不是一朝一夕的事。所以近一段时间内现场总线与DCS并存。各大DCS厂商纷 纷都在自己的ocs系统融入现场总线技术。比较有代表性的有:FOXBORO公司的 I/A系列,横河电机的CENTUM CS系统,SMAR公司推出的EIC2000等。DCS系 统最基本的功能,主要包括数据采集、监视控制、信息显示、信息存储及报告、 数据计算、事故追忆、事件顺序记录和报警处理等。DCS系统从四十年代出现以 来,已从集中式系统向分布式系统,进而向开放式系统发展。 3.2.2融入现场总线的DCS系统 新一代DCS控制系统具有数据开放、信息共享的特点。而OPC技术己逐渐成为 解决数据交换的标准和规程。 融入现场总线的DCS系统结构如下图3.1所示: 图2.1融入现场总线的DCS系统结构 ICS(Information Conunand station) 武汉理工大学硕士学位论文 ICS(信息指令站),除保留DCS系统的监控功能外,还将监控现场总线仪表装置 的功能块,还有采集、报警/事件(Alarm/event)的功能。 EwS(Engineering work Station)Ews江程师站),除原有工程师站功能外,还 将现场总线通信模件(ACFll)的功能加到工程师站上。 FCS(F 1 e 1 d Control Station)FCS(现场控制站),除原有功能外,还在ICS及 现场总线仪表装置之间起到界面(Interfa。e)作用。 ACFll(Fieldbus Conununieation Modle)A。Fll(现场总线通信模件)有两个作用, 一个是实现现场总线的主功能(Master Function),另一个作用就是在FCS与现 场总线仪表之间起到数据中继作用。 工业PC机 Pc机是将现场总线仪表工程化及现场总线仪表装置进行维修时的工具。 CENTUM CS系统的特点有: (l)系统的扩展性:由于系统原来的4一20MA模拟通信方式与现场总线方式 混合存在,这样与不同的应用相对应,系统可以灵活地加以扩展。 (2) Dcs控制功能与现场总线仪表装置的控制功能相融合。 (3)现场总线仪表装置的控制功能的操作、监视。 (4)预维修性:现场总线仪表装置的故障等异常报警及I/0故障,对状态 信息不仅能够进行实时监视,还可以对序列数据的出现进行趋势诊断,这样可 以达到预防维修。 (5)现场总线工具:用于现场总线的构筑与现场仪表装置管理的工程化工 具,可进行现场总线仪表装置的管理维修工作。 CENTUM Cs之所以能很好地融入现场总线,关键在于开发了ACF1l(现场总 线通信模件)。其主要功能如下: (1)在具有上位机控制功能的FCS与现场总线仪表装置之间进行数据交换的 功能。 (2)具有基于现场总线规格的LAS(Link Aetive Seheduler)链路活动调动器 的 功能及Time Mast。r功能。 (3)现场总线仪表装置的异常监视功能。 (4) FCS控制功能/RIO bus的异常监视功能。 (5)包括现场总线仪表装置的瞬停复归功能。 (6)总线内藏电源。 象CENTUMCS控制系统这样将现场总线技术融入DCS系统中,就会降低 成本,并有良好的技术继承性和先进性。DCS自动化系统最基本的功能,主 武汉理工大学硕士学位论文 要包括数据采集、监视控制、信息显示、信息存储及报告、数据计算、事故追 忆、事件顺序记录和报警处理等。DCS系统从四十年代出现以来,已从集中式系 统向分布式系统,进而向开放式系统发展。近年来,国内外对开放系统的理论 和应用进行了研究和探讨,一般认为开放式系统具有如下基本特点:工作站为 基本单元,冗余配置,严格遵守工业标准,采用商用数据库,硬件可采用多家 的产品,实现网络互联等。
1.7、DCS的定义
统,在一些资料中也称集散控制系统,是相对于集中 式控制系统而言的一种新型计算机控制系统,是在集中式控制系统的基础之上发 展、演变而来的,是继基地式调节器(变送、指示、调节一体化的仪表)、气动、 电动单元组合仪表、直接数字控制DDC系统(Direct Digital Control)以及监督 计算机控制SCC(S uPervisory colrlPuter Control)以后又一新兴的自动化控制系 统。DCS系统基于被控过程本身具有层次性和可分割性的事实,而使用了多台 计算机分担了控制的功能和范围,使处理能力大大提高,并将危险性分散,以其 高度的可靠性、方便的组态软件、丰富的控制算法、开放的联网能力等优点,得 到迅速的发展,成为计算机工业控制系统的主流[l]。
