第三讲集成系统中的硬件集成new.docx

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第三讲集成系统中的硬件集成new

第三讲集成系统中的硬件集成

硬件集成主要依赖网络、网络设备、传输介质和网络接口，集成系统的硬件性能取决于拓扑结构的选择，取决于设备、传输介质和接口的性能以及他们的匹配和优化。

第一部分车间级硬件集成──生产过程自动控制系统

一、系统功能描述

1.硬件的基本功能

（1）主机（工业控制计算机）功能

主机主要完成的任务是Windows操作系统环境下，通过运行开发出来的控制系统的应用程序，实现下述功能：

1）对整个生产过程进行全面的检测和管理，即通过模拟量输入模块，实现模拟量检测，通过开关量输入模块实现开关量检测，通过计数量输入模块实现计数量输入，响应越限报警。

2）运行数学模型和算法，对生产过程进行合理的控制，即通过开关量输出模块实现开关量的控制，通过模拟量输出模块实现模拟量的调节。

3）记录生产过程中的历史数据。

4）形成当班操作纪录。

5）通过显示和打印图形、报表、文本等方式报告生产过程运行情况。

6）通过声音、显示等手段向操作人员报警，提示生产过程中出现的某些问题，告知解决的方法。

7）通过上层网络进行数据通信，将生产过程中产生的关键数据传送到上一级部门乃至北京有关部门。

（2）外围设备功能

1）模拟量输入计算机通过多个模拟量输入模块对生产现场的温度、压力、流量、液位、成分等各种模拟信号进行监测，将仪表输出的电压信号转换成数字量，传送到计算机，作为对生产过程进行控制的依据。

2）开关量输入计算机通过多个开关量输入模块对生产现场的设备开关、开关型阀位等状态进行监测，作为对设备进行控制的依据。

1）计数量输入计算机通过计数量输入模块接收生产现场的脉冲量参数（如设备转速、物品传动件数等），作为计算的依据。

2）越限报警计算机通过模拟量输入模块判断参数是否越限（如压力、温度等工艺参数超越上限或下限），若越限，这输出报警信号，以便根据报警的不同类别作出不同的反映，及时进行处理，避免事故发生。

3）模拟量输出计算机通过多个模拟量输出模块将计算机计算出的自动阀应调节的量转换成电流信号，驱动执行机构，进行模拟量调节。

4）开关量输出计算机通过多个开关量输出模块实现生产现场的设备的启停控制、阀位的控制（开关型阀门）等开关量的控制。

2.软件开发环境及工具

为了保证应用软件的开发进度，保证应用软件的技术水平和质量，除了为主机配备操作系统、为网络配备网络软件、为外围设备配备驱动程序外，还要购置下述开发环境和开发工具：

●组态软件

●仿真开发工具

●多媒体制作工具

●外围模块驱动程序

具体要求见A、B、C三个方案中的说明。

3.自动控制系统应用软件的功能

自动控制系统应用软件具有下述功能：

1）参数检测程序：

可实现对生产过程工艺参数和设备状态的检测，对模拟量可按选点检测方式和巡回检测方式执行，对开关量可按扫描和选组检测的方式执行，对A/D转换器给出数字量按给定的模型和算法计算出参数的实际数量。

