第3章分散控制系統(tǒng)-LN2000現(xiàn)場(chǎng)站

1、3.1 概述現(xiàn)場(chǎng)站（LN PS)是LN2000系統(tǒng)的主要現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。通過對(duì)其組態(tài)可以完成過程控制功能?，F(xiàn)場(chǎng)站通過各種相互關(guān)聯(lián)的安裝部件，組成一個(gè)就地的柜式結(jié)構(gòu)。通過相應(yīng)的各種控制部件共同完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)過程的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和執(zhí)行多種類型的控制策略?，F(xiàn)場(chǎng)站是一個(gè)容易配置而又獨(dú)立的現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)。它能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)過程控制的需要、功能分區(qū)、物理位置和安全要求等進(jìn)行合理地配置，形成既相對(duì)獨(dú)立，又通過通信網(wǎng)絡(luò)連接成一個(gè)整體的、有很強(qiáng)針對(duì)性的過程控制級(jí)。3.2 現(xiàn)場(chǎng)控制站的結(jié)構(gòu)LN-PS站主要含有三大部分：機(jī)械結(jié)構(gòu)、通信結(jié)構(gòu)、模件結(jié)構(gòu)。3.2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)控制站LN-PS是一柜式的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,機(jī)柜為現(xiàn)場(chǎng)控制站的通信

2、、控制、連接和電源等主要設(shè)備提供必要的保護(hù)和可靠方便的安裝條件。LN2000系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)站的硬件都安裝在標(biāo)準(zhǔn)的控制機(jī)柜中。這些控制機(jī)柜除了有安裝LNPU和IO模塊的過程控制柜外，還有繼電器柜、系統(tǒng)電源分配柜等。一般情況下，這些機(jī)柜的物理尺寸和外觀是相同的，用戶也可以根據(jù)工程需要訂制特殊類型的機(jī)柜。過程控制柜的外形尺寸如圖3-1所示。圖 3-1 過程控制柜的外形尺寸 一個(gè)過程控制柜可以安裝一對(duì)冗余配置的LN-PU、一對(duì)冗余的DC 24V電源、52個(gè)IO模塊或繼電器板，其布置如圖3-2所示。機(jī)柜布置由上而下依次為對(duì)流風(fēng)扇、LN-PU、電源、交換機(jī)、IO模塊。機(jī)柜冷卻方式采用空氣對(duì)流自然冷卻，由機(jī)柜

3、后面門的下部進(jìn)氣，自下而上，最后由對(duì)流風(fēng)扇把氣流從機(jī)柜上部送出。圖 3-2 過程控制柜布置3.2.2 通信結(jié)構(gòu)在每一個(gè)控制機(jī)柜中，都有冗余配置的I/O通信總線。在LN2000系統(tǒng)中用的是CAN現(xiàn)場(chǎng)總線，通過CAN現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)機(jī)柜中主控單元（LN-PU)和智能I/O模塊之間的數(shù)據(jù)傳送。3.2.3 模塊結(jié)構(gòu) 模塊類型：主控單元（LN-PU)、I/O模塊和電源模塊三種類型。通過以上三種類型模塊的合理選配，就能組成滿足多種控制要求的現(xiàn)場(chǎng)站。主控單元（LN-PU)以CPU為核心，在LN2000系統(tǒng)中有兩個(gè)功能，一個(gè)功能是運(yùn)行組態(tài)的控制方案，實(shí)施對(duì)過程的控制策略。另一個(gè)功能是通信，通過以太網(wǎng)卡連接基于交換

4、機(jī)的以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)站間的通信，通過CAN現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)主控單元（LN-PU)和智能I/O模塊之間的數(shù)據(jù)傳送。I/O模塊在主控單元（LN-PU)的控制下，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信息的采集和預(yù)處理，實(shí)施對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制信號(hào)的輸出。I0子模塊根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的多樣性，有多種類型的模塊，以滿足現(xiàn)場(chǎng)各種信息連接的需要。I0子模塊的類型有模擬輸入模塊(AI)、模擬輸出模件(AO)、數(shù)字輸入模塊(DI)和數(shù)字輸出模塊(DO)。電源模塊為柜內(nèi)設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供電源。模塊結(jié)構(gòu)：LN2000 I/O模塊的外貌如圖3-3所示，詳細(xì)說明見表3-1.3-33.3 現(xiàn)場(chǎng)控制站的組成和類型3.3.1 現(xiàn)場(chǎng)站的組成現(xiàn)場(chǎng)站是DCS的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采

