MACS系统结构及特点.docx

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MACS系统结构及特点

MACS系统综合介绍

1．MACS系统结构及特点

1.1系统结构

Ø全新灵活动的体系结构

可在智能现场仪表设备、控制系统、企业资源管理系统之间的无缝信息流传送。

Ø最新的信息及控制技术

基于Profibus现场总线的设计；采用分布式数据库，基于C/S、B/S的体系结构。

Ø开放系统的典范

OPC集成，符合工业标准、方便互联，基于Inernet技术的远程数据访问与浏览。

Ø以人为本

工程思路直接、易懂，来源于工程实践，符合中国人的工作习惯。

Ø直观方便的用户界面

采用类似微软资源管理器的用户界面。

Ø丰富的联机帮助

包括工程应用指导、系统组态帮助、在线运行帮助等令工程实施迅速快捷，有效缩短工期。

Ø系统采用Profibus-DP总线，可以实现和Profibus-DP总线的变频器、PLC、智能MCC、其他总线控制器连接。

系统系统操作站具备OPC接口，用于和第三方设备进行通讯。

这样的通讯应用案例已经在和利时公司实施的数以百计的项目上成功运行。

和利时公司的强大的研发实力，极强的保障了和即使自定义的非标通讯设备进行通讯。

1.2硬件特点

Ø危险分散措施

过程I/O单元采用的智能化设计方法，将部分控制或采集运算分散到各I/O单元，降低主控单元的负担，提高可靠性。

另一方面，一旦主控制器发生故障，各单元仍能完成基本的输入输出功能。

如控制输出的自动保持功能，回路控制的独立执行等。

Ø故障隔离措施

所有过程输入输出单元都采用可靠的光电隔离技术，使各单元之间和单元与上位机之间的CPU无任何电气联系，从而提高系统的抗干扰能力、可靠性和安全性。

在同一单元的不同通道间及逻辑功能侧和现场信号侧，也提供了全面的隔离措施，可消除由于现场地电位差对系统造成的损坏。

Ø迅速排除故障措施

现场控制站的所有单元上均带有CPU，每单元均可进行周期性自诊断。

诊断主要包括CPU与内存等的自检、开关量输出回读比较、模拟量输入通道的正确性比较判断、模拟量输出通道的正确性比较等。

诊断结果每秒钟都上传到上位机的系统状态图中显示。

Ø各种运行提示

系统中所有单元上均有状态指示灯包括运行灯、故障灯、网络通信灯等。

Ø可带电插拔

一旦发现故障，可带电对故障单元进行更换。

由于采用了特殊保护措施，系统中所有过程I/O单元均可带电拔插，对系统的运行不会产生任何影响。

Ø全面冗余设计

所有设备实时检测，冗余的从设备从工作的主设备备份数据，当检测到主设备故障后，系统在10毫秒内自动切换到从设备，并报警故障的设备，以保证控制的正常工作以及冗余设备的监视。

