第二节分散控制系统的主要硬件.docx
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第二节分散控制系统的主要硬件
第二节分散控制系统的主要硬件
目前，世界上生产分散控制系统的厂家众多，用途不一，推出的产品琳琅满目，各具特色。
不同的系统具有不同的设计思想，因此其硬件的结构上也有很大的差别。
就是对于一个具体的分散控制系统来说，其硬件涉及的技术范围也很广，构造也十分复杂。
所以本节从构成分散控制系统的用于电厂功能的主要三大功能硬件设备：
过程控制设备、人机接口设备、系统通信设备着手，对分散控制系统的硬件功能与其结构做分析和介绍。
一、过程控制设备
1。
过程控制设备的功能
在分散控制系统中，过程控制设备是最基层（直接控制级）的自动化设备，它接受来自现场的各种检测仪表（如各种传感器和变送器）传送的过程信号，对过程信号进行实时的数据采集、噪声滤除、补偿运算、非线性校正、标度变换等处理，并可按要求进行累积量的计算、上下限报警以及测量值荷包径直向通信网络的传输。
同时，它也用来接受上层通信网络传来的控制指令，并根据过程控制的要求进行控制运算，输岀驱动现场执行机构的葛洪控制信号，实现对生产过程的数字直接控制，满足生产中连续控制、逻辑控制、顺序控制等的需要。
过程控制设备还具有接受各种手动操作信号，实现手动操作的功能。
在分散控制系统的应用中，用于过程控制级的设备有两类品种：
一是分散控制系统自身的“现场控制
单元”，二是可纳入分散系统中应用的其他独立产品一一可编程逻辑控制（PLC）、可编程调节器等。
一般
的这些独立产品都是一些通用型的设备，通过专门的接口与分散控制系统连接，并实现其功能。
而自身的现场控制单元，是指分散控制系统与现场关系最密切，最靠近生产现场的控制装置。
是属于分散控制系统的系列产品，不同的分散控制系统生产厂家，对自己系统中的过程控制设备取有独特的名称，如基本控制器、多功能控制器等等。
表2—1列岀了几个用于电厂的典型分散控制系统的过程控制设备，其名称无一相同，下面将通称为“现场控制单元”。
不同厂家的现场控制单元所采用的结构形式大致相同。
概括地说，现场控制单元是一个以微处理器为核心的、按功能要求组合的，各种电子模件的集合体，并配以机柜和电源等而形成的一个相对独立的控制装置。
表2-1典型系统的过程控制设备
厂商
系统名称
过程控制设备名称
BaileyControls
INFI-90
ProcessCont⑹Unit（过程控制单元）
Westinghouse
WDPF
DistributedProcessingUint（分布式处理单元）
Leeds&Northrup
MAX-DNA
RemoteProcessUnit（远程处理单
元）
Siemens
Teleperm-XP
AutomationSubsystem（自动子系统）
Foxboro
I/ASeries
控制处理机和现场控制模件
HITACH
HIACS-3000
HISEC-04M/L,M/F高性能控制器
2。
现场控制单元
现场控制单元是面向过程、可独立运行的通用性计算机测控设备，尽管不同厂家生产的现场控制单元
在结构尺寸、输入输岀的点数、控制回路数目、采用的微处理器、设计的模件、实现的控制算法等各方面有所不同，但它们均是由机柜、电源、I/O通道、以微处理器为核心的功能模件等几部分组成，我们在此分
析实现功能的功能模件及I/O模件。
（1）功能模件
功能模件是现场控制单元的核心模件，是I/O模件的上一层智能化模件。
它通过现场控制单元的内部总线与各种I/O模件进行信息交换，实现现场的数据采集、储存、运算、控制等功能。
功能模件一般由中
A）CPU
CPU是功能模件的处理指挥中心。