5、集、數(shù)據(jù)處理和過程控制功能。系統(tǒng)的性能、可靠性等重要指標(biāo)也都依靠現(xiàn)場(chǎng)站保證?，F(xiàn)場(chǎng)站的硬件主要有主控制器、I/O模塊，電源系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)組成1.主控制器：一般為工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)，其中包括CPU和多種存儲(chǔ)器，用于數(shù)據(jù) 的計(jì)算、處理和存儲(chǔ)。2. I/O模塊：也稱過程通道，是為DCS的各種輸入輸出信號(hào)提供數(shù)據(jù)通道的 專用模塊，是DCS中種類最多、使用量最大的一類模塊。3. 通信網(wǎng)絡(luò)：用于實(shí)現(xiàn)站站通信和站內(nèi)主子通信。4. 電源系統(tǒng)：為站內(nèi)模塊提供工作電源，也可以為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供電源。3.3.2 現(xiàn)場(chǎng)站的類型1. 基本控制單元定義：接收并完成用戶組態(tài)的軟硬件結(jié)構(gòu)。組成：控制器模件+I/O模件 2現(xiàn)場(chǎng)站的類型（按

6、組成結(jié)構(gòu)劃分，按組成形式劃分，按功能劃分，）單個(gè)基本控制單元 單機(jī)型多個(gè)基本控制單元 插卡型3基本控制單元的類型單回路型功能分離型多功能型3.4 現(xiàn)場(chǎng)站的主控單元3.4.1 主控單元的組成原理典型的主控制單元(Main Control Unit，MCU)有兩種形式，插卡型和單機(jī)型。一般情況下，插卡型主控制單元安裝于機(jī)箱中，通過背板總線與IO卡件通信；單機(jī)型主控制單元獨(dú)立安裝于機(jī)柜中，通過串行總線等方式與IO模塊通信。圖3-4所示為LN2000系統(tǒng)主控制單元的外形。（a)插卡型主控單元（b)單機(jī)型主控單元圖3-4 LN2000系統(tǒng)主控制單元的外形主控制單元的組成原理如圖3-5所示，主要由中央處理

7、單元CPU、只讀存儲(chǔ)器ROM、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、固態(tài)存儲(chǔ)器、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口、控制網(wǎng)絡(luò)接口、模件總線、電源電路組成，一些主控制單元具有獨(dú)立的硬件化的主從冗余控制邏輯電路。圖3-5 主控制單元的組成方框圖各組成部分功能如下：1. CPU 控制運(yùn)算的主芯片，是功能模件的處理指揮中心。關(guān)于主控制單元的選擇和評(píng)價(jià)，過去曾經(jīng)有過只看CPU主頻的錯(cuò)誤傾向，例如，認(rèn)為以Pentium為CPU的主控制單元就一定比以Intel 486為CPU的主控制單元好。事實(shí)上，這樣來評(píng)價(jià)和選擇主控制單元是非常片面的。一個(gè)主控制單元是否性能優(yōu)良，主要是看它在控制軟件的配合下，能否長期安全、可靠地在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定的任務(wù)。一個(gè)

8、效率低下的軟件，即使在很高的主頻下，也不可能得到很好的性能。2.只讀存儲(chǔ)器(Read Only Memory，ROM)。主要作為程序存儲(chǔ)器，用來存放IO驅(qū)動(dòng)程序、數(shù)據(jù)采集程序、控制算法程序、時(shí)鐘控制程序、引導(dǎo)程序、系統(tǒng)組態(tài)程序，以及模件、測(cè)試和自診斷程序等支持系統(tǒng)運(yùn)行的固定程序。固化在ROM中的程序保證了系統(tǒng)一旦上電，CPU就能投入正常有序的工作之中。3.隨機(jī)存儲(chǔ)器(Random Access Memory，RAM)。主要作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，用來存放采集的數(shù)據(jù)、設(shè)定值、中間運(yùn)算結(jié)果、最后運(yùn)算結(jié)果、報(bào)警限值、手動(dòng)操作值、整定參數(shù)、控制指令等可在線修改的參數(shù)，為程序運(yùn)行提供存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和計(jì)算中間變量的

