NCS2分布式現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

1、NCS2分布式現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)1 NCS2控制系統(tǒng)概述NCS2控制系統(tǒng)是新一代分布式現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，適用于中、大規(guī)模工業(yè)控制環(huán)境，提供過程控制、邏輯控制和批處理控制功能。NCS2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示：NCS2控制系統(tǒng)具有如下特點： 支持中、大規(guī)模控制系統(tǒng)應(yīng)用，物理連接能力8192點； 支持FF、PROFIBUS DP、 AS-I、 HART等多種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)； 支持控制器冗余、網(wǎng)絡(luò)冗余、I/O模塊冗余、電源冗余等多種冗余方式； 支持設(shè)備管理、診斷與維護(hù)功能； 支持分布式組態(tài)、離線組態(tài)、仿真等多種功能； 支持IEC61131-3編程標(biāo)準(zhǔn)； 開放的數(shù)據(jù)訪問接口，支持OPC標(biāo)準(zhǔn)； 集成先進(jìn)過程控

2、制技術(shù)，提供行業(yè)解決方案。2 NCS2控制系統(tǒng)組成NCS2控制系統(tǒng)是全分布式的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，分人機(jī)接口、控制站、現(xiàn)場設(shè)備三層結(jié)構(gòu)。其中現(xiàn)場設(shè)備包括符合現(xiàn)場總線通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的智能傳感器、變送器、執(zhí)行器和其他儀表等。NCS2控制系統(tǒng)的架構(gòu)如下圖所示：NCS2控制系統(tǒng)由控制站、工作站、現(xiàn)場總線設(shè)備及控制網(wǎng)絡(luò)組成。一個NCS2網(wǎng)絡(luò)中最多有32個NCS2控制站。工作站由工業(yè)控制計算機(jī)構(gòu)成，數(shù)量沒有嚴(yán)格的限制，理論上講不應(yīng)超過（254 32 ） 222臺，但實際應(yīng)用中不可能有這么多，64臺以內(nèi)就應(yīng)該能滿足絕大多數(shù)應(yīng)用的需要。下圖描述了一個基本的NCS2控制系統(tǒng)構(gòu)成，其中包括：1. 多于1個的NCS2控

3、制站。NCS2控制站是一個實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算控制、網(wǎng)絡(luò)通信、設(shè)備診斷和維護(hù)等功能的工業(yè)控制設(shè)備。它由控制器模塊、I/O子系統(tǒng)、電源模塊構(gòu)成，是NCS2控制系統(tǒng)中的核心設(shè)備。2. 多于1個的NCS2工作站。NCS2工作站可以是一臺常規(guī)的工業(yè)控制計算機(jī)，也可以是一臺普通的計算機(jī)。它提供控制應(yīng)用組態(tài)、HMI畫面顯示、歷史數(shù)據(jù)記錄等功能。3. 必要的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備，如交換機(jī)等。4. 控制網(wǎng)絡(luò)。NCS2的控制網(wǎng)絡(luò)采用的是基金會現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)定義的高速以太網(wǎng)（FF HSE），提供具有網(wǎng)絡(luò)冗余功能的100M網(wǎng)絡(luò)連接功能。3 NCS2控制系統(tǒng)硬件NCS2控制系統(tǒng)采用FF HSE現(xiàn)場總線作為控制網(wǎng)絡(luò)，最多可以連

4、接32個NCS2控制站，掛接在HSE網(wǎng)絡(luò)上的NCS2控制站可以實時通信，組成控制回路，提供全分布的控制功能。NCS2控制系統(tǒng)的核心部件是NCS2控制站。NCS2控制站是一個實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、控制、網(wǎng)絡(luò)通信、設(shè)備診斷和維護(hù)等功能的工業(yè)控制設(shè)備。NCS2控制站由控制器模塊、I/O子系統(tǒng)、電源模塊及附屬設(shè)備構(gòu)成，如下圖所示。1. 控制器模塊。在NCS2控制站中，負(fù)責(zé)現(xiàn)場I/O信號的采集、處理、控制和網(wǎng)絡(luò)通信功能的單元稱為NCS2控制器模塊。NCS2控制器模塊采用雙CPU結(jié)構(gòu)，分別使用ARM7和ARM9系列CPU，內(nèi)存16M。雙CPU協(xié)同工作分別負(fù)責(zé)各I/O模塊的管理、識別定位、數(shù)據(jù)輸出，及各種控制算

