分散控制系统试验.docx
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分散控制系统试验
分散控制系统试验
（1）
分散控制系统（DistributionControlSystem，简称DCS）是以微处理机为基础，以控制危险分散、操作和管理集中为特征，集数据采集、监视、过程控制、顺序控制、记录于一体的标准的、开放的工业控制系统，它紧跟当代先进微处理器技术、GRT图形显示技术、高速通信技术、先进和现代控制技术的发展。
目前在国内火电机组中应用较多的DCS产品主要有：
西门子TelepermXP、ABBBaileySymphony、西屋Ovation、FoxboroI/A’S、日立HIACS-5000M、北京和利时MACS、上海新华XDPS400+、欧陆NETWORK-6000等，这些系统都各有特点。
分散控制系统在我国火力发电机组上的应用正在普及，除新建大机组外，越来越多的中小机组也逐步完成了DCS改造。
分散控制系统在火力发电机组上的应用范围不断扩大，其功能已逐步扩展到机、炉、电全厂控制以及外围辅助系统。
DCS作为热控乃至全厂的主要自动化控制设备，越来越显现出它的重要性，因此，从DCS设备的招标、出厂验收，到日常的检修和维护，都必须引起足够的重视。
第一节火电机组常用DCS及特点
一、西门子TelepermXP分散控制系统
西门子在80年代推出的TelepermME基础上，经过10多年的改进，于1997年推出TelepermXP分散控制系统（简称T-XP）。
在国内火电机组的应用业绩，300MW机组主要有：
日照#1～#2、阳城#1～#6、阳泉二厂#1～#4、福州华能#3～#4、苏州华能#1～#2、莱城#1～#4、华能太仓#1～#2、呼和浩特#1～#2、准格尔#1～#2、石嘴山#1～#4、白鹤#1～#4、兆光#1～#2等；600MW机组主要有：
扬二#1～#2、邯峰#1～#2、德州华能#5～#6、台山#1～#5、定洲#1～#2、河曲#1～#2、宁海#1～#4、滇东#1～#4、岱海#1～#2等。
T-XP系统在硬件及软件分配上并不完全以DAS、MCS、SCS及FSSS来设立子系统，而是以被控对象以及功能区域来设立子系统，如给水系统、燃烧系统、风烟系统等。
这样的分配方案面向现场工艺过程，使得一个设备的控制，包括输入/输出、报警、联锁等相对集中在一块或几块模件，一个子系统的控制集中在一个CPU中，提高了单一对象处理的独立性，减少了DCS系统内信号的通讯量。
T-XP还将大量的事件在I/O总线内进行处理，或在智能I/O模件内处理，而不需要经过通讯总线，既提高了安全性，又降低了总线通讯的负荷。
T-XP系统的控制等级可分为机组级、功能级、单项级，如图2-1所示。
图2-1T-XP系统的控制等级
T-XP系统可分为AS620（自动控制系统）、OM650（操作监视系统）、ES680（工程设计系统）及SINECH1FO（总线系统）4大子系统，如图2-2所示。
图2-2T-XP系统组成
从功能上说，AS620主要实现电厂的自动化控制（安全运行），OM650主要实现过程控制、过程信息及过程管理（经济及优化运行），SINECH1FO主要完成数据通讯，ES680主要完成系统的组态。
（一）AS620自动控制系统
AS620自动控制系统是T-XP系统与电厂过程的接口。
它采集来自现场的过程模拟量和开关量，根据应用情况进行开环和闭环的控制算法处理，然后再发出指令到执行机构。
AS620系统有两种类型：
AS620B标准型自动控制系统，用于普通的自动控制任务，如开环控制、闭环控制、机组协调；AS620F故障安全型自动控制系统，用于安全保护任务，如锅炉保护、燃烧器管理等。
（1）AS620B标准型自动控制系统的配置
在AS620B基本柜中有一对AP（自动处理器），互为备用，占一层机架。