2）报警响应及处理程序：

对越限报警进行类别判断，并作相应处理，对过程中断激活的报警按中断方式执行处理程序，对无危险事故的越限在检测时判断越限，调用越限处理程序。

3）开关量控制程序：

根据总控程序的发出的指令，控制生产现场的开关量。

4）模拟量控制程序：

总控程序根据模型和算法给出调节阀需要调节角度的数字当量，驱动模拟量输出模块，将调节数字量转换成电流信号，调节自动阀的阀位。

5）生产数据数据库管理程序：

收集整理生产数据，形成数据库，记录历史数据，并向操作人员提供对这些数据的查询、检索和统计功能，以便总结管理经验，提高管理水平。

6）值班记录生成程序：

对当班发生的情况予以记录，形成记录档案，以便健全岗位责任。

7）数据通信程序：

实现本系统与上层网络的数据通信，将生产数据传送到基地和北京。

8）人机交互程序：

本程序主要实现人机交互，即提供操作人员进行参数设定、实现输入输出和实现其它对系统干预的手段和方法，给操作人员显示系统运行状况，输出参数和图表。

9）系统主控程序：

该程序是应用程序的核心部分，它根据系统流程控制的模型和算法控制整个生产过程的运行，并通过调用上述8个程序完成各种功能。

5．网络功能

本系统的网络有两层，这两层网络是：

（1）生产过程控制层

这一层网络是过程控制系统内部的过程控制系统局域网络,其作用是实现仪表/执行机构与外围设备和计算机之间的通信。

（2）企业局域网层

这一层网络是整个基地的LANSwitch或FDDI或ATM局域网络,称为企业局域网。

企业局域网可连接InterNet或者通过专线连接远程客户。

这一层网络实现基地个部门之间的通信以及基地与北京有关部门的通信。

二、系统的体系结构和方案选择

A方案：

分布式数据采集及控制

（1）基本原理

这种控制方式通过多通道I/O模块实现数据采集、监测、控制等功能，是一种多站点结构。

站点通过双绞线与主机相连。

这种控制方式是一种基于RS-232/RS-422/RS-485协议的或者是基于CAN（ControllerArearNetwork）总线的支持DeviceNet和CANopen两种开放通信协议数据采集及控制系统。

这种控制方式具有分布处理功能，其处理功能分布在主机和下级站（Station）两级，用TurboC/C++编写的局部检测、控制程序可以下载到模块控制其运行，这种分布处理的好处是既减轻了主机的负担，有保证了下级的自主性，在主机出现了某些问题时下级站仍可工作，避免了全局性失效。