9、必要空間。4. NVRAM(帶后備電池的RAM)裝有用戶組態(tài)(用功能模塊設(shè)計(jì)的控制策略)，這種類型的內(nèi)存在掉電的情況下，信息也不會(huì)丟失，這是由于有備用電池的原因，使存貯器不會(huì)失效。 。5.固態(tài)盤(Solid State Disk，SSD)或Flash存儲(chǔ)器。用于保存主控制單元的操作系統(tǒng)等信息。在主控制單元上電啟動(dòng)后將這些文件調(diào)入RAM運(yùn)行。6.監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)(SNet)接口。SNet接口是主控制單元與操作員站、工程師站等控制管理級(jí)設(shè)備通信的網(wǎng)絡(luò)接口。過去各家DCS廠商的系統(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，在20世紀(jì)90年代后期推出的DCS中，

10、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)大都采用了以太網(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)用層上采取合理的保護(hù)措施，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)最大的優(yōu)點(diǎn)是開放、易于集成、成本低。7.控制網(wǎng)絡(luò)(CNet)接口。CNet接口是主控制單元與IO設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的網(wǎng)絡(luò)接口。8.模件總線。功能模件上的總線是該模件所有數(shù)據(jù)、地址、控制等信息的傳輸通道。它將模件上的各個(gè)部分與模件外的相關(guān)部件連接在一起，在CPU的控制和協(xié)調(diào)下使模件構(gòu)成一個(gè)具有設(shè)定功能的有機(jī)整體。9.電源電路。主控制單元的電源輸入一般為24V直流電源，需要將其變換成5V直流或33V直流，供主控制單元上的集成電路芯片使用。10.主

11、從冗余控制邏輯。該部分電路用于控制互為備份的兩臺(tái)主控制單元的切換。由于過程控制對(duì)安全性和可靠性的特殊要求，幾乎所有的DCS，其標(biāo)準(zhǔn)配置都是雙主控制單元冗余運(yùn)行。3.4.2 主控單元的功能主控制單元的主要功能有以下五種：1.從過程通道讀取數(shù)據(jù)信息。依據(jù)數(shù)據(jù)庫組態(tài)內(nèi)容，從IO模塊中讀取AD轉(zhuǎn)換后的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息，存放于共享內(nèi)存中，供主控制單元中其他程序使用。2.數(shù)據(jù)處理及運(yùn)算。對(duì)過程信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的噪聲濾除、補(bǔ)償運(yùn)算、非線性校正、標(biāo)度變換等處理。在控制站內(nèi)實(shí)現(xiàn)回路的計(jì)算及閉環(huán)控制、順序控制等，這些算法一般是一些經(jīng)典的算法，也可采用非標(biāo)準(zhǔn)算法、復(fù)雜算法。3.輸出運(yùn)算結(jié)果至過程通道。依據(jù)數(shù)據(jù)庫組態(tài)內(nèi)容，將

12、運(yùn)算結(jié)果傳遞至過程通道，在過程通道中進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換，輸出驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的數(shù)字直接控制。4.為上層提供顯示信息。通過網(wǎng)絡(luò)傳送實(shí)時(shí)測(cè)量值、控制值、報(bào)警值等到操作員站、工程師站、其他現(xiàn)場(chǎng)控制站及其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)范圍內(nèi)的信息共享。5.接受上層指令。接受上層設(shè)備傳送的控制指令、手動(dòng)操作指令和參數(shù)調(diào)整指令，根據(jù)過程控制的要求進(jìn)行控制運(yùn)算、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行人工控制，以及對(duì)本站進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。3.4.3 LN2000 系統(tǒng)的主控單元LN2000系統(tǒng)中主控制單元為LN-PU，是能接收工程師站下裝的組態(tài)信息，采集IO模塊數(shù)據(jù)，執(zhí)行控制策略，通過IO模塊控制生產(chǎn)過程的計(jì)算機(jī)。1硬件組