另有三层或两层FUM（功能模件）机架，各层最多可安装19块FUM功能模件。
T-XP系统以被控设备为对象设计和分配FUM功能模件，不同的对象分配不同的模件（3～4种），每块FUM模件可以独立地完成对多个同类设备的自动控制。
从系统负载、运行速度等角度考虑，T-XP将大量工作分散到了模件级，AP主要完成某个功能区中多个被控对象之间的协调控制。
AP与FUM之间的通讯总线为输入输出I/O总线，该总线为并行总线，信息交换的速度高，吞吐量大。
由于AS620B系统以功能区划分，同一功能区中的设备之间大量的信息交换被缩小在一个AS620B机柜中，因此极大地降低了系统局域网上的数据通讯量，也提高了自动控制系统的响应速度。
每个AP还配有一个CP（通讯处理器，负责与其它子系统的通讯）以及IM（接口模件,负责CPU与FUM的通讯），极大地减轻了AP中主CPU的负载，加快了处理及通讯速度。
系统中使用的FUM模件均为智能I/O模件。
每个I/O模件内的处理器负责对输入/输出信号添加时间标签，分辨率为1ms；功能I/O模件FUM210，用于现场马达、电动门、电磁阀的控制，模件处理器具有处理力矩保护、行程保护、跳闸联锁等功能；闭环控制模件FUM280的模件处理器能独立于中央CPU进行PID运算；各种信号输入模件，可以完成线性化数据整定、质量判断、工程单位换算、越限报警等功能。
这些智能I/O模件与通讯处理器一样，大大减轻了中央CPU的负载。
中央处理器AP通常为1:
1冗余配置，通讯处理器CP、I/O总线、I/O总线接口模件IM为1:
1冗余配置，每面机柜的供电回路完全冗余配置。
（2）AS620F故障安全型自动控制系统的配置
AP/APF机柜中含有一对AP，占一层机架位置，它与标准型自动控制系统中的AP一样，担负着一般的自动控制任务，同时又是与过程控制的接口。
另外，机柜中还有一层APF机架，它包含有两个冗余的APF，以2取1方式运行。
每个APF的内部均采用2取2的硬件配置，有两个CPU处理器，运行相同的程序，具有相同的时钟脉冲，由2取2配置的比较器进行位奇偶检验。
若比较器发现内容不一致，APF将立刻自行关闭，保证机组的安全状态。
两个APF含有相同的用户程序，通过刷新接口，以周期同步的方式相互通讯。
与冗余的AP一样，两个APF根据主从原则运行，一个APF处于主状态，另一个APF处于备用状态，并可随时实现无扰切换。
APF机架中可安装12块F型功能模件，根据所配置模件的多少，可在机柜中相应增加FUM-F机架，每层FUM-F机架可安装18块F型功能模件。
（3）I/O模件
T-XP系统采用的主要I/O模件如表2-1所示。
表2-1T-XP系统主要I/O模件
序号
型号
模件名称
说明
1
FUM210
开关量输入/输出模件
28路DI或16路DO（不隔离）
2
FUM230
模拟量输入模件
16路AI
3
FUM232
热电阻/热电偶输入模件
14路RTD或28路TC
4
FUM280
2回路模拟量控制输入/输出模件
每一回路可带2AI、1AO、1M/A
5
FM350
脉冲量输入模件
8路PI
6
FUM310
F型开关量输入模件
16路DI（用于FSSS）
7
FUM360
F型开关量输出模件
24路DO（用于FSSS）
8
FUM511
开关量输入/输出模件
16路DI/DO（隔离）
9
FUM531
模拟量输入/输出模件
4路AI/AO（隔离）
10
SM321
远程I/O开关量输入模件（DI）
16路DI
11
SM322
远程I/O开关量输出模件（DO）
32路DO
12
SM331
远程I/O模拟量输入模件（AI/TC/RTD）
8路AI/TC/RTD
13
SM332
远程I/O模拟量输出模件（AO）
4路AO
14
FM350-2
远程I/O模件（PI）