1.3软件特点

1.3.1控制器编程软件

开发资源管理器由：

1.资源切换、2.工程结构设计、3.程序编辑器、4.库管理器、5.交叉引用表、6.调用树、7.信息窗口七部分组成。

如下图：

1.3.1.1控制编程语言

ConMaker软件具有六种控制编程语言1.结构化文本语言，2.指令表语言，3.顺序流程图，4.梯形图，5.功能块图，6.连续功能块图。

6.自定义

Ø结构化文本语言

由一些关键字和相应操作指令组成，包括：

符号（关键字、运算符、修饰符、操作数）、语句（表达式、控制语句）、函数和函数块等，可按字符行为单位编写控制方案。

Ø指令表语言

为最直接操作的编程的语言，具有丰富的变化，是最基本的计算计编程语言。

Ø顺序流程图

用来连接连续控制/逻辑控制和输入输出监视功能，以描述和控制过程事件顺序操作，适合于需要多个状态控制的事件。

一个SFC是由一系列操作步（step）和转移（transition）组成，每个操作步包含一组影响过程的动作（action）。

支持并发序列和各种限定符，每个动作的实现可以由四种语言内任一种编写。

Ø梯形图

一种专门用于基本逻辑控制的连续执行语言。

由一些触点（常开、常闭、正传感、负传感、反转）、线圈（输出、单稳态、锁定、解锁、跳转）、连线及定时器、计数器、步序器组成。

它擅长于快速执行离散逻辑，包括马达控制、连锁、随意检查、以及简单的顺序控制。

Ø功能块图

是用图形形式功能块语言编制的用于完成一定运算或控制功能的程序。

由基本功能块、连线、输入输出端子及段组成，它以图形方式表示，并规定了所有功能模块的调用顺序和相应模块运算所需的参数。

Ø连续功能块图

1.3.1.2丰富的控制算法库

Ø算术运算函数

Ø紧急事件函数

Ø连续控制函数

Ø类型转换函数

Ø文件操作函数

Ø定时器、计数器、触发器函数等等

1.3.1.3离线仿真、在线下装

Ø支持算法离线仿真调试，有效提高工程效率，减少错误率

脱离控制器运行

可设置断点、监视变量

单步执行、单循环执行

跳入执行、调出执行

查看调用栈、显示流控制

强制输出

Ø支持所有数据的在线无扰下装

通过有效的判断机制，在不干扰系统运行的前提下，将所有工程文件（可包括源程序）全部下载到控制器。

Ø数据回读

可从控制器中读取当前工程的全部数据，包括所有参数。

1.3.1.4详细的联机帮助

系统提供丰富的联机帮助功能，如输入变量提示、输入函数提示等。

1.3.2HMI人机交互软件

1.3.2.1显示功能：

Ø显示格式：

可按照包括日期、时间、报警、通信、区域、显示划分、信号数字、用途名称等格式显示。

Ø监视和操作显示：

可完成包括数字显示、编组显示、详细显示、流程图画面显示、报警显示、趋势显示、操作指导显示等。

Ø系统定义及维护功能：

可按编组显示回路、趋势显示和趋势数据，可完成每个回路数据库生成和更新、画面显示和报表格式生成和更新，具有被选装置详细情况指示和自诊断功能、锁住/解锁功能。

在装置在线运行中可随时修改组态，增加和减少回路，并在线下装而不影响生产。

Ø通过CRT和键盘进行各种常规的操作和状态的监视。

CRT画面更新时间不大于1秒，画面上的数据刷新时间可由组态时定义。

MACS系统的操作站可支持以下几类画面，标准画面在屏幕上可动态缩放，所以画面细节较固定画面丰富；但出于人的辨识能力限制，每幅画面动态点不宜超过150个。

画面的最大数量理论上只与外存容量有关，画面之间的切换一般采用定义功能键及屏幕菜单方式进行。

Ø流程图画面：

流程图画面可按用户习惯的流程图的形式显示过程信息，操作时自动弹出操作窗口，可对任意控制回路进行操作。

系统可配ISA5．5符号库，用户可指定符号的颜色和背景颜色，可定义画面符号在不同的工况，显示不同的颜色，以及不同的工作状态变色和闪烁等。

系统支持动态符号，流程图画面的建立方法与Windows中的画板方法相似；考虑人眼的适应能力和长期监视的疲劳情况，画面中动态点更新速率一般设为0.5～1秒。

Ø控制分组画面：

可以按类似常规调节表和指示表的形式显示回路和测量指示点的信息，如变量值、设定值、输出值、控制方式（MAN／AUTO／CASC）和高低报警（无报警时不出现）等。

变量值每秒更新一次。

分组可任意进行，并且可以重叠。

每一变量至少有10个字符的位号名和16个中文字的说明。

操作员可从分组画面调出任意变量（模拟或数字）的信息。

对模拟回路，可以对设定值、输出值、控制方式等进行操作。

对数字回路，可对两状态设备发出开启／关闭命令，或组启动／组停止，顺序启动／停止，显示出任一指定控制点的全部信息，如变量值、设定值、输出值、操作方式和历史趋势。

工程师可整定参数、报警值、算法类型等。

从分组画面可以对模拟回路和数字回路进行操作。

1.3.2.2趋势曲线画面

操作站可用不同的颜色和时间间隔在同一画面上显示四个以上的变量，变量可任意选择组合，并有放大和卷动功能。

趋势画面包括有一个移动光标线和数据区，显示各趋势曲线与光标线相交处的数字值。

趋势数据的时标可缩放、相邻采样最短时间可达1秒，记录种类可选，（最大值、最小值、平均值等），趋势记录是连续的，最长记录时间只取决于外存空间。

1.3.2.3报警汇总画面

报警汇总画面包括全部的报警点，可按时间顺序列出最近的500个报警，包括工位号，报警内容，开始和恢复正常的日期和时间。

未经确认的报警点则处于闪烁状态。

操作站具备窗口功能，上述画面可以按用户要求组合。

系统的人机接口完全支持中文显示，并提供丰富的画面帮助。

1.3.2.4报警功能

报警分为系统部件故障报警和工艺过程报警（绝对值报警、偏差报警、变化速度报警）两类。

无论当时屏幕上是何种画面，系统对任一报警都可以音响（音调可选）和突出显示（闪烁、颜色改变、在屏幕某一特定区域显示出报警区域编号等）方式通知操作员，并且只要击一次键即可调出有关画面。