它在晶振时钟、内部定时器、存储器、中断控制器的配合下，负责现场控制单元的总体运行和控制。
即按预定的周期、程序和条件对相应的信号进行处理、运算，对功能模
件和其它模件进行操作控制和故障诊断。
为保证系统的可靠性，CPU常采用1：
1冗余配置。
为了提高功能模件的数据处理能力，缩短工作周期，很多系统的功能模件还配有浮点运算处理器（协
CPU），直接执行许多复杂的计算和先进的控制算法。
协助微处理器（主CPU）完成诸如自整定、预测控制、
模糊控制以及阶梯逻辑等的结算任务，以提高主CPU的工作效率。
B）只读存储器ROM
只读存储器（ROM），为功能模件的程序存储器，用来存放I/O驱动程序、数据采集程序、控制算法
程序、时钟控制程序、引导程序、系统组态程序、模件测试合资诊断程序等支持系统运行的固定程序。
固化在ROM中的程序保证了系统一旦上电，CPU就能投入正常有序的工作之中。
着功能的增强，程序量的
加大，ROM的容量也在不断提高。
C）随机存储器RAM
随机存储器（RAM），作为功能模件的工作存储器，用来参访采集的数据、设定值、中间运算结果、报警限值、手动操作值、整定参数、控制指令等可在线修改的参数，为程序运行提供存储实时数据和计算中间变量的必要空间。
一些较先进的分散控制系统，为用户提供了在线修改组态的功能，显然这一部分用户组态应用程序必
须存放在RAM中。
因此，RAM的一部分也可作为程序工作区。
RAM是一种易失性存储器，其最大的缺点是电源中断后内部所存储的信息会全部丢失，为此，工程上除了采取电源冗余措施外，还是希望有一种既可随时改写存储器内容，又可在掉电时不丢失存储内容的存储器应用于分散控制系统。
应用具有后备电池的随机存储器，对保存组态方案和重要参数、查询事故、快速恢复正常运行起着极为重要的作用。
D）模件总线
功能模件上总线是该模件所有数据、地址、控制等信息的传输通道。
它将模件上的各个部分以及模件外的相关部件连接在一起，在CPU的控制和协调下使模件构成一个具有设定功能的有机整体。
一般功能模件最多可连接数百个I/O点，对应的I/O模件可能多达十个。
，而现场控制单元的机柜内每
个机架上最多只能插入十几块插件。
因此，通常需将总线扩展、连接到数十个机架上，只插入I/O模件,
它所使用的总线信号比功能模件（CPU）的总线信号要少，即仅提供I/O模件所必需的数据线、地址线和
控制线。
E）通信接口
通信接口用来实现功能模件与系统数据高速公路、冗余功能模件等的连接。
数据高速公路上的信息是以位串行方式传送的，信息格式一般由标志段（即同步信号）、地址段、数据
信息段和检验段等部分组成。
而功能模件内的总线是以并行方式传送信息数据的，因此，通信接口在此具有并行数据串行化、串行数据并行化、管理编制信息的插入和删除、奇偶校验和检错等功能。
当信息由功能模件向外发送时，通信接口进行的并/串转换，同时按数据串行通信的格式要求，进行信
息和附加信息的编制。
如将同步通信中的同步符号或异步通信中的启动位、停止位、奇偶校验位等插入数据信息串中。
当功能模件接受到串行信息时，同新接口对接后的串行数据串中的附加信息，然后把串行数据编制和转
换成满足功能模件需求的并行数据。
在信息的传送过程中，通信接口对接受的串行数据进行奇偶校验和检错，以保证数据传送的可靠性。
在实现远距离通信时，通信接口利用调制器将数字信号调制到一定频率的载波信号上向外发送，也可
利用解调器接收远距离信号，使之解调为数字信号。
通信接口与功能模件内部的数据传送一般采用直接存储器存取（DMA）传送方式，这是一种解决存
储器和外设快速交换大量数据的传送方法。
DMA传送方式是存储器RAM与外设之间直接进行并行数据到串行数据双向数据传送，而无需CPU介入，它的传输率高，且大大减少CPU处理这部分数据移动的系统开销，但他受到存贮器的存贮速度的限制。