（2）拓扑结构

分布式数据采集及控制系统的拓扑构形如图4所示。

图3-1分布式数据采集及控制系统的拓扑结构

（3）主要特点

模块可放置在设备附近，仪表输出信号连线短，避免了信号衰减，保证了精确度。

5000系列的模块可在-10度到+70度以及+10到30伏范围工作，能适应恶劣环境，因而提高了系统的稳定性。

系统维护故障处理方便：

使用硬件自检及软件诊断监测系统可能出现的问题，同时模块设有看门狗定时器，若系统崩溃，看门狗会自动对系统复位。

5000系列的模块是在4000系列的模块的基础上发展起来的，比4000系列的模块具有更好的性能。

有丰富的支持软件。

支持多种数据交换介质。

（4）A方案硬件主要部件的技术指标

50178通道模拟量输入模块

·通道数：

8路差分

·分辨率：

16位

·输入类型：

mV,V,mA

·输入范围：

±150mV,±500mV,±1V,±5v,±10V,±20mA

·隔离电压：

3000VDC

·故障和过压保护：

可抗±35电压

·采样速率：

10次/秒

·输入阻抗：

2M欧姆

·带宽：

13.1Hz@50Hz,15.72Hz@60Hz

·精度：

±0.1%或更好

·零漂：

±1.5uV/C

·满量程漂移：

±25PPM/C

·共模抑制比@50/60Hz：

>92分贝

·功耗：

1.2W

·模拟信号范围：

±15Vmax

注：

任意两个输入端之间的电压不可超出±15V

50244通道模拟量输出模块

·通道数：

4

·分辨率：

12位

·分辨率：

±0.015%ofFSR

·输出类型：

mA,V

·输出范围：

0～20mA,4～20mA,0～10V

·隔离电压：

3000VDC

·精度：

电流输出±0.1%ofFSR

电压输出±0.2%ofFSR

·零漂：

电压输出30mV/C

电流输出±0.2uA/C

·满量程温度系数：

±25PPM/C

·可编程输出信号变化速率

电流：

0.125～128.0mA/sec

电压：

0.0625～64.0V/sec

·电流负载电阻：

0～500欧姆（源）

·功耗：

<2.5W

·模拟信号范围：

±15Vmax

注：

任意两个输入端之间的电压不可超出±15V

50528通道隔离数字量输入模块

·通道数：

8

·数字量输入电平

逻辑0：

最大+1V

逻辑1：

+3.5V～+30V

·隔离电压：

5000VRMS

·输入阻抗：

2K欧姆/0.5W

·功耗：

0.4W

50606通道继电器输出模块

·通道数：

8个通道，2个A型，2个C型

·触点容量：

交流：

125V@0.6A,250V@0.3A

直流：

30V@2A,110@0.6A

·击穿电压：

500V交流（50/60Hz）

·闭合时间：

3毫秒（典型值）

·断开时间：

1毫秒（典型值）

·总开关时间：

10毫秒

·绝缘阻抗：

大于1000兆欧姆（500v直流）

·功耗：

0.7W

50804通道计数/频率输入模块

·通道数：

4个32位独立的32位计数器

·最大计数值4,294,967,285（32bit）

·输入频率

频率模式：

1000Hz最大

计数模式：

5000Hz最大

·输入电平：

隔离或TTL级电平（可选）

·隔离输入电平：

逻辑0：

最大+1

逻辑1：

+3.5V～+30V

·隔离电压：

500VRMS

·计数模式：

上升沿/下降沿，2线/1线时钟周期。

告警设定，预置。

·循环，可编程数字噪声滤波：

8微秒到65毫秒

·功耗：

2.5W

5000/485分布式数据采集与控制模块

性能

两线制通讯

5000/485系统使用带屏蔽双绞线进行传送和接受数据，双绞线使信号传送更稳定，且能抑制线路噪音。

安装简单，减少布线，连接器，中继器，滤波器的使用，使整个网络的成本大幅度降低。

突波保护

高速瞬态抑制保护使系统免受破坏性高电压及电源突波的破坏。

网络扩展

4510放大已有的信号，使信号可以传输更远的距离。

每个中继器容许增加32个5000单元或扩展网络传输距离1.2公里。

1个RS—485网络最多可达256个5000单元。

RS—232到RS—485转换

RS—232为多数工业计算机系统的标准串口，但众所周知，RS—232传送速率、距离及网络容量有限。

RS—485通讯标准对数据及控制信号使用差分信号传送，克服了上述的不足。

4520隔离转换器，能通过进行RS—232到RS—485信号的转换，把RS—485网络挂接到RS—232系统上，半双工方式下的RS—232软件几乎不用修改。

4520帮助你使用PC硬件构筑工业级、长距离的通讯系统。

智能化RS—485数据流控制

RS—485通讯协议支持半双工通讯方式。

这意味着两根线即可满足传送和接受数据的需要，在4510及4520中有特定的电路判断数据流向并自动转换传输方向而不需要握手信号。

内建RS—232通讯

5000系统最大可提供64个I/O点，并有一个RS—232口，主机PC系统能就近接入5000系统进行监测及控制，并进行故障诊断。

通讯协议

所有5000指令均用可打印的ASCII字符格式，应用程序可用任一种支持ASCII字符串功能高级语言编写，如C,Pascal或Basic。

技术规格

处理器

·CPU:

16位微处理器

·RAM：

32KB

·ROM（Flash）：

128KB

·I/O模块容量：

4

·看门狗：

有

·耗电：

1.0W

·扩展通讯端口：

RS—232×1

隔离

·通讯端隔离：

2500VDC

·电源端隔离：

3000VDC

·I/O模块隔离：

3000VDC

诊断

·状态指示：

电源、CPU、通讯

·自检：

有，一直运行

·软件诊断：

有

通讯

·网络：

RS—485（两线制）

·速度（波特率）：

1200，2400，4800，9600，19.2Kbps，38.4Kbps，57.6Kbps和115.2Kbps

·最大通讯距离：

4000英尺（1.2公里）

·命令格式：

ASCII命令/响应协议

·可靠性校验：

具有通讯校验

·异步数据格式：

1位起始位，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验。

·最大节点数：

最多可在一个RS—485网络上连接256个

·保护：

在RS—485通讯线上抑制其瞬变。

电源供电

·未经调理的电压+10V～+30VDC

·具有电源反相保护

机械特性

·架子：

是有工作台安装的ABS

·插入式螺丝端子：

可用0.5m㎡2.5m㎡,1-#12或2-14至#22AWG

环境要求

·工作温度：

-10˙C至70˙C

·存储温度：

-25˙C至85˙C

·湿度：

5至95%，不凝露

5000/CAN分布式数据采集与控制模块

性能

·多主结构

在CAN网络中，任意2个接点都可以直接交换数据，同普通的主从总线相比，数据不必必须传送到主站，CAN主线可直接交换数据，即使主站发生故障系统其余部分仍可在有限的条件下继续运行。

·事件处理

5000/CAN使用中断方法完成状态改变功能，在状态改变的功能下，一个设备仅当数据改变时可产生数据，这个数据然后广播到网上所有的设备，计算机或控制器在事件发生的同时收到数据，例如，如果某一输入到5000/CAN的数字状态从“Running”状态（ON）改变成“Shutdown”状态（OFF），5000/CAN将自动将这条信息广播到所有接点，包括主机在内，通讯几乎同时发生。

·实时能力

CAN网络通过使用非破坏性的总线仲裁技术来处理多于一个的接点同时访问网络的冲突，从而满足实时性的需求，使用这种方法，不会丢失数据或带宽。

CAN的仲裁机制处理碰撞冲突并且决出一个“优胜者”，给予高优先级马上发送数据，系统反应时间不仅依赖于站数，更依赖于优先级的级别。

·选择所需的开放式通讯协议

5000/CAN提供两种通讯协议，DeviceNET和基于CAL由CIA规定的CANopen,实现开放式的CAN通讯连接，开放的通讯协议允许不同的系统之间的数据交换（例如控制系统，运动控制器和输入/输出模块），DeviceNET或CANopen已固化在5000/CAN的主单元中，您可以选择适合您要求的应用协议。

·万无一失的通讯

5000/CAN系统的一个突出特点是它的高传输可靠性，CAN总线最早用于汽车上的发动机控制，汽车环境的强电磁干扰（如火花塞放电）需要通讯系统的高可靠，CAN总线具有五种通讯校验机制和快速的故障恢复时间，故障发生后，消息在29位时间内恢复，汉明距离为HD=6，没有其它总线具有如此高可靠性。

·预定义的同级通讯（仅CANopen）

CANopen附加的同级通讯能力给用户更大的灵活性，用户可以在任意两个系统之间建立I/O关联，预定义的关系包括AI到AO信号放大，AI到DO的报警输出，DI到DO互赖以及延时

技术规格

处理器

·CPU:

16位微处理器·RAM：

32KB

·输入扫描时间：

DI：

0.33毫秒AI:

0.1秒

·I/O模块容量：

4·ROM（Flash）：

128KB

·看门狗定时器：

有·耗电：

1.2W

隔离

·通讯端隔离：

2500VDC·电源隔离：

3000VDC

诊断

·状态指示：

电源、CPU、通讯·自检：

有·软件诊断：

有

通讯

·CAN：

两个CAN端口用于输入输出

·接线：

带屏蔽双绞线

·总线连接：

CAN2.0a（ISO-11898）

·总线存取：

修正的CSMA/CD

通过消息优先实现总线仲裁

位级的总线仲裁

非破坏性

·数据传输率：

可选

DeviceNET:

125K，250K，和500Kbps

CANopen:

20K，125K，500K，1Mbps

·最大传输距离：

1000m@20Kbps

500m@125Kbps

250m@250Kbps

100m@500Kbps

40m@1Mbps

·最大节点：

64个

·信息帧：

11位标识的8个字节数据

·事件响应时间：

5000kbps时最大1ms（依赖于最大接点数）

·通讯协议：

主从式通讯

遵守DeviceNET2.0或CANopen1.3

数据可靠性

·15位CRC纠错·位填充和总线监视

·通过Ackslot和错误桢机制处理错误

电源要求

·+10～+30VDC·电源反接保护

机械

·插入式螺丝端子·可接受0.5m㎡2.5m㎡,1-#12或2-14至#22AWG

环境要求

·工作温度：

-10˙C至70˙C

·存储温度：

-25˙C至85˙C

·湿度：

5至95%，不凝露

B方案：

采用PLC组成中型集散控制系统的方案

（1）基本原理

可编程控制器（PLC）是60年代由美国通用汽车公司提出并首先开发的新型控制设备。

经过三十多年的发展，PLC的功能已相当完善、用途扩展到所有的工业行业和部门。

目前PLC的技术发展方向仍然是高速度、大容量、系列化、模块化和多品种。

另外由于计算机网络技术的高速发展，由PLC组成控制系统局域网络已十分成熟和方便。

（2）空分控制系统的PLC方案的拓扑结构

采用PLC组成中型集散控制系统的拓扑构形如图5所示。

①硬件系统构成

由于该空分系统的输入/输出点数达到180点以上，属于中型系统，为此，本方案选用欧姆龙公司的C2O0α系列产品。

下面结合制氧机对象，说明控制系统的组成和功能。

本方案控制室内安装一台运行操作员站，一台工程师站。

运行操作员站用于在线实时监控系统的运行，完成自动控制,数据处理,显示,记录,打印等功能；一台工程师站用于系统组态和维护管理。

4台现场I/0控制站,完成数据采集,现场自动控制等功能。

l台PLC作为通信控制器,连接操作员站与现场I/O控制站,其通信速率2.5MBIT/S。

系统的拓扑构形如图5所示。

由图5可知,本方案的优点是功能的分散,也就是危险的进一步分散。

任一台PLC的故障不会影响其它控制器的正常工作。

协调层的PLC用于各现场控制器之间的同步控制。

人机界面及网络的故障不影响控制系统的安全。

②软件体系及功能

操作系统:

WIND0WS95/WINDOWSNT

图形刷新周期<1秒

实时多任务操作监控软件功能：

画面及流程显示（模拟图）

控制与操作

趋势显示

报警管理及显示

报表管理与打印（定时打印、召唤打印）

历史数据显示

事故追忆

事件顺序排序

操作记录

运行状态分组显示

在线组态

操作权限保护

通信软件等等

现场控制层

I/O

I/O

I/O

I/O

CPU

I/O

I/O

I/O

I/O

I/O

CPU

氧压机

制氧工艺

空压机

预冷系统

I/O

I/O

CPU

I/O

I/O

I/O

I/O

I/O

CPU

生产过程

注：

ES---工程师站OS---操作员站

图3-2采用PLC组成集散控制系统示意图

工程师站组态软件：

梯形图编程组态软件包。

数据库组态软件包

控制及算法组态软件包

图形及报表组态软件包

历史数据管理及趋势组态软件包

事故追忆组态软件包

通信系统软件：

网络驱动软件

现场I/O控制站软件：

数据/信号采集软件包

PLC接口软件

编制算法软件包

梯形图算法软件包

通信软件包

故障诊断及冗余切换软件包

性能指标：

平均无故障间隔时间（MTBF）>3--5×105H

可利用率>99.9%

模件损坏率<0.1%

（3）PLC的主要特点

可靠性高，抗干扰能力强

可编程控制器（PLC）是专门为工业控制设计的，除了对器件筛选和老化外，还在硬件和软件方面采用了屏蔽、滤波、隔离、故障诊断和自动恢复等措施。

其平均无故障时间MTBF>3×l05小时。

编程直观、简单：

采用梯形图编程，易学、易用。

适应性好

由于PLC产品标准化、系列化、模块化，所以控制系统组成方便，灵活。

既可单独控制，也可组成复杂群控系统；即可现场控制，也可远距离控制。

功能完善，接口功能强

控制程序可固化在EPROM中

PLC具有AI/AO、DI/DO、算术和逻辑运算、定时、计数、顺控、通信、人机对话、自检、记录和显示等功能。

输入/输出接口的规格可以适应所有现场信号要求。

C方案：

采用DCS的小型集散控制系统的方案

1）基本原理

DCS（DistributedComputerSystem）是分布式计算机系统，除了配备工程师站和操作员站以外，在现场控制层有自动控制模块来控制模拟量输入、开关量输入、计数量输入、越限报警、模拟量输出和开关量输出，一方面减轻了主机的负荷，另一方面避免了全局性失效。