系统可按时间顺序用加重、划底线等方式打印每一报警，返回正常后恢复常规打印。

操作站或打印机上的所有报警都可带有工位号、故障描述、日期和时间标记。

MACS系统对每一模拟量都可设置及检查高高限、高限、低限、低低限、变化率高限、设定偏差（死区可调）等报警的方法。

报警可以由操作员分别抑制，或者由工程师按工艺分区抑制。

MACS系统各部分的时钟定时自动校时，故两报警的时间分辨率，以及打印机的标记时间的分辨率可达1秒，SOE记录达1毫秒。

报警有不同的级别，所有操作员站均能接收显示报警信号，产生的全部报警集中在同一幅CRT上显示，报警没有被确认时，保持闪光，各种报警均可实时打印，报警形式有：

Ø实际值和偏差值报警

Ø给定值限值报警

Ø系统自诊断报警

Ø变送器超限报警

Ø输出限幅报警

Ø电源故障报警

1.3.2.5报表功能

MACS系统支持类似EXCEL格式的中文报表打印，用报表组态软件即可建立和修改报表，并可以对报表的各个字段进行组态。

报表可指定任一台打印机完成打印。

系统能生成以下报表：

Ø即时报表：

由指定数字信号触发或操作员启动，打印数据库所有变量的当前值。

Ø定期报表：

在每小时、每班、每天、每月结束时打印出某些指定点（包括计算变量）的数值。

变量’数值类型分为采样值、平均值和累计值。

报表可设有报表标题、列标题、变量代号、变量说明、工程单位等信息。

小时报表在每小时结束时可自动打印。

班报表（8小时）在每班操作结束时可自动打印。

日报表（24小时）可在每天上午8：

00启动打印。

系统可保存当前操作班和上一班的所有小时报表，而班报表和日报表则保存一个日历月。

前一期报表可随时请求打印出来，操作员可指定报表格式请求打印当前数据。

Ø报警汇总报表：

可打印出系统报警和过程报警。

Ø操作记录报表：

操作记录报表经请求可打印出最近一周的操作记录，包括操作站编号、操作员编号、操作开始和结束的日期时间，以及操作项目（事件记录）。

Ø系统维护报表：

系统维护报表经请求可列出全部系统报警的诊断结果，并标有故障日期及时间和返回正常的日期及时间。

1.3.2.6操作安全

系统的工程师站、操作员站等均有身份密码识别和权限识别。

未通过识别的人无法改变系统组态；也可以令未通过识别的人无法对系统进行任何操作（停电除外）。

系统设计有操作员记名和口令询问措施，可将其操作开始和结束时间、操作动作记录下来存档。

系统可防止切换操作对过程的冲击，例如无扰动地进行控制方式（MAN/AUTO／CASC）切换，冗余控制器之间的自动切换等。

系统可设置设定点检查和PV／OP值5％—95％边界检查。

1.3.3系统MTBF和MTTR数据及计算方法

所提供系统的平均无故障时间MTBF和平均修理时间MTTR应按供方最新统计数据进行计算。

MTBF、MTTR数据：

MTBF>10万小时MTTR<5分钟可利用率>99.9%

MTBF的计算方法：

串联系统

MTBFc=

=

其中

为各串连器件的失效率。

MACS系统所采用的元器件失效率一般在小于10

，根据此公式可得出HS模板的MTBF（HS）一般在30年左右。

并联系统

两个单元并联的情况：

MTBF=

+

若

则可简化为：

MTBF=

如果以2块HS模板组成并联系统,则MTBF：

MTBF2=

×MTBF（HS）=1.5×30=45（年）

其中MTBF（HS）的计算依据串联公式，其中失效率为组成HS模板的单元器件的失效率，由此可见，两个单元并联时，可将MTBF提高1/2。

因此，一般情况下为提高系统可靠性，采用两个单元并联比较合适。

1.4MACS系统接地要求

1.4.1MACS系统接地原则