通信接口的基本功能框图如图2-2所示。
该通信接口发送或接收数据信息的整个过程，是在各控制电
路（如调制/解调控制、发送/接收控制电路和DMA控制器）的控制下进行的，在一般情况下，模件总线由CPU管理，一旦外设向DMA控制器发岀数据传输请求时，该通信接口将按以下基本步骤工作：
1）DMA控制器向CPU发出“总线请求”信号；
2）CPU收到请求信号并完成当前的指令周期后，向DMA发出“总线响应”的信号；
3）CPU将模件总线的使用权让出，移交给DMA控制器管理；
4）DMA控制器向提岀请求的外设发岀“传输应答”，允许进行数据传输；
5）在DMA控制器的控制下，外设通过发送/接收器、模件总线等与存储器RAM直接进行数据传输（传输的字节数，使用的内存地址是事先对DMA控制器编程而设置的）；6）设定的字节书传送完毕，DMA控制器撤销向CPU的“总线请求”，再由CPU重新管理模件总线，进入
图2-2通信接口基本功能框图
（2）过程（I/O）模件
实际生产过程中需要监视和控制的物理量、化学量非常多，在火力发电厂有温度、压力、流量、液位、
压差、应力、转速、加速度、位移、振动、状态、浓度、PH值、成份、电压、电流等。
所有这些量按期随
时间变化的规律可分为三类，即模拟量、开关量、脉冲量，如图2--3所示。
模拟量是指那些随时间连续变
化的量。
如压力、温度等。
开关量是指指只具有两个状态的过程量，如开关的“闭合”与“断开”、设备的
“投入”与“退岀”，参数的“正常”与“越限”、信号的“有”与“无”等。
脉冲量是指随时间推移周期性重复岀现短暂起伏的过程量，如转速测量变送器输岀的信号极为某一频率的脉冲量。
图2-3几种典型信号形式
I/O模件是为分散控制系统的各种输入/输岀信号提供信息通道的专用模件，是分散控制系统中种类最
多、使用数量最大的一类模件。
它的基本作用是对生产现场的模拟量信号、开关量信号、脉冲量信号进行采样、转化，处理成微处理器能接受的标准数字信号，或将微处理器的运算输岀结果（二进制码）转换、还原成模拟量或开关量信号，去控制现场执行机构。
因此，1/0模件是联系生产过程与微处理器的纽带和桥梁。
因为生产过程中多的物理量和化学量都可用模拟量、开关量、脉冲量中的某一种形式表现岀来。
所以尽管各种分散控制系统的I/O模件众多，对应连接生产过程不同形式信号的作用需要，可归纳为模拟量输
入模件、模拟量输岀模件、开关量输入模件、脉冲量输入模件等几类主要模件。
按照火电机组的规模大小和功能需要，可对这些模件进行按系统需求的灵活配置。
1）模拟量输入模件
一般地每个模拟量输入模件可接收4〜64路模拟信号不等。
这些模拟量信号一般是传感器监测到的现
场物理量或化学量，并经变送器转换而得到相应电信号。
模拟量输入模件的基本功能是：
对多路输入的各种模拟电信号进行采样、滤波、放大、隔离、输入开路监测、误差补偿及必要的修正（如热电偶冷段补偿、电路性能漂移校正等）、向工程单位转化、模拟量/数字量转换。
以次提供准确可靠的数字量。
模拟量输入模件通道上的硬件一般由信号端子板、信号调理器、A/D转换器等部件组成（如图2-4所
示）。
信号端子板的主要作用是用来连接输送现场模拟信号的电缆；信号调理器是对美庐模拟量输入信号进
行滤波、放大、隔离、开路检测等综合处理，为A/D提供可靠的、统一的与模拟量相对应的电压信号。
为
使模拟量模件具有良好的抗干扰能力，适应较强的环境噪声，每个信号通道上都串接了多级有源和无源滤波电路，且采用差动、隔离放大器，使现场信号源与分散控制系统内的各路信号有良好的绝缘。
A/D转换
器是模拟量模件的核心，用来接收信号调理器送来的各路模拟信号和某些参考输入（如冷端参考输入等）。
它由多路切换开关按照CPU的指令选择某一路信号输入，并将该路模拟量输入信号转换成数字量信号送给