13、成LN-PU是過程控制柜內(nèi)的最重要的部件，由下列部分組成：系統(tǒng)母板、CPU主板、電源、外殼及指示燈等。其中CPU主板配置為嵌人式低功耗CPU、64MRAM、32M電子盤、雙100M以太網(wǎng)接口，雙CAN接口卡。CAN的通信速率最高為1Mbits。電源供電為AC 220V、05A，其外觀如圖41(b)所示。2主要功能 LN-PU采用了實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，應(yīng)用軟件為自主開發(fā)的嵌入式控制專用軟件，完成主要任務(wù)如下： (1)接收并執(zhí)行工程師站編譯下裝的控制策略。 (2)接收IO模塊采集的數(shù)據(jù)。 (3)向IO模塊發(fā)送指令數(shù)據(jù)。 (4)接收操作員站的操作指令。 (5)向上位站發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。 (6)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)冗

14、余備份。應(yīng)用軟件及下裝的控制策略保存在電子盤中，在失電的狀態(tài)下不會(huì)丟失組態(tài)數(shù)據(jù)。過程控制站是冗余配置的，通過其內(nèi)置的兩個(gè)互為冗余的以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。第3個(gè)以太網(wǎng)接口用于實(shí)現(xiàn)站間的冗余，處于備用狀態(tài)的LN-PU能夠自動(dòng)跟蹤運(yùn)行的LN-PU，一旦主控狀態(tài)的LN-PU出現(xiàn)故障，備用LN-PU將立即承擔(dān)過程控制任務(wù)，實(shí)現(xiàn)LN-PU間的無擾切換。LN-PU上的兩個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)控制器，采用主從方式與IO智能模塊通信，具有完整的冗余能力，完成對(duì)IO摸塊的管理。3主控單元的接口和工作狀態(tài)PU接口：PU接口如圖3-6所示。 PU有三個(gè)以太網(wǎng)卡，其中兩個(gè)用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)站間的冗余，處于備用

15、狀態(tài)的PU能夠自動(dòng)跟蹤運(yùn)行的PU，一旦主PU出現(xiàn)故障，備用PU將立即承擔(dān)過程控制任務(wù)，實(shí)現(xiàn)PU的無擾切換。PU上還有兩個(gè)CAN網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制器，用于支持現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，具有完整的冗余能力，完成對(duì)I/O模塊的管理。 圖3-6 PU接口圖工作狀態(tài)：在分散控制系統(tǒng)中，過程控制站一般是冗余配置的，每個(gè)過程控制站可能處于下列狀態(tài)：初始狀態(tài)、主控運(yùn)行狀態(tài)、跟蹤狀態(tài)、離線狀態(tài)。處于主控運(yùn)行狀態(tài)的控制站一般稱為主站，處于跟蹤狀態(tài)的控制站稱為備用站，過程控制站面板指示燈和上位站的自診斷軟件都能清楚地顯示該站處于什么運(yùn)行狀態(tài)。初始狀態(tài)：表示LN-PU中沒有控制策略組態(tài)文件。如果LN-PU中沒有下裝組態(tài)文件，上電啟動(dòng)后自

16、動(dòng)進(jìn)入初始狀態(tài)，此時(shí)可以下裝組態(tài)文件。下裝組態(tài)文件后如果檢測(cè)到主控站不存在，則自動(dòng)進(jìn)入主控狀態(tài)，否則進(jìn)人跟蹤狀態(tài)。主控運(yùn)行狀態(tài)。采集IO模塊數(shù)據(jù)，執(zhí)行控制策略，通過IO模塊控制生產(chǎn)過程，向上位站發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并向跟蹤站發(fā)送備份數(shù)據(jù)。跟蹤狀態(tài)。主站運(yùn)行正常時(shí)，后啟動(dòng)的控制站進(jìn)入跟蹤狀態(tài)，從主站復(fù)制控制策略組態(tài)文件到備用站，通過冗余鏈接受主控單元實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。如主控單元出現(xiàn)故障，處于跟蹤狀態(tài)的站將接替主站的工作。離線狀態(tài)。LN-PU沒有上電或發(fā)生故障。 3.4.4 主控單元的性能指標(biāo)目前，各知名的DCS廠家在過程控制算法的功能和使用方法等方面都相差不遠(yuǎn)，但在控制單元結(jié)構(gòu)、軟件性能等方面差別很大。一個(gè)控