8路PI
T-XP系统可以完成SOE功能，无需独立的SOE系统。
AS620B系统开关量采集模件FUM210模件，在选择中断型采集时可达1ms的时间精度，满足SOE分辩率的要求。
其实现方法是：
对于有SOE要求的一定数量的开关量测点，以中断型采样方式进行采样；当模件检测到信号变化后，模件内部的CPU即对信号附以1ms精度的时钟标志；通过I/O总线送入系统数据库中；用事故追忆STAD功能，可以调出触发条件前后的状态数据，然后以CRT显示或打印输出。
（二）操作和监视系统OM650
OM650系统承担过程控制、过程信息和过程管理的任务。
过程控制是指DCS系统对电厂生产过程的监视与操作，目的在于避免故障、发现故障以及清除故障，达到机组安全运行的目的。
过程信息是指存储及管理各类历史数据，它不直接介入过程控制，但可以指导机组的运行方式及控制方式。
过程管理是指各类运行参数及设备参数的计算及分析，以达到优化机组运行的目的，实现经济运行。
OM650系统可以分为四大部分：
PU、SU、OT及终端总线。
图2-3OM650系统
PU为处理单元，主要负责过程控制。
为了提高系统的可用率，PU采取了1:
1冗余配置，即每台PU均有热备用。
它们同时运行相同的程序，执行相同的任务，区别仅在于在线PU有输出，而热备用PU无输出，在线与备用PU之间进行数据动态更新。
PU处理单元可按两对配置，但在大多数工程项目中PU实际配置为3对。
SU为服务单元，主要有组态数据库和历史数据库，负责过程信息及过程管理，如报表、曲线、棒图等历史信息的计算、处理、显示及打印。
由于T-XP具有统一人机界面（图形）及数据格式，需要统一的数据库。
同样，SU也实行1:
1的冗余。
SU服务单元的配置通常为一对。
为了长期存档，通常还另配置一台可读写磁光驱MOD，可对历年的数据进行存档及查阅。
OT为操作员站，主要负责人机接口。
操作员通过OT对电厂生产过程进行监视控制，每台OT与具体的PU或SU不发生直接指派关系，在OT上可以对所有功能区或对象进行监控操作。
也可以通过值长口令进入某一个OT，对于某些功能区或对象进行闭锁，实现机、炉、电分系统操作。
大机组一般配置5～6台OT，每台OT可带有1台显示器和1个鼠标，有大屏幕显示器时，另配备1台OT。
终端总线是连接OM650的PU、SU及OT的高速数据总线，它不仅使OT在物理上脱离了PU或SU，还减轻了PU及SU的负荷。
所有用户画面及系统画面都存储在OT中，调用画面时，终端总线只传递动态过程信号。
终端总线分解了PU和SU的功能，使PU专用于局部区域的过程控制任务，加快了控制速度，提高了系统对现场的响应能力。
与电厂总线一样，终端总线也是冗余工业以太光缆总线。
根据需要在OM650系统上配置多台彩色针打印机和彩色激光打印机，虽然打印机连接在某个OT上，但在终端总线上的任一个OT均可驱动打印机打印。
通常还配置1台磁带机DAT，备作数据转换使用。
（三）工程设计系统ES680
ES680工程设计系统是一个由数据库支持的全图形系统。
采用国际上成熟的标准化软件，如UNIX和关系数据库。
为了使控制系统的操作快速、安全、方便，采用了统一的现代化的图形系统OSF-MOTIF和用户接口X/Windows。
ES680工程设计系统是一高性能系统，可以为所有子系统组态，包括总线系统。
除了在设计调试阶段使用外，还应用于系统的运行优化和系统扩展，保证了工程设计和系统维护阶段数据的统一性。
该工程设计系统为图形界面，无需编程语言。
可以自动生成代码及自动下载代码。
系统不仅可以利用OM650进行故障分析，还可以利用ES680进行系统故障跟踪分析。
（四）总线系统SINECH1FO
电厂总线担负DCS各子系统间（AS620、OM650、ES680）的通讯任务，为工业以太网，遵循ISO/OSI的七层结构建立起来的国际标准通讯协议。