1.8、DCS概念
分散控制系统(Distributed Control System,DCS)是对生产过程进行集中监视、操作 管理和分散控制的一种常用的控制系统,又称集散控制系统[1-3]。它是一个以通讯技术为 纽带,融合了控制与显示技术的计算机控制系统。 2.1.2 DCS 特点 1.可靠性高 DCS 系统采用冗余配置,具有容错功能和自诊断功能,所以能自动调整系统任一环 节出现的问题,保证整个系统正常运作,因此可靠性高。 2.开放性 系统中各台计算机通过通讯网络进行通信,实时、可靠地传输数据。每台计算机组 件都是网络上的一个节点,各部分功能相互独立且易于联接或卸下;此外,软件也是由 各功能独立的模块组合而成,易于修改,因此有利于企业进行系统功能升级。 3.组态灵活 利用 DCS 组态软件的控制,不仅可以实现系统硬件的组态,而且也可以实现系统软 件的组态,即可以依据生产监控需要,利用数据库与 DCS 的接口通讯技术实现对现场的 各种测量值及控制信号进行组合,构成各种监控画面、报警画面、工艺流程图趋势流程 图,显示在 CRT 上,便于用户实现生产管理和优化控制,因此 DCS 的灵活性,可以满 足各种工作需求。 4.易于维护 DCS 系统各级计算机之间独立运行、互不干扰,所以当 DCS 系统的某一环节发生故 障时,可在整个系统正常运行的情况,进行在线维修或更换。 5.协调性高 DCS 的每个工作站都是通信系统网络上的一个节点,各工作站可以通过标准的通信 协议进行相互通讯,实现数据传递和信息共享,此外各级系统相互配合、协调工作,不 3 华南理工大学工程硕士学位论文 仅使 DCS 完成先进的控制功能,而且优化管理,提高企业的资源使用效率。 6.功能丰富 DCS 系统功能丰富,可以执行各种常规运算(如 PID 运算)、Smith 预估等方法对 工艺参数进行调整,可以采用串级、自适应等控制实现生产回路的优化调整与控制,可 以实现在计算机上动态显示实时数据及报警状态、查看历史数据及其趋势图、打印报表、 等功能。 2.1.3 DCS 层次结构及功能 目前,层次化已成为DCS的体系特点,使其充分体现集中操作管理、分散控制的思 想[1-3],典型的DCS体系结构目前通常分为四层结构:过程控制级,集中监控级、生产管 理级、综合管理级。 市场及用户分析订货、销售统计,销售计划,综合管理级 产品生产协调,合同事宜,期限监测等 规划产品结构、规模,产品监视,产品报告, 工厂生产监视生产管理级 设备间协调,过程操作测试,优化过程控制, 自适应回路控制,数据存档,错误检测集中监控级 进行过程数据的采集,数据的检查,进行数字 开环及闭环控制,设备监测、系统测试、诊断,过程控制级 实施安全性、冗余化措施 工业现场设备 图 2- 1 DCS 层次结构及功能图 4 第二章 ABB ADVANT500 DCS AEH 工作站通讯机制及 API 函数解析
1.9、内总线信号端口定义
内总线信号包括上述的 32 位指令中的地址/数据信号 AD[15:0]、功能插槽编 码信号 SC[3:0]、目的/源信号 D_S 和广播所有插槽信号 BC_ALL 外,还有内总 线时钟信号 SCLK、读信号 RD_N、广播信号 BC,地址锁存信号 ALE、每个插槽 对应的地址编码信号 LOCAL_SC[3:0]、3 个电源信号(+5V、+12V、-12V)和 4 个接地信号 GND,总共 37 个信号引脚,如图 4.2 所示。 内 总 线 A/D[15:0] SCLK BC_ALL D_S BC ALE SC[3:0] LOCAL_SC[3:0] +5V +12V -12V RD_N GND[3:0] 图 4.2 内总线接口 Fig.4.2 Inside bus interface 系统控制板卡和功能模拟板卡的内总线连接方式如图 4.3 所示,所有内总线控 制信号及其时序状态都由系统控制板卡负责产生,功能模拟板卡根据内总线的时 序状态被动工作。 SCLK BC_ALL D_S BC ALE RD_N AD[15:0] SC[3:0] LOCAL_SC[3:0] 3个电源信号 4个接地信号 系统控制板卡 SCLK BC_ALL D_S BC ALE RD_N AD[15:0] SC[3:0] LOCAL_SC[3:0] 3个电源信号 4个接地信号 功能模拟板卡 图 4.3 内总线信号连接方式 Fig.4.3 Connection mode of inside bus signal 43