17、制單元的能力與執(zhí)行效率一般包括容量和速度兩個(gè)方面的指標(biāo)。在硬件資源(容量和性能)同等的條件下，由于軟件設(shè)計(jì)上的優(yōu)劣，控制單元的能力和運(yùn)行效率會(huì)有很大的差異。容量指標(biāo)包含兩個(gè)方面：IO容量和軟件容量。1IO容量IO容量是指單個(gè)控制單元能夠接人的IO點(diǎn)數(shù)。如常規(guī)的控制單元應(yīng)能在不接擴(kuò)展器的情況下接人500點(diǎn)以上。此外，更為細(xì)致的考核還應(yīng)考慮同時(shí)接人模擬量的能力、同時(shí)接人開關(guān)量的能力或混合接人時(shí)各能接人多少。比如采用某DCS，每臺(tái)主控制單元可掛接的IO模塊數(shù)量最多為125個(gè)，如果每個(gè)模塊為8個(gè)通道，則可知主控制單元的IO容量為125 X 81000(點(diǎn))。如果每個(gè)模塊為16點(diǎn)，則主控制單元的IO容量

18、為2000點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用中要考慮危險(xiǎn)分散的原則和機(jī)柜信號(hào)電纜進(jìn)線空間的限制，進(jìn)行控制單元物理IO點(diǎn)數(shù)配置。 需要指出的是，上面討論的是主控制單元的物理IO點(diǎn)數(shù)。也就是說以一個(gè)物理上的變送器或執(zhí)行器作為一個(gè)點(diǎn)，而沒有將通過運(yùn)算或處理形成的中間量點(diǎn)計(jì)算在內(nèi)。如果將中間量點(diǎn)計(jì)算在內(nèi)，則主控制單元中的總點(diǎn)數(shù)將增加很多，一般可達(dá)到物理點(diǎn)數(shù)的1.52倍。主控制單元中的總點(diǎn)數(shù)被稱為邏輯點(diǎn)數(shù)，一些專門出售控制軟件產(chǎn)品的公司，不僅在軟件中限制了物理IO點(diǎn)數(shù)，也限制了每個(gè)站的邏輯點(diǎn)數(shù)。 2控制算法容量 控制單元的容量的另一方面是軟件容量。所謂軟件容量指的是每個(gè)主控制單元能裝載多少個(gè)控制算法，可以以典型的控制回路(如

19、PID調(diào)節(jié)回路數(shù))或以開關(guān)量控制量作為參考因子分別考慮。 軟件容量受限于主控制單元的兩類IC器件的容量：固態(tài)盤(SSD)的容量，主要用于保存用戶編制的控制算法文件。內(nèi)存容量，用于運(yùn)行程序的存儲(chǔ)器。這兩個(gè)容量中只要任何一個(gè)被突破，主控制單元一般就會(huì)死機(jī)，或者在程序編譯時(shí)系統(tǒng)就會(huì)提醒用戶容量超限制，表明主控制單元的控制算法不能再增加了。 一般情況下，當(dāng)用功能塊圖的方式編制控制算法時(shí)，每頁算法一般能容納2030個(gè)功能塊，每個(gè)主控制單元的控制算法總頁數(shù)一般小于100頁，所以每個(gè)主控制單元最大的功能塊數(shù)一般不超過3000個(gè)。在實(shí)際測(cè)試一個(gè)主控制單元的軟件容量時(shí)，可以將主控制單元配置成物理點(diǎn)數(shù)為500點(diǎn)左

20、右，并選擇一個(gè)中等復(fù)雜程度的功能塊，重復(fù)使用20003000次，如果運(yùn)行正常，則表明主控制單元容量可以滿足將來使用的要求。當(dāng)然，有的軟件可以手動(dòng)或由系統(tǒng)本身自動(dòng)計(jì)算出一個(gè)典型控制算法程序的容量大小，這時(shí)，可以直接對(duì)照主控制單元的上述兩個(gè)物理器件的容量，就可以知道算法的容量是否超過限制了。 3速度 在DCS中，一般不直接討論主控制單元的速度有多快，而是用“控制周期”這一概念來間接描述。主控制單元的控制周期的定義為：主控制單元循環(huán)調(diào)度執(zhí)行一次完整的算法、通信、輸人輸出任務(wù)加空閑等待的時(shí)間。 DCS的主控制單元的控制周期一般可以由用戶設(shè)定，最短的可以做到50ms一個(gè)周期，依次可以設(shè)定為50ms、10