一个系统只允许一点接地，一般与电气接地网共地。

严格区分不同性质的地，做到不混接。

不同性质的地用分干线接入各自的汇流板（或者直接接入总的汇流板），各汇流板用总干线接入公共接地极（网），在最终处汇入一点接地。

1.4.2MACS系统接地方法

1.4.2.1集中布置的DCS设备接地方法

1.4.2.2分散布置的DCS设备接地方法

分散布置MACS系统设备之间的连接一般是网络（通讯）线，例如：

现场控制站分散到现场，而操作员站位于不同的控制室，分散直径在500米的范围内，各站点间使用多模光纤或5类双绞线或DP屏蔽双绞线连接。

使用光纤连接的站点：

各站点内的接地方法同集中布置的DCS设备。

使用5类双绞线或DP屏蔽双绞线连接的站点：

各机柜间使用等位线连接，如扁铁、度锌钢管、8平方毫米及以上的铜芯线。

此等位线实际上是电气地的等位线。

5类双绞线或DP屏蔽双绞线两头通过网络浪涌保护设备（信号避雷器、通流量不小于5KA）与DCS的SWITCH、HUB、REPEAT、或其他网络设备相连。

5类双绞线或DP屏蔽双绞线必须穿镀锌钢管或金属桥架敷设，钢管或桥架必须可靠接地。

当雷击，或者电气事故造成两边地电位差过大时，信号避雷器可以保护两边的设备。

1.4.3对公共接地极（网）的要求

当厂区电气接地网对地分布电阻≤4Ω时，可将厂区电气接地网当着DCS系统的公共接地极（网）。

当厂区电气接地网接地电阻较大或杂乱时，应独立设置接地系统，即为DCS系统的公共接地极（网）。

没有本安地接入的公共接地极（网）的对地分布电阻小于4欧姆；有本安地的小于1欧姆。

接地极周围10米内无避雷地的接入点，无电焊地接入点，5米内无30KW以上的高低压用电设备外壳的接入点。

当现场无法满足该条件时，防雷保护地通过避雷器/冲击波抑制器与公共接地极的主干线相连。

电焊地切勿与公共接地极及其接地网搭接在一起。

1.4.4接地连线要求

接地汇流排必须使用绝缘材料固定于地面，不得触及其它导电介质。

接地装置的室外部分须电焊连接，并涂上保护漆。

单机接地线的截面积要求大于4平方毫米，总接地线的截面积应大于8平方毫米。

接地线须使用带绝缘皮的导线。

2MACS系统主要技术性能

在本节里，主要描述现场操作员站的配置情况，包括现场操作员站、操作台、打印机、打印台的性能以及配置指标。

描述系统网络（SNET）的组成、性能指标。

描述控制机柜的结构及配置。

描述主控单元的结构、性能、参数。

描述系统电源的配置及指标。

描述本系统所涉及的I/O模块的性能参数以及配置。

描述控制网络（CNET）的技术参数结构。

描述系统通讯接口的硬件配置。

2.1MACS系统总体性能指标

制造厂家

杭州和利时自动化有限公司

系统型号

MACS

控制器

控制器型号

FM801

控制器CPU

Intel486DX4

控制器主频（MHz）

100M（直接表面贴，抗振）

控制器内存（M）

32MDRAM,8MFALSH,1MSRAM

控制能力（CM+SCM+IOM功能码总数）

程序总和不大于8M

每台控制器可挂I/O点数

2000

控制器实际负荷率

不超过40%

系统响应周期（ms）

5ms

模块是否可带电拔插

是

工作环境温度（0C）

0~450C

工作环境湿度（%）

5~95%、无结露

通讯网络类型

上层100M以太网，下层Profibus-DP现场总线

可实现的控制功能（调节、逻辑、顺序等）

全部

是否支持在线修改

是

I/O模件

模块防护等级

IP40

AI测量精度（bit）

0.1%＠250C

AI通道间是否隔离

是