5、法的執(zhí)行、控制器冗余、通信控制和協(xié)議處理等工作；NCS2控制器模塊可以并發(fā)處理255個控制線程，同時運(yùn)行5000個控制算法功能塊；NCS2控制器模塊支持熱插拔和冗余功能。2. I/O子系統(tǒng)。I/O子系統(tǒng)為控制器模塊提供現(xiàn)場I/O信號接入功能，由種類不同的I/O模塊、I/O端子及I/O背板組成。 I/O背板。I/O背板采用無源串行背板總線技術(shù)，是控制器模塊與各I/O模塊的數(shù)據(jù)交換通道，也為各I/O模塊提供工作電源。I/O背板支持I/O模塊熱插拔。另外，I/O背板提供了不同傳輸速率的總線通信能力，支持高速的開關(guān)量模塊連接，提供1ms的I/O通道更新速率。 I/O模塊。I/O模塊可以連接多種現(xiàn)場物理

6、信號，如420mA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號、開關(guān)量信號、熱電阻信號、熱電偶信號等，也可以輸出控制各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電器開關(guān)等設(shè)備；同時，I/O模塊可以提供總線連接能力，連接FF H1、HART、PROFIBUS DP等多種現(xiàn)場總線。另外，I/O模塊本身具有開路短路檢測、電源故障等自診斷功能，易于現(xiàn)場設(shè)備的維護(hù)和診斷。 I/O端子。I/O端子是現(xiàn)場物理信號的接入連接點，提供8路、16路連接能力，又可分為冗余端子和非冗余端子。3. 電源模塊。NCS2控制站電源模塊采用1+1冗余電源結(jié)構(gòu)，24VDC供電，輸出功率40W。電源模塊具有熱插拔、輸出過流保護(hù)、輸出過壓保護(hù)、面板診斷指示等功能。4. 附屬設(shè)備。NCS2控制

7、站的附屬設(shè)備包括用于遠(yuǎn)程連接的背板延長線、左延長器、右延長器及終端匹配器。NCS2控制站的I/O子系統(tǒng)可以使用背板延長線進(jìn)行延伸，每個控制站的允許最大延長長度為10米。在NCS2控制系統(tǒng)中，可以連接的NCS2控制站數(shù)量是32個。每個NCS2控制站最多可以連接的I/O子系統(tǒng)是4個。每個I/O子系統(tǒng)可以連接8個I/O模塊，通常每個I/O模塊的I/O通道數(shù)量是8。因此，NCS2控制系統(tǒng)的最多I/O連接能力為8192點：NCS2系統(tǒng)規(guī)模 = 32（控制站） X 4（I/O子系統(tǒng)） X 8（I/O模塊） X 8（通道） = 8192另外，當(dāng)I/O模塊提供總線連接能力時，系統(tǒng)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大。目前，NCS2

8、控制站支持的I/O模塊種類有： FF H1現(xiàn)場總線接口模塊 AI模塊, 8-通道, 電壓輸入 AI模塊, 8-通道, 電流輸入 AO模塊，8-通道，電流輸出 DI模塊，8-通道，24VDC輸入 DI模塊，8-通道，250VAC輸入 DO模塊, 8-通道, 24VDC電壓輸出型 DO模塊, 8-通道, 250VAC回路供電型 RTD模塊, 4-通道，熱電阻輸入 TC模塊, 8-通道，熱電偶輸入4 NCS2控制系統(tǒng)軟件NCS2的軟件系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，從軟件的功能及數(shù)據(jù)處理角度看，分?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)、配置管理、監(jiān)控應(yīng)用三類，有以下組成部分：數(shù)據(jù)服務(wù)：實時數(shù)據(jù)庫。實時數(shù)據(jù)庫由多個分布式I/O服務(wù)器軟件組成，