21、0ms、200ms、500ms、1s、2s等擋位?？刂浦芷谥荒芊从持骺刂茊卧某绦蛘{(diào)度周期，一般情況下，即使是主控單元的軟件容量能容納下用戶控制算法組態(tài)，當(dāng)控制周期小到一定的程度時(shí)，主控制單元就可能無法在一個(gè)控制周期內(nèi)執(zhí)行完用戶程序。如果要比較兩種主控制單元的速度，可以用相同復(fù)雜程度的控制算法，然后比較兩個(gè)主控制單元的最小需要的控制周期，就可以相對(duì)地知道兩臺(tái)主控制單元的快慢。4主控制單元的負(fù)荷率 主控制單元的負(fù)荷率也是衡量主控制單元性能的一個(gè)主要指標(biāo)，它的定義與控制周期密切相關(guān)，即同樣需要指出的是，離開具體用戶程序的大小和具體的工況討論負(fù)荷率也是沒有意義的。一般的經(jīng)驗(yàn)值是，只要平穩(wěn)工況條件下主

22、控制單元的負(fù)荷率小于40，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是合理的。負(fù)荷率要衡量的是主控制單元平時(shí)究竟有多大比例的空閑時(shí)間，負(fù)荷率越小，表明空閑時(shí)間占控制周期的比例越大。追求合理的空閑時(shí)間，主要是為了能使系統(tǒng)在故障狀態(tài)下仍能勝任工作。在故障狀態(tài)下，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量急劇上升，系統(tǒng)負(fù)荷最重。通信時(shí)間在控制周期中的比重明顯增大，導(dǎo)致主控制器負(fù)荷率明顯上升。 5控制算法的功能 DCS的主控制單元中一般保存有各種基本的算法，如加、減、乘、除、PID、微分、PID積分、超前滯后、三角函數(shù)、邏輯運(yùn)算、伺服放大、模糊控制及先進(jìn)控制等控制算法程序。這些控制算法有的在IEC 611313標(biāo)準(zhǔn)中已有定義，更大部分是DCS廠商多年行業(yè)經(jīng)驗(yàn)積

23、累下來的專有算法，這些專業(yè)控制算法的豐富程度、專業(yè)程度體現(xiàn)了DCS廠商在該行業(yè)領(lǐng)域的專業(yè)化水平。冗余 I/O能力 分段執(zhí)行能力 3.5 現(xiàn)場(chǎng)站的I/O模塊3.5.1 過程通道的形式目前各廠家DCS的過程通道模件可以歸為兩大類，一類是插板式結(jié)構(gòu)，另一類是模塊式結(jié)構(gòu)。使用插板結(jié)構(gòu)時(shí)，所有插板都插在一個(gè)機(jī)架中，背板采用并行總線方式實(shí)現(xiàn)電源、主控制單元、IO的數(shù)據(jù)連接和電源連接，通過總線背板將這些硬件設(shè)備連接在一起，結(jié)構(gòu)整齊，而且模板的更換十分方便簡(jiǎn)單。另外，插板結(jié)構(gòu)的安裝密度較高，可以容納較多的IO點(diǎn)。其缺點(diǎn)是配置不夠靈活，在IO點(diǎn)的數(shù)量較少時(shí)也要配置一個(gè)完整的機(jī)架，如果IO點(diǎn)數(shù)剛好比一個(gè)機(jī)架的容量

24、多一點(diǎn)，則必須增加一個(gè)擴(kuò)展機(jī)架。近年來，由于DCS的技術(shù)不斷成熟，成本不斷下降，所以許多中小規(guī)模的控制工程中越來越多地采用了DCS。這些系統(tǒng)要求有更靈活的配置，使現(xiàn)場(chǎng)控制站的IO點(diǎn)數(shù)能夠適應(yīng)較大的變化范圍。因此，近年來在DCS產(chǎn)品中模塊結(jié)構(gòu)逐漸多了起來。特別是在計(jì)算機(jī)技術(shù)取得較快的進(jìn)步后，原來不夠靈活的并行總線逐步被串行總線(現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)際上就是一種串行總線)所代替。而串行總線的最大優(yōu)勢(shì)就是可以不用大而笨重的總線背板，只依靠一對(duì)信號(hào)線和一對(duì)電源線就可以將各個(gè)IO模件連接在一起，其連接模塊的數(shù)量可多可少，連接的距離也可以比較長，這些技術(shù)上的進(jìn)步促進(jìn)了模塊結(jié)構(gòu)的發(fā)展。模塊結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)控制站配置很靈活，