AO输出精度（bit）

0.2%＠250C

AO通道间是否隔离

是

AI、AO是否需外设信号隔离器

不需要

DI输入电压（V）

24VDC/48VDC/110VAC/220VAC

DO输出电压（V）

220VAC

DO带负载能力（A）

5A＠250VAC

DI、DO是否需外设中继隔离

不需要专门的中继柜

软件

系统软件类型

WindowsXPSP2简体中文版

数据库类型

SQL

所提供软件及作用

实时监视和控制

控制编程软件是否是视窗软件

是

软件编程方式（图形组态）

ST，IL，SFC，LD，FBD，CFC

是否嵌入了office应用功能

是

软件是否汉化

中文环境及界面，无需汉化

网络

工厂层网络类型及带宽

10M/100M自适应以太网

控制层网络类型及带宽

9.6K~12M

控制器支持的通讯协议类型

ProfibusDP/PA、FF、CAN等

是否有网络监测功能

有

网络连接物理介质

双绞线/光纤

每段网络传输长度（km）

2km

是否支持第三方数据存取（OPC）

是

是否支持带远程控制站的能力

是

远程站与主站间的通讯距离（km）

大于2km

远程站与主站间的通讯方式及速率

500Kbps

远程站与主站间的通讯介质

双绞线/光纤

冗余功能（投标系统）

控制器是否冗余

是

网络是否冗余

是

服务器是否冗余

是

通讯总线是否冗余

是

电源是否冗余

是

介面

用户自定义的动态工艺流程图数

工艺流程图数量无限制

每个画面能显示的动态点数

≥5000

历史趋势曲线总数

＞320

画面刷新周期（ms）

＜=0.5秒

是支持3D或ActiveX控件功能

是

报表

报表格式

Excel格式；RTF（丰富文本格式）；TXT（普通ASCII文本）；DBF（数据库文件）等

是否支持Excel格式

是

能保存的历史数据容量

依硬盘容量大小

报表功能（日报、月报、年报、自动打印功能）

全部具备，使用EXCEL且能在操作员站上灵活组态

安全性

可设定多少安全等级

8级权限与区域分配的安全策略

是否提供专用工业键盘

是

机柜

机柜内是否是分色配线

是

机柜内采用何种接线端子

魏德米勒端子

防护等级

IP21/IP54

其他特点

DCS与企业管理计算机系统的联接及应用

DCS系统提供OPC接口可无缝连接企业管理系统

DCS与QCX的联接是否需要专用的硬件接口和软件

不需要

培训计划

专职讲师

工程服务计划

24小时响应，4008810808电话

设备供货周期

60个工作日

备品备件供货周期

24个小时

2.2I/O站总体性能指标

Ø数据精确度

模拟量输入精度

≤0.1%

模拟量输出精度

≤0.2%

时钟差

现场控制站间误差

≤0.1秒

操作员站间误差

≤0.1秒

记录精度

模拟量时间戳精确到秒，开关量时间戳精确到毫秒。

SOE分辨率

站内≤1毫秒，站间≤2毫秒

系统可利用率

≥99.99%

系统平均修复时间

<5分钟

网络通讯速率

100Mbps

Ø实时响应性

操作

从输入变化到显示变化

≤采集周期+0.5秒

从操作键入到输出变化

≤1秒

从输入变化到输出变化

≤采集周期+运算周期

屏幕显示

画面显示完成时间

≤1秒

动态元素更新时间

≤1秒

扫描周期

模拟量

最快50毫秒

开关量

最快1毫秒

控制周期

回路控制

最快50毫秒

逻辑控制

最快5毫秒

Ø系统运行负荷率

一般工况下CPU平均负荷率

≤40%

繁忙工况下CPU平均负荷率