9、I/O服務(wù)器提供標(biāo)準(zhǔn)的OPC DA接口。配置管理：系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫、NCS2資源管理器（NCS2 Explorer）、分布式控制策略組態(tài)軟件。監(jiān)控應(yīng)用：HMI軟件、歷史數(shù)據(jù)管理軟件、設(shè)備管理軟件。另外，安全管理系統(tǒng)、系統(tǒng)信息同步、報警、冗余等功能貫穿上述各個軟件。I/O服務(wù)器（OPC Server）系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫組態(tài)軟件設(shè)備維護(hù)軟件歷史數(shù)據(jù)庫HMI軟件NCS2控制站I/O服務(wù)器（OPC Server）以太網(wǎng)NCS2控制站NCS2控制站HSE 控制網(wǎng)絡(luò)組態(tài)軟件NCS2資源管理器分布式組態(tài)NCS2的軟件系統(tǒng)運(yùn)行與工作站上，并與控制器進(jìn)行通信，以達(dá)到訪問、管理NCS2控制站的目的。軟件結(jié)構(gòu)如下圖所示：

10、控制器控制器實時數(shù)據(jù)庫 安全管理系統(tǒng)I/O服務(wù)器I/O 服務(wù)器設(shè)備管理（AMS）組態(tài)軟件（控制策略組態(tài)等）HMI監(jiān)控程序（監(jiān)控畫面、報表、web等）歷史數(shù)據(jù)管理歷史數(shù)據(jù)庫OPCTCP/IP歷史數(shù)據(jù)客戶工具DCOMOPCFF HSE 控制網(wǎng)絡(luò)資源管理器（系統(tǒng)配置）1. NCS2資源管理器。NCS2資源管理器負(fù)責(zé)管理NCS2系統(tǒng)中的組態(tài)配置信息，負(fù)責(zé)建立組態(tài)控制策略以及將組態(tài)控制策略下載到實際的NCS2控制站中。NCS2資源管理器軟件界面與Windows XP操作系統(tǒng)中資源管理器相仿，使用簡單。2. 組態(tài)軟件。NCS2組態(tài)軟件提供功能塊圖、梯形圖兩種編程語言，符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，其中功能

11、塊圖編程方法與基金會現(xiàn)場總線（FF）功能塊組態(tài)方法兼容。3. 實時數(shù)據(jù)庫及其配置程序。NCS2實時數(shù)據(jù)庫由多個分布式I/O服務(wù)器軟件組成，I/O服務(wù)器提供標(biāo)準(zhǔn)的OPC DA接口；實時數(shù)據(jù)庫配置程序管理現(xiàn)場I/O數(shù)據(jù)的通信。對于現(xiàn)場I/O連接數(shù)量較多時，提供I/O讀寫平衡分配功能，并提供I/O服務(wù)器冗余配置功能。4. 歷史數(shù)據(jù)管理及其配置程序。歷史數(shù)據(jù)配置程序可以完成歷史數(shù)據(jù)項的定義、配置以及歷史數(shù)據(jù)庫管理等工作，可以完成定制歷史數(shù)據(jù)庫中的各種參數(shù)、存儲方式、歸檔間隔、備份方式等功能。歷史數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)包括管理配置工具、記錄程序、歷史數(shù)據(jù)庫以及客戶工具。 管理配置工具從實時數(shù)據(jù)庫處獲得系統(tǒng)數(shù)據(jù)字典

12、信息，主要完成歷史數(shù)據(jù)項的定義、配置以及歷史數(shù)據(jù)庫管理等工作； 記錄程序是一個后臺進(jìn)程，它連接實時數(shù)據(jù)庫，按配置方案進(jìn)行歷史記錄，將數(shù)據(jù)存儲到歷史數(shù)據(jù)庫。在一個規(guī)模較大的NCS2系統(tǒng)中，運(yùn)行不止一個歷史記錄程序，以分擔(dān)系統(tǒng)負(fù)荷。一般情況下，歷史記錄程序應(yīng)與它所連接的I/O服務(wù)器位于同一個物理位置（計算機(jī)），這樣可以減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。 歷史數(shù)據(jù)庫是一個專門記錄歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。在NCS2系統(tǒng)中使用通用（商用）數(shù)據(jù)庫。通用數(shù)據(jù)庫包含當(dāng)前流行的各種（關(guān)系型）數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，如MS SQL Server、Oracle等大中型數(shù)據(jù)庫，以及Access等桌面數(shù)據(jù)庫。5. NCS2安全系統(tǒng)管理工具。NCS2