25、但安裝密度較低。另外，由于各個(gè)I/O模塊是通過串行總線連接在一起的，所以在維修時(shí)，模塊的拔下和插上必須保證信號(hào)線和電源線一直處于接通狀態(tài)，以避免影響其他模塊的運(yùn)行。 3.5.2 LN2000系統(tǒng)過程通道一般特性 LN2000系統(tǒng)中的過程通道單元稱為LN智能IO模塊，采用51系列單片機(jī)作為CPU，底層軟件固化于片內(nèi)，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，看門狗功能保證系統(tǒng)具有自恢復(fù)能力。通信方式為CAN通信。CAN通信方式為現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的一種，最多可有4臺(tái)上位機(jī)運(yùn)行，CAN總線上最多可掛接60個(gè)智能模塊，通信協(xié)議采用CAN2.0A協(xié)議。智能模塊按照用戶組態(tài)指定的時(shí)間周期定時(shí)與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)。LN智能IO模塊采用了智能化

26、的設(shè)計(jì)，每塊模塊上都具有一塊16位單片機(jī)及相應(yīng)的存儲(chǔ)器。每種類型模塊除具有該類型獨(dú)有功能外，還有如下共有的功能：1. 自診斷。每塊IO模塊都能夠監(jiān)視自身的運(yùn)行狀態(tài)，每一執(zhí)行周期對(duì)該板IO通道進(jìn)行檢測(cè)。若出現(xiàn)故障，能夠通告主控制單元進(jìn)行處理，同時(shí)通過板上的報(bào)警指示提示現(xiàn)場(chǎng)工作人員。2. 信號(hào)的預(yù)處理。智能模塊運(yùn)行的軟件能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行數(shù)字濾波、工程量變換、非線性補(bǔ)償、熱偶信號(hào)的冷端補(bǔ)償?shù)忍幚?，這樣既減輕了PU的任務(wù)負(fù)擔(dān)，又提高了信號(hào)的處理速度。3. 帶電插拔。在系統(tǒng)加電運(yùn)行時(shí)，IO模塊及PU能夠進(jìn)行插拔更換，而不會(huì)對(duì)模塊造成損壞或影響模塊使用壽命，給現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員替換模塊帶來方便。 4. 隔離功能。

27、每塊IO模塊與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)及網(wǎng)絡(luò)在電氣上是隔離的，既保證模塊的安全，又維護(hù)了系統(tǒng)的安全性。5. 模塊地址和通訊速率的設(shè)置模塊地址和通訊速率通過模塊內(nèi)撥碼開關(guān)設(shè)定（模塊的此開關(guān)命名為SW1）。模塊的通訊速率跟通訊距離有關(guān)（CAN通訊的速率和距離的關(guān)系請(qǐng)參照表3-1）。CAN通訊的最高通訊速率可達(dá)1Mbit/s，在一般情況下，我們提供給用戶的通過撥碼開關(guān)設(shè)定的通訊波特率為4檔：20K、100K、250K、500K。 表3-1 CAN通訊的速率和距離的關(guān)系表 撥碼開關(guān)SW1的設(shè)置如下所述： SW1的16位為智能模塊通訊地址設(shè)定開關(guān)，第6位為最高位，第一位為最低位。模塊通訊地址的有效地址為463（03為上位機(jī)通訊地址），用戶使用時(shí)，模塊地址必須在這一范圍內(nèi)設(shè)定。SW1的任何一位開關(guān)撥向“ON”位置該位為“0”即無效；撥向“OFF”位置該位為“1” 即有效，模塊的地址值為6位撥碼開關(guān)所示十進(jìn)制數(shù)之和。例：圖3-7 左邊的撥碼開