电厂总线是通过光缆建立的局域以太网，采用IEEE802.3标准的CSMA/CD协议，传输速率为100Mbit/s。
总线系统由若干个OSM模件组成。
OSM模件为光缆总线接口总站，带有自己的电源，通过OSM模件，T-XP系统的各成员以星型结构连接在一起。
OSM模件具有下述特点：
两套独立的电源，LED诊断，通过信号开关报告故障，远程管理。
电厂总线为虚拟环网，其上有若干OSM模件，OSM模件上有一组电子开关，如图2-3（a）所示。
当虚拟环网上所有部件均正常工作时，其中必有一块OSM模件的电子开关是打开的，使虚拟环网实际上成了总线网。
当虚拟环网上有一部件工作不正常形成开路时，该电子开关闭合形成新的形式的总线网，同时报警通知系统维护人员排除故障，实现了冗余总线的设计。
在故障情况下自动修复的电厂总线，如图2-4（b）所示。
图2-4故障情况下电厂总线的自动修复
终端总线的原理与电厂总线完全一样，仅其接口模件的数量及类型因其所挂用户不同而有所不同。
（五）接地与屏蔽
（1）接地方式
T-XP分散控制系统的接地方式可以有两种，即单点接地和多点接地。
单点接地如图2-5所示，各个电子柜的屏蔽条A和DC24V的M通过电源电缆线汇总到集中条后接地。
集中条采用截面积70mm2的铜条或120mm2的钢条，以放射形方向及最短距离接至室内地网（无室内地网接室外地网）。
电源柜的接地方式与电子柜相同。
A—屏蔽条；M—DC24V地；E—大地
图2-5单点接地
采用多点接地时，各个电子机柜就近接入室内地网，如图2-6所示。
图2-6多点接地
当不能独立为电子室接入大地（<1Ω）时,可借用室外地网，其方法见如图2-7。
图2-7室内地网与室外地网
（2）信号电缆屏蔽的接入方法
a.热电偶、热电阻和开关等现场信号线应在集线箱侧或端子柜侧单端接入屏蔽条。
b.集线箱与端子柜之间的信号线应在双侧接入屏蔽条。
c.端子柜到AS柜的信号电缆，应在AS柜侧接入屏蔽条。
d.AS柜到控制屏/台信号电缆，应在AS柜侧接入屏蔽条。
e.AS柜到FAE（操作系统前置器）的信号电缆，应在两端接入机柜/外壳地。
f.计算机等通讯电缆，应在两端接入机柜/外壳地。
二、贝利SYMPHONY分散控制系统
美国贝利（Bailey）控制公司在1980年推出以微处理器为基础的网络控制系统N-90系统，通过改进后在90年代相继推出INFI-90、INFI-90Open、Symphony系统，新的控制系统功能更完善、系统更开放。
90年代中期推出的Symphony系统，融过程控制和企业管理于一身。
在国内火电机组的应用业绩，300MW机组主要有：
井冈山#1～#2、广安#1～#2、湄州湾#1～#2、荷泽#1～#2、利港#1～#2、上安#1～#2、长兴#1～#2、安顺#3～#4、石洞口#1、鲤鱼江#1～#2、阳逻#3～#4、漳山#1～#2、温州#3～#6、大港#1～#2、登封#1～#2、徐州#1～#2、南通#1～#4等；
600MW机组主要有：
北仑#3～#5、盘山#1～#2、阳逻#5～#6、嘉兴#3～#6、伊敏#1～#2、神头二厂#1～#4、大同二厂#7～#8、沁北#1～#2、吴径二厂#1～#2、聊城#1～#2、盘南#1～#4、石洞口二厂#1～#2、奥立油#1～#2、兰溪#1～#4、华银金竹山#1～#2、湘潭#1～#2、武乡和信#1～#2、惠来#1～#2、黄岛#1～#2等。
（一）SYMPHONY系统概述
（1）系统硬件
在Symphony系统中，按照通信系统对通信设备的定义，通信网络中的硬件设备称之为节点（Nodes）。
Symphony系统通讯网络中有以下四种类型的节点：
1）现场（过程）控制设备节点：
HCU（HarmonyControlUnit），用于过程控制，可实现物理位置及控制功能的分散。