1.10、PCI 总线的信号定义
PCI 应用系统之中,通常分主设备和从设备。主设备是指拥有总线控制权的设备, 被主设备选中以进行通信操作的设备称之为从设备。一个主设备至少需要 49 条信号线, 从设备至少需要 47 条信号线[32]。 本设计的控制板为 PCI 从设备,其总线构成如图 4-2 所示。其涉及到的信号主要包 括 5 个部分:系统信号,地址和数据信号,接口控制信号,错误和反馈信号,仲裁信号。 图 4-2 PCI 总线信号 系统信号包括 CLK 和 RST#信号。CLK 是 PCI 时钟输入信号,在本设计中,其输 入为 33MHZ,RST#信号为复位信号,它使 PCI 的各种寄存器和相关信号复位到初始状 态。 地址和数据信号包括 AD31~AD0、C/BE3~CBE0 和 PAR 信号。AD31~AD0 信号为 地址数据分时复用信号。在FRAME#信号有效时,AD31~AD0上的是地址信息,在IRDY# 和 TRDY#都有效时为数据信息。C/BE3~C/BE0 为总线命令和字节使能复用信号。在地 址传送期间,其上传输的为总线命令。在数据传送期间,其上传送的是字节使能信号, 用来指示 AD31~AD0 上哪些信号有效。PAR 信号包含的是对 AD31~AD0 和 C/BE3~C/BE0 信号的偶校验后的信息。 31 华南理工大学硕士学位论文 接口控制信号包括 FRAME#,IRDY#,TRDY#,STOP,LOCK#,IDSEL,DEVSEL# 信号。FRAME#为帧周期信号,表示一次访问的开始和持续时间。IRDY#为主设备准备 好信号,该信号的有效表明发起本次传输的设备能完成一个数据周期。TRDY#为目标设 备准备好信号,说明目标设备完成传输当前数据的能力。STOP 信号为停止信号,说明 当前的目标要求总线停止数据传输。LOCK#信号锁定信号,当该信号有效时,表示驱动 它的设备所进行操作可能需要多个传输才能完成。IDSEL 信号为初始化设备选择信号, 在参数配置读写传输期间,用作片选信号。DEVSEL#为设备选择信号,当有效驱动时, 说明驱动它的设备已将其地址解码为当前操作的目标,作为输入信号时,说明总线上是 否有设备被选中。 仲裁信号包括 REQ#和 GNT#信号。REQ#为总线占有请求信号,有效时表示驱动 它的设备要求使用总线。GNT#为对单元说明对其总线的操作已被许可。 错误反馈信号包括 PERR#和 SERR#信号。PERR#为奇偶校验错误信号,用于反馈 传送过程中的数据奇偶校验错误。SERR#为系统错误报告信号。该信号的作用是报告包 括地址奇偶校验错误以及其他可能引起的灾难性后果的系统错误。
1.11、内总线指令格式定义
内总线指令格式,即写入 FLASH 中的系统配置文件(setup)中的任一条指令, 用于内总线数据的传输控制,指令的数据宽度为 32 位,每一位数据的定义如表 4.1 所示。 表 4.1 内总线指令格式定义 Table4.1 The format definition of inside bus instuction 位 定义 备注 31-28 SC[3:0](功能插槽编码信号) 0-15 分别与底板 LOCAL_SC[3:0]对应 27 D_S(目的/源) ‘1’表示目的,‘0’表示源 26 I_OVER(指令结束标志) ‘1’表示指令结束 25 TB_OVER(TB 周期结束标志) ‘1’表示 TB 周期结束 24 TZ_OVER(TZ 周期结束标志) ‘1’表示 TZ 周期结束 23 BC_ALL(广播所有插槽信号) ‘1’表示广播 22 I_D(指令/立即数) ‘1’表示立即数,‘0’表示指令 21-16 保留 / 15-0 AD [15:0]地址位/数据位 由 I_D(指令/立即数)决定 42
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