≤50%

繁忙工况系统网络负荷率

≤70%

Ø抗干扰能力

模入通道

差模干扰抑制比

>120db

共模干扰抑制比

>60db

输入回路绝缘强度

不低于500伏

工作温度

-20℃~55℃

工作湿度

10~95%无凝结

Ø系统配置能力

系统最大域数

8

单域

最大站数

62

服务器

2（冗余配置，可用操作员代替）

工程师站

≤5（可由操作员站代替）

操作员站

≤19

现场控制站（含通信站）

≤40

物理I/O点

≤50000个

控制回路数

≤1000个

2.3系统网络

2.3.1管理网

MACS系统的上层管理网络，支持TCP/IP协议，能够易于与工厂管理信息系统或企业综合管理系统（ERP）集成以实现全企业的自动化。

本系统在操作员站上为用户留有以太网接口，为全公司实现管控一体化做好准备。

MACS系统有真正开放的通讯接口，如OPC、DDE，可以方便的和第三方设备连接，只需增加少量费用便可实现功能强大的网络通讯，为用户节约投资。

2.3.2系统网

MACS系统的下层控制网络，用于连接服务器站、操作员/工程师站和主控单元之间的网络。

服务器站、控制器、操作员/工程师站之间采用冗余的100M以太网，实现高速安全的通讯。

Ø工业级以太网交换机。

Ø工作在数据链路层，支持IEEE802.3/802.3u/802.3x，10/100M。

Ø广播风暴保护。

Ø工作环境温度-40－75℃。

Ø高强度铝制外壳，IP40防护等级。

Ø通讯电缆和连接头的精良制作工艺：

Ø一次成型

Ø环氧树脂封装

2.3.3控制网

控制器与I/O模块之间的通讯采用先进的现场总线Profibus-DP。

Profibus-DP符合EN50170标准，是专门为自动控制系统与分散I/O之间而设计的，通讯介质为屏蔽双绞线或光纤，最大节点数为127，传输速率为9.6Kbps~12Mbps,与距离有关。

当距离在100米内时，可达12Mbps。

2.4操作员站

操作员站是操作人员监视、控制生产过程、维护设备和处理事故的人机接口。

操作站的硬件完全能适应此装置过程控制的环境，在操作员站上可以根据操作者的权限访问和调用工艺流程图、过程参数、数据记录、参数报警以及各种可用数据，并能有效地调整控制回路的输出和设定参数。

系统具有区域和操作权限两种机制来进行安全管理设置，系统可以被分为256个区域，每个区域可以被定义为某个工艺工段或者某些工艺工段。

系统的操作权限可以分为8个权限：

监视级别、操作级别、值班长级别、工程师级别、超级用户级别、三个用户自定义级别等。

用户可以根据自己的需求来划分相应的区域和权限设置。

操作站规格：

（常规配置）

DELL计算机

CPU英特尔双核处理器3.0GHZ

内存：

512M

硬盘：

80G

光驱：

DVD

鼠标、键盘

声效卡

2块100M工业以太网卡

19寸液晶显示器，支持分辨率1600*1280

系统运行时处理器负荷峰值时不大于40％，系统RAM余量大于50％，系统海量存储器余量大于70％。

网络设置1：

1冗余，单网通讯负荷不大于10％。

操作站支持画面显示：

菜单画面、流程图画面、控制分组画面、回路画面组、趋势图、报警画面。

操作站可直接调用数据库的数据，进行实时和历史数据报表打印，当某一事件发生时可自动打印与事件有关的工艺参数。

系统历史数据存储量计算公式如下：

M＝HAI×4字节×TIMER÷f

＋AI×2字节×TIMER÷f

＋DI×1比特×TIMER÷f

其中：

M：

历史数据存储量

f：

历史数据采样频率（次/秒）

AI：

普通模拟量点数（个）

DI