HCU中可配置多个以高性能微处理器为核心的现场控制器即多功能处理器MFP（Multi-FunctionProcessor）,新一代BRC处理器,处理能力为普通MFP的3～4倍。
2）人机接口设备节点：
HSI（HumanSystemInterface），用于过程监视、操作、记录等功能的人机接口设备、过程控制观察站。
3）计算机设备接口节点：
CIU（ComputerInterfaceUnit），用于Symphony系统与其它计算机接口的硬件设备，主要有用于应用软件组态、系统监视、系统维护的专用设备—工程师工作站EWS（EngineeringWorkStation），也可与其它计算机相连。
4）网络通讯接口节点：
Cnet，用于系统通讯，并将HCU、HIS、EWS等硬件设备构成一个完整的分散型控制系统。
（2）系统软件
1）用于过程控制的BRC软件：
以回路控制、顺序控制、数据采集、优化控制为对象的软件结构—功能码FC（FunctionCode），已固化在BRC的ROM中供设计组态。
2）HSI软件：
在HSI中装有WindowsNT操作系统来支持设备的运行，设备的数据库及显示的图形等软件均存在硬盘内。
3）EWS软件：
根据被组态的对象可选择相应的软件包来组态。
（3）通讯结构
Symphony系统通讯结构为四层：
1）企业数据管理层：
操作网络OperationNetwork（Onet）；
2）过程数据管理层：
控制网络ControlNetwork（Cnet）；
3）过程控制数据层：
控制总线Controlway；
4）过程I/O数据层：
I/O扩展总线和HarmonyI/O通信网络（Hnet）。
图2-8Symphony系统结构
（二）过程控制单元HCU
过程控制单元HCU是Symphony系统实现过程控制的基本设备。
其主要功能是：
与现场的I/O连接，完成对过程的模拟量控制和开关量控制、数据采集和处理，通过标准接口实现与其它控制设备或第三方计算机的连接，并参与整个系统的通信。
HCU主要有以下几个组成部分：
1）机械安装部分：
机柜、MMU、FTP（模件）、竖架安装棒、模块安装竖架（模块）；
2）数据通讯系统：
控制总线、I/O扩展总线、HarmonyI/O通讯网络Hnet；
3）过程控制部分：
通讯模件、控制器、I/O系统（Block,Rack）；
4）现场连接部分：
端子单元、端子模件；
5）电源系统：
ModularPowerSystemII（MPSII）。
图2-9过程控制单元HCU
（1）电源模块
MPSII为Harmony提供5VDC、15VDC、-15VDC，24VDC、48VDC和125VDC。
该电源系统为HarmonyI/OBlock、HarmonyrackI/O、Rackcontroller、Rack通讯模件等Harmony设备提供运行电压，也为现场控制设备提供供电电源。
电源系统采用模件化结构（可实现N、N＋1、N＋x、2N冗余），所有电源模件均衡带载，具有较好的功率因数（调整可达0.95），系统可在线更换电源模件和风扇，具有全面的电源监视功能。
MPSII由电源模件安装机架IPCHS01、IPCHS02、风扇安装机架IPFCH01、电源输入断路器IPECB11、IPECB13、电源输入开关IPESW11、IPESW13、电源系统风扇IPFAN11、IPFAN12、IPFAN13、系统电源模件IPSYS01、现场电源模件IPFLD01、IPFLD24、IPFLD48、IPFLD125
Harmony电源模件IPBLC01、电源监视模件IPMON01组成。
（2）网络接口从模件NIS与网络处理模件NPM
由NIS与NPM模件共同组成HCU的接口单元，通过该接口单元，HCU得以实现与Symphony系统网络的通讯互连。
