第2章分散控制系統(tǒng)-LN2000簡介

1、2.1 概述LN2000系統(tǒng)是山東魯能控制工程公司新近推出的一種新型的分散控制系統(tǒng)（DCS）。它繼承和發(fā)揚(yáng)了當(dāng)今DCS的優(yōu)點(diǎn)：控制功能分散、系統(tǒng)功能分散及顯示、操作、記錄、管理集中的功能，而且更注意借助世界上先進(jìn)的多種技術(shù)如：計算機(jī)技術(shù)、CRT圖形顯示技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、先進(jìn)控制技術(shù)，通過技術(shù)創(chuàng)新，形成了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、控制功能完善的開放的新型分散控制系統(tǒng)，集數(shù)據(jù)采集、過程控制、生產(chǎn)管理于一體，能夠滿足大、中小不同規(guī)模的生產(chǎn)過程的控制和管理需求。2.2 LN2000系統(tǒng)結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)為分散型控制系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了分散控制、集中管理的功能，具有這類系統(tǒng)精度高、可靠性高、模塊化結(jié)構(gòu)、智能化體系的特點(diǎn)。系統(tǒng)

2、整體結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。 圖2-1 LN-2000系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.3 LN2000系統(tǒng)組成2.3.1 LN2000系統(tǒng)的硬件組成站（Station）：在系統(tǒng)中，按照通信系統(tǒng)對通信設(shè)備的定義，通信網(wǎng)絡(luò)中的硬件設(shè)備稱為站。在LN2000系統(tǒng)中，有下列類型的站：過程控制站、操作員站、工程師站、歷史站等。過程控制站（PS）：用于過程控制，實(shí)現(xiàn)物理位置相對分散、控制功能相對分散的主要硬件設(shè)備稱之為過程控制站主控單元（LN-PU)：以高性能微處理器為核心，具有多種過程控制運(yùn)算 和通信功能的智能模塊稱為主控單元（LN-PU)。I/O智能模塊： I/O模塊是主控單元（LN-PU)與現(xiàn)場生產(chǎn)過程之間的橋梁，主控單元

3、（LN-PU) 通過I/O模塊完成過程數(shù)據(jù)采集和實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。在LN2000系統(tǒng)中，I/O模塊是以微處理器為核心的智能模塊，自行完成數(shù)據(jù)檢測與處理。操作員站（OS）：用于現(xiàn)場的過程監(jiān)視、操作、記錄、報警等功能，以通用計算機(jī)為基礎(chǔ)配置專用監(jiān)控軟件的計算機(jī)稱為操作員站。工程師站（ES）：用于工程組態(tài)、系統(tǒng)調(diào)試和維護(hù)等功能。以通用計算機(jī)為基礎(chǔ)配置專用組態(tài)工具軟件的計算機(jī)稱為工程師站。歷史站（HS）：用于負(fù)責(zé)采集和儲存生產(chǎn)過程的歷史數(shù)據(jù)，以供形成運(yùn)行報表和歷史趨勢曲線等功能。以通用計算機(jī)為基礎(chǔ)配置專用工具軟件的計算機(jī)稱為歷史站。2.3.2 LN2000系統(tǒng)的軟件組成 LN2000系統(tǒng)軟件包括控

4、制管理級（含工程師站ES、操作員站OS和歷史站HS）軟件和過程控制級（LN-PU）軟件?？刂乒芾砑墸?系統(tǒng)管理軟件（STARTUP.EXE） SAMA圖控制組態(tài)軟件（SAMA.EXE） 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫組態(tài)軟件（DATABASE.EXE） 圖形組態(tài)軟件（GRAPHIC.EXE） 歷史數(shù)據(jù)庫組態(tài)軟件（HISLIB.EXE） 監(jiān)控軟件（OPTVIEW.EXE） 報警軟件（ALARM.EXE） 自檢軟件（SELFTEST.EXE） 趨勢曲線軟件（TREND.EXE） 報表管理系統(tǒng)（REPORT.EXE） 過程控制級： 實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng) 算法模塊-DCS廠家提供的完成特定功能的子程序 用戶用組態(tài)工具生成的