2）采用DCS控制方案的拓扑结构

采用DCS控制方案的系统拓扑结构如图6所示。

图3-3采用DCS的小型集散控制系统方案的拓扑构形

方案说明

方案按单机自动化的方式配置。

为了增加可靠性,其申电源、通讯按冗余处理。

两台操作员站也可互为备用,且其中一台可以通过口令切换为工程师站。

由于对DO的数量及工作性质不了解（如负荷性质等）,因此未酝相应的输出继电器,今后根据需要可予增加。

若用户对整个系统的可靠性有更高要求,可将控制器（ACM）作冗余配置。

整个系统设一台机柜,内部装电源模块及机袈.由于监控点数不多.可在机架下方装继电器,背面安装接线端子。

操作画面、报警画面以及报表打印均采用汉字方式。

3）主要特点

①开放性好

所谓开放就是指不同系统之间的互联能力,也就是其硬件和系统软件均遵循国际标准或目前国际上通用的标准,可以方便地与遵循同样国际标准的商品硬件与软件相联接。

开放的优点是.

便于将性能价格比最好的符合国际标准的硬件或系统软件集成在一起,以合理的价格组成用户所需要的系统;

便于技术上的更新,可以广泛采用第三方产品,可以对老系统进行改造,使系统始终处于先进的水平;

便于取得备品备件,便于维护。

系统的开放性表现在：

采用通用的个人计算机和工作站作为操作员站、调度站或工程师站,

采用标准的外部设备;

采用标准的通讯协议IEEE-802.4或TCP/IP作为控制级或管理级总线的通讯协议;

组态软件4-mation是世界上第一个把DCS与PLC结合在一起的组态软件,是世界上第一个完全符合IEC～ll3l的、获最佳奖的组态软件。

4-mation同时具备下列四种组态语言以满足过程控制的一切需要：

a.动能框图

b.梯形逻辑

c.顺控动能表

d.结构文本语言

采用Windows98/WindowsNT作为人～机界面的软件环境,因而可享受所有Windows的资源,如Excel,Access,ODBC技术等。

可以采用标准的基于以太网的客产机/服务器网络结构。

可以大大提高控制模块（ACM）的工作效率,技术上又可不断跟踪以太网的发展,同时又便于与厂内管理网相连接或与其它开放的DCS相连接。

②可扩展性好

DCS采用模块化的结构,可以从几十个回路的小系统扩展到几万个I/O点的大系统。

而模块、系统软件、组态软件均可不变。

③可靠性好

模块一级可以直接安装在现场,有很强的外界干扰能力。

其特点是：

模块有坚固的密封性好的金属外壳。

机械强度高、抗冲击、防尘、抗电磁、静电干扰;

电路板表面喷涂塑料薄层、防潮、防腐、防尘;

模块的接插件的导电金属部件,表面有30微英寸厚的镀金层且用导电塑料覆盖,防潮、防腐、防尘、酪磨损、导电性好。

这是独有的技术;

低功耗、有金属助散热外罩、散热好、抗高温;

系统具有完善的冗余结构,可实瑕电源、通讯、控制器、I/O模块的冗余；

操作站为多重设置;

所有I/O模块将现场信号与机架（MODULRAC）底板隔离,通道与CPU、电源,及其它通道之间均采取隔离措施。

可防止一个I/O故障扩散到更多通道,隔离等级由加拿大标准协会（CLA）加以验证;

模件用导轨及固定螺丝牢固地固定在机架上,其电气接插部分不承受外力,因而抗震动性好。