其中，NIS模件是一个与NPM以I/O扩展总线（ExpanderBus）相连的I/O模件，它作为本节点连接Cnet与控制总线（Controlway）间的一个翻译器。
NPM拥有过程控制单元的数据库并指导控制总线上的控制模件与NIS模件间的通讯进程。
该接口可支持硬件冗余配置，冗余配置由两对NIS/NPM对组成，其中一对为主模件，当主模件故障时，另一对备用模件自动转为在线方式，承接系统的通讯工作。
（3）BRC控制器
BRC100是先进的Symphony处理器模件，它是HCU过程控制单元的核心部件，除了实现多路模拟、顺序和批处理控制外，还能实现特殊的控制和信息处理功能。
BRC最大可使用64块I/O接口模件实现对过程参数的采集与控制。
BRC同样支持软、硬件的冗余配置，主、备用模件间的切换是无扰动的。
BRC300运算速度更快，处理能力更强（是BRC100的2.5倍）。
BRC300采用的CPU为MotorolaColdfire系列，其主频为160MHz，基于68K/ColdFire内核版本的32位RISCCPU，是专门为工业应用设计的芯片，功耗仅10W，CPU的运行不需要风扇。
考虑到过程控制中分散性、可靠性的要求，BRC300除了采用高性能的CPU芯片和完善的模件设计方法、表面安装技术以外，还具有很多适用于过程控制的特殊性能：
●汇集多种类型的控制方案，可同时完成模拟调节、顺序控制、数据采集等控制任务。
具有先进过程控制算法，使模件的任务分配不受其功能的限制。
●内置多任务的操作系统，可将BRC内的控制策略分成八个不同的部分,让每部分具有不同的执行周期，对过程实现分级管理。
让执行联锁保护的任务具有较快的响应，而让一般调节控制和数据采集的任务具有常规的响应时间。
●拥有在线修改组态相关参数的能力，允许模件不退至组态方式就可修改相应的参数。
●BRC内固化了230多种能够满足用户各种控制策略设计需要的功能码。
●BRC可以在线带电插拔，实现上电自动工作。
在HCU内，BRC间的通讯自动建立；冗余的BRC在主、从之间自动完成切换，无需人工干预。
（4）I/O模件
RackI/O模件类型主要有：
模拟量输入（ASI，FEC）、模拟量输出（ASO）、控制回路输入/输出（CIS，QRS）、数字量输入（DSI，DSM）、数字量输出（DSO）、专用输入/输出（FCS，HSS，SED）等。
表2-2Symphony常用I/O模件
序号
型号
模件名称
说明
1
IMFEC12
模拟量输入子模件
15AI（4～20mA、0～1V、0～5V、0～10V、-10～+10V）
2
IMASI23
模拟量输入子模件
16TC/RTD
3
IMASO11
模拟量输出子模件
14AO（4～20mA、1～5V）
4
IMDSI14
数字量输入子模件
16DI（24VDC、48VDC、125VDC）
5
IMDSO14
数字量输出子模件
16DO（24VDC时250mA、48VDC时125mA）
6
IMDSM04
脉冲量输入子模件
8PI（≤50kHz,at50%dutycycle）
7
IMSET01
SOE时钟同步套件
16点（24VDC、48VDC、125VDC）
8
IMSED01
SOE输入子模件
16点（24VDC、48VDC、125VDC）
（5）终端单元
HCU的模件通过专用电缆与端子连接，多种型号满足不同的输入/输出类型。
TB端子接线排，用于与现场设备的连接；XU跨接器用于组态信号通道特性；输入电源保险提供了系统保护。
NRAI05/06模拟量输入终端单元，依据不同的从模件类型，提供15或16个模拟量信号输入通道，输入信号的类型可由硬件设置。
NTCL01通讯终端单元，为NIS网络接口从模件提供一个终端接点，TCL可选择使用双绞线或同轴电
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