5、組態(tài)文件2.4 通訊系統(tǒng)用于系統(tǒng)通信，把過程控制站、操作員站、工程師站等硬件設(shè)備連接起來，構(gòu)成完整的分散控制系統(tǒng)，并使分散的過程數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)共享的軟硬件結(jié)構(gòu)稱為通信系統(tǒng)。LN2000 系統(tǒng)應(yīng)用當(dāng)今流行的通信協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)。該通信網(wǎng)絡(luò)具有兩層，如圖2-2所示。上層為高速以太網(wǎng)（S-net)，是操作員站、工程師站及過程控制站間的信息通路。下層為目前在工業(yè)控制領(lǐng)域迅速發(fā)展，且具有廣泛應(yīng)用前途的現(xiàn)場總線網(wǎng)(C-net)，作為LN-PU與I/O模塊間的通訊網(wǎng)絡(luò)。 2.4.1 以太網(wǎng)通訊 系統(tǒng)的上層網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)(Ethernet) 作為站間通訊網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)符合IEEE802

6、.3,通訊協(xié)議采用TCP/IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，通訊速度為100Mbps。Ethernet網(wǎng)絡(luò)采用CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect 即帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問）傳輸控制技術(shù)，在網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)較少，通訊負(fù)荷低時，CSMA/CD的響應(yīng)時間反而比其他傳輸控制技術(shù)更快，因而每個站都有良好的實(shí)時性。 本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型網(wǎng)絡(luò)，每站點(diǎn)通過雙絞線連接到網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，工程師站、操作員站到機(jī)柜的距離較長，與機(jī)柜內(nèi)HUB的連接采用帶屏蔽的五類網(wǎng)線；總線型Ethernet的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)接口簡單，總線擴(kuò)展、站點(diǎn)的擴(kuò)充十分容易，維護(hù)方便。 為保證站間的數(shù)

7、據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕到y(tǒng)Ethernet采用兩個獨(dú)立總線網(wǎng)，各站同時掛在兩個網(wǎng)上，當(dāng)運(yùn)行網(wǎng)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)將自動判斷故障性質(zhì)，并切換到備用網(wǎng)，保持站間通信的暢通。以太網(wǎng)技術(shù)以太網(wǎng)(Ethernet) 是一種計算機(jī)局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)，其標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為總線型。隨著以太網(wǎng)交換技術(shù)的發(fā)展，總線型的以太網(wǎng)逐漸演變成星型結(jié)構(gòu)，即將原來的傳輸介質(zhì)占用方式由共享變成了獨(dú)占。交換式以太網(wǎng)的中央節(jié)點(diǎn)是一個交換機(jī)(Switch Hub),這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化解決了傳輸介質(zhì)資源的占用沖突問題，提高了網(wǎng)絡(luò)速度和使用效率，帶來的問題是網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了中央節(jié)點(diǎn)，降低了可靠性，一般需要使用冗余技術(shù)保證可靠性。 2. LN2000系統(tǒng)中使用

8、的通信技術(shù)為防止通信通道的堵塞，保證通信傳輸?shù)臅惩ê吞岣呔W(wǎng)絡(luò)的通信效率，在Symphony通信系統(tǒng)中，使用了兩種有效的通信技術(shù)，即：例外報告技術(shù)、信息打包技術(shù)。例外報告技術(shù)-減少不必要的信息傳輸。所謂例外報告是指一個數(shù)據(jù)點(diǎn)超出指定的參數(shù)時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)更新。其技術(shù)主要涉及三項(xiàng)基本要素：例外報告死區(qū)用RD表示。功能：用來判定信息是否發(fā)生了顯著變化。 發(fā)生：產(chǎn)生例外報告；沒發(fā)生：不產(chǎn)生例外報告用途：減少不必要的信息傳輸。最小例外報告時間用tmin表示。功能：劃定一個不產(chǎn)生例外報告的時間間隔，在此間隔內(nèi)，即使是信息發(fā) 生了顯著變化，也不產(chǎn)生報告，用途：減少在網(wǎng)絡(luò)中重復(fù)傳遞已明了的信息，以防網(wǎng)絡(luò)阻塞。最大