13、安全系統(tǒng)管理工具可定義組、用戶，可設(shè)置相關(guān)權(quán)限。組、用戶對系統(tǒng)的權(quán)限主要有如下幾大類，每類中有若干分項： 管理類（Admin）：用戶管理、系統(tǒng)升級等。 配置類（Config）：組態(tài)、下載、診斷、校準(zhǔn)等。 操作類（Operator）：HMI瀏覽、歷史數(shù)據(jù)瀏覽等。 瀏覽類（Guest）。6. HMI開發(fā)環(huán)境。HMI軟件大體上分兩部分：開發(fā)環(huán)境和運(yùn)行系統(tǒng)。 開發(fā)環(huán)境以可視化的方式供用戶開發(fā)系統(tǒng)監(jiān)控畫面，生成HMI工程（由一組畫面文件及配置文件組成）； 運(yùn)行系統(tǒng)可以“打開”開發(fā)環(huán)境生成的HMI工程，根據(jù)配置連接實時數(shù)據(jù)，更新畫面，并長期運(yùn)行。對于沒有開發(fā)環(huán)境的操作員站，可以在安裝了開發(fā)環(huán)境的工程師站上

14、開發(fā)HMI工程，并將HMI工程直接“部署”到操作員站。7. 設(shè)備管理配軟件提供現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)測 、設(shè)備位號分配 、設(shè)備校準(zhǔn) 、設(shè)備參數(shù)設(shè)定等功能，同時支持FF 現(xiàn)場總線設(shè)備診斷功能。NCS2系統(tǒng)軟件為模塊式結(jié)構(gòu)，用戶可以選用不同的安裝方式。NCS2控制系統(tǒng)中的工作站可以安裝不同的軟件模塊，根據(jù)安裝軟件模塊的不同， NCS2控制系統(tǒng)中的工作站可以分為：1 工程師站。工程師站是對NCS2系統(tǒng)進(jìn)行硬件配置組態(tài)、控制回路組態(tài)、實時/歷史數(shù)據(jù)庫組態(tài)、系統(tǒng)控制與維護(hù)等工作的NCS2工作站。其上運(yùn)行的軟件主要包括： NCS2資源管理器。 組態(tài)軟件。 實時數(shù)據(jù)庫配置程序。 歷史數(shù)據(jù)配置程序。 NCS2安全系統(tǒng)管理

15、工具。： HMI開發(fā)環(huán)境。2 主工程師站。運(yùn)行系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的工程師站稱為主工程師站，主工程師站在NCS2系統(tǒng)中唯一。而且，在系統(tǒng)配置期間，主工程師站及系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫必須正常運(yùn)行。主工程師站除安裝工程師站的所有軟件外，還需要安裝系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。3 操作員站。操作員站是不具有組態(tài)功能（可能是未安裝組態(tài)類程序，或者不具有相關(guān)權(quán)限），只被動地接受組態(tài)信息（包括HMI畫面等）的NCS2工作站?，F(xiàn)場操作員可以使用操作員站進(jìn)行一切與現(xiàn)場運(yùn)行操作有關(guān)操作，包括了解現(xiàn)場運(yùn)行狀態(tài)、修改運(yùn)行參數(shù)當(dāng)前值、確認(rèn)現(xiàn)場報警信息等。操作員站通常只安裝HMI運(yùn)行版軟件、設(shè)備管理軟件。主工程師站、工程師站、操作員站的關(guān)系如下圖所示：NCS2網(wǎng)絡(luò)（組態(tài)期間）遠(yuǎn)程部署主工程師站系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫工程師站工程師站控制器操作員站操作員站操作員站下載NCS2軟件系統(tǒng)還有一些后臺服務(wù)程序組成，這些后臺程序沒有用戶操作界面，但卻是NCS2軟件系統(tǒng)核心：服務(wù)程序運(yùn)行位置功能說明系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)庫主工程師站及其它工作站存儲系統(tǒng)配置組態(tài)信息，并向其它程序提供訪問接口。當(dāng)更新（或者說下