9、例外報告時間用tmax表示。功能：劃定一個產(chǎn)產(chǎn)生例外報告的時間間隔，在此間隔內(nèi)，即使是信息沒 有發(fā)生顯著變化，也要產(chǎn)生報告，用途：反映慣性較大的信息，使長期不發(fā)生顯著變化的信息也有發(fā)言權(quán)， 以表明自己的狀態(tài)。 高/低報警限(High/Low Alarm Limits) 當(dāng)數(shù)據(jù)在超出或返回到高低報警限時，均應(yīng)及時產(chǎn)生例外報告。注意；報警限、RD、Tmin、Tmax的參數(shù)應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝要求而設(shè)計，并且要考慮到系統(tǒng)的響應(yīng)特性。另外，在每次產(chǎn)生例外報告后，RD會自動整體平移，形成RD的新位置。例外報告技術(shù)示意如圖2-3所示。 圖2-3例外報告技術(shù)示意圖對例外報告的含義可以這樣理解：自上次報告數(shù)據(jù)的時刻

10、開始計時，規(guī)定一個最小例外報告時間Tmin; 一個最大例外報告時間Tmax。在最小例外報告時間內(nèi)，信號的變化不被報告。在達(dá)到最小報告時間的時刻，及其以后的時間內(nèi)，如果信號的值與上次報告的值其變化量超過時，則信號的值報告。如果在Tmax之內(nèi)信號的值，始終未超過時，則僅在Tmax時刻發(fā)出報告，并重新開始計時。任何時刻信號達(dá)到報警值或從報警值回到正常值之時，不受時間限制都要發(fā)出相應(yīng)的報告。但是對報警的報告要劃定死區(qū)，以避免在信號值處于信號報警限附近時，可能出現(xiàn)的反復(fù)報警報告。實(shí)際上，例外報告所描述的是發(fā)生變化的數(shù)據(jù)，并且變化越大、越快，相對來講產(chǎn)出的報告就越多，就相當(dāng)于建立起一個自由活動的監(jiān)視器。哪

11、里的變量變化大就往哪里看，變得快，看的越細(xì)，得到的報告就越多。從采樣的觀點(diǎn)來理解例外報告的產(chǎn)生過程，可以把這種采樣的掃描方式看成是變周期式采樣，并且周期的變化與信號的變化相一致，從而提高了信息的利用效率。減少了不必要的信息傳輸。信息打包技術(shù)-提高信息傳輸效率。所謂打包技術(shù)就是把去同一地址的所有信息壓縮在一起，使用一個標(biāo)題幀把信息發(fā)送出去的專有技術(shù)。信息壓縮又可理解為信息打包。傳輸?shù)男畔⒏袷揭?guī)定為兩幀式。其中第一幀為標(biāo)題幀，第二幀為信息幀，并且兩幀之間有一定的間隔。所謂信息包就是以上所講的兩幀格式所含有的內(nèi)容。在一個信包中，兩幀所描述的內(nèi)容是不相同的。標(biāo)題幀內(nèi)包括：目的地址，各種安全校驗(yàn)措施-傳

12、輸要求。信息幀內(nèi)包括：系統(tǒng)運(yùn)行中需要和產(chǎn)生的各種有關(guān)數(shù)據(jù)，所以這一幀才是信包的核心-傳輸內(nèi)容。3. LN2000 系統(tǒng) IP地址分配LN2000 系統(tǒng)的實(shí)時通信網(wǎng)包括互為冗余的A網(wǎng)和B網(wǎng)，各站點(diǎn)同時掛在 A網(wǎng)和B網(wǎng)上。A網(wǎng)和B網(wǎng)的網(wǎng)段基址的前兩段一樣，第三段B網(wǎng)比A網(wǎng)大1，例如A網(wǎng)網(wǎng)段基址為“202,206，212，”，則B網(wǎng)段的網(wǎng)段基址為“202,206,213.”。A網(wǎng)網(wǎng)段基址在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫組態(tài)軟件中設(shè)置，B網(wǎng)的網(wǎng)段基址自動判斷。以下假設(shè) A 網(wǎng)網(wǎng)段基址為“202,206,212.” B 網(wǎng)網(wǎng)段基址為“202,206,213.”過程控制站IP: 過程控制站最多有49個，各站的IP地址的末位設(shè)

13、置與站號一樣，其冗余站的IP地址的末位為站號加50。過程站的IP地址分配如表2-1所示。上位站IP： 上位站主要指工程師站和操作員站等，各站的IP地址的末位為站號加100，例如1號工程師站和3號操作員站的IP地址分配如表2-2所示。2.4.2 CAN網(wǎng)通訊 LN2000 系統(tǒng)的第二層網(wǎng)絡(luò)為現(xiàn)場總線網(wǎng)CAN （Control Area Network），過程單元（LN-PU 也稱主控制器)與智能I/O子模塊之間的通訊就是通過這層網(wǎng)絡(luò)完成的。一對主控制器和它所管理的智能I/O子模塊的通信速率必須一致。該網(wǎng)的傳輸介質(zhì)用帶膠皮護(hù)套的屏蔽雙絞線。智能I/O模塊通過模塊上的撥碼開關(guān)來決定模塊在CAN網(wǎng)上的

14、地址，編址范圍為1-63。本層網(wǎng)同樣為冗余配置的總線型結(jié)構(gòu)，具有擴(kuò)展容易、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。 本系統(tǒng)采用的現(xiàn)場總線網(wǎng)為CAN（Control Area Network）網(wǎng)，是目前較為成熟且十分流行的現(xiàn)場總線網(wǎng)之一。有如下特點(diǎn)： 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可分成不同優(yōu)先級，以滿足不同的實(shí)時要求。 網(wǎng)絡(luò)通訊距離最遠(yuǎn)為10Km（5Kbps）。 采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀有效字節(jié)數(shù)為8個，這樣傳輸時間短，受干擾概率低， 網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)快。 網(wǎng)絡(luò)有較強(qiáng)的檢錯及糾錯功能，可靠性較高。 通訊介質(zhì)可采用普通雙絞線，線路造價低。模塊地址和通信速率通過模塊內(nèi)的撥碼開關(guān)SW1設(shè)置。SW1有8位撥碼開關(guān)，SW1的1-6位用于設(shè)置模塊地址，SW1的7-

15、8位用于設(shè)置模塊的通信速率。模塊的通信速率和通信距離有關(guān)，CAN通信的速率和距離的關(guān)系見表2-3，CAN通信的最高速率為1Mbit/s，在一般情況下，提供給用戶的通過撥碼開關(guān)設(shè)置的通信速率為4檔：20、40、250、500k,如果這4檔通信速率不能滿足需要，用戶可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際通信距離提出更改要求。SW1的7-8位為智能模塊通信速率設(shè)置開關(guān)，圖2-4所示為撥碼開關(guān)位置與通信速率的對應(yīng)關(guān)系。 表2-3 CAN通信的速率和距離的關(guān)系位速率（位速率（bit/s) 1M500K250K125K100K50K20K10K5K最大總線長度40m130m270m530m620m1.3km3.3km6.7km10km圖2-4 通信速率設(shè)置2.5 LN2000系統(tǒng)信號流程 LN2000系統(tǒng)信號流程如圖2-5所示?，F(xiàn)場各種物理量通過一次測量儀表或變送器轉(zhuǎn)換為電量信號，電量信號使用信號電纜接到DCS控制機(jī)柜的端子單元；經(jīng)專用端子單元電纜接到輸入型過程通道（I/O子模件），輸入型過程通道把模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；數(shù)字量再經(jīng)I/O總線傳至主控制器； 然后主控制器將實(shí)時數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳送到操作員站、工程師站，以供監(jiān)控。（數(shù)據(jù)采集） 然后主控制器按組態(tài)要求進(jìn)行控制運(yùn)算，得出控制輸出值，控制輸出值經(jīng)I/O總線送輸出型過程通道（I/O子模件），輸出型過程通