CPU.。
A/D转换器的种类很多，按转换原理的不同，常用的转换器有计数式、双积分式、逐步逼近式和并行几种。
从转换精度有12位分辨率的A/D转换器，其精度在0.05%的偏差左右，转缓时间一般在100微秒左右。
还有更高精度的A/D转换器不断开发。
为进一步提高系统的抗干扰能力。
A/D转换器与输入信号信
号之间通常采用隔离放大器或光电耦合器进行电器上的隔离。
模拟量输入模件的主要技术指标为：
输入容量、采样速度、转换精度、输入信号及量程范围。
2）模拟量输出模件
模拟量输岀模件的主要功能是：
把计算机输岀的数字量信号转换成外部过程控制仪表或装置可接受的
模拟量信号，用来驱动各种执行机构控制生产过程。
模拟量输岀模件的输岀，严格的说，并不是在时间上、幅度上真正连续的模拟量信号。
这是因为在时间上，计算机十分是工作的，它只能按照程序所规定的时间间隔去刷新某一个输岀量；在幅度上，计算机是按有限的字长进行运算处理，它只能在一定的分辨率范围
拟
输
图2-4模拟量输入模件功能框图
内提供输出量。
因此，模拟量输出模件得输出实际上是一个信号范围有限的、不连续的阶梯模拟量信号。
模拟量输岀模件一半由输岀端子板、输岀驱动器、D/A转换器、多路切换开关、数据保持寄存器、输岀
控制器等硬件组成，如图2-5所示，给岀了典型的模拟量输岀模件组成框图。
图中，模拟量输岀通道的端
子板用以连接现场控制信号电缆与模拟量输岀模件；输岀驱动器用于实现功率放大，为数簇红纸信号提供合适的能量；数字锁存器用来存储和保持某一输岀通道的D/A转换结果，使其输岀值不随时间而衰减，保
5
图2-5模拟量输岀模件功能框图
持输岀的准确性；D/A转换器的主要作用是将所接受的数字信号转换成渝之相对的模拟量信号；多路切换
开关则用来周期性的粉饰宣统各路信号，保证在某一时间段内，只对某一个输岀进行D/A转换。
；接口电
路负责模拟量输岀模件与所寡的数据总线连接和相互通信。
模拟量输岀模件一般具有输岀短路保护功能，
而且，模拟量输岀模件与I/O总线之间以及电源之间通常采取了电气隔离措施，以提高系统的抗干扰能力。
模拟量输出通道的主要技术指标有：
通道容量、分辨率，以及通道输出信号。
3）开关量输入模件
在实际生产过程中，计算机控制系统除了要处理模拟量信号之外常常还要对大量的开关良信号进行处理。
模拟量输入模件的基本功能是：
根据监测和控制的需要，把生产过程中的某些只有两种状态的开关量信号（如各种限位开关、电磁阀门联动触点、继电器、电动机等的开/关状态）转换成计算机可识别的信号
形式。
分散控制系统所应用的开关量输入模件一般由端子板、保护电路、隔离电路、信号处理器、数字缓冲
器、控制器、地址开关与地址译码器、LED指示灯等组成，其基本结构如图2-6所示。
端子板用来连接传
送现场开关量信号的电缆，接受各路开关量输入；保护电路对各路输入信号进行限制，实现过流，过压保护，以避免输入信号国大而烧坏模件；隔离电路将模件与现场信号实现电气隔离，这种隔离通常采用光电隔离方式，且存在于每个输入通道和个通道之间，从而提高了信号的可靠性；信号处理器承担消除各路输入信号的抖动噪声监测输入电压是否超过规定的阀值、判断现场设备的开、关组态等任务；数字缓冲器用来存放信号处理器送来的状态判断结果，每一路开关的状态，相应的由二进制缓冲器内的一位数字的0或
1来表示；地址开关是用来设置DI模件地址编码的装置，总线上的半选信号通过地址开关和抵制译码器传至控制器；控制器则根据模件选通信号的控制信号，读取数字缓冲器中个输入通道的状态值，并通过接口送至总线，供有关微处理器使用；LED指示器石油煤炉输入一个LED指示灯而组成，用来反映各路现场设备的当前状态（闭合时LED点亮，断开时LED熄灭）或反映数字缓冲器的开关量输入状态。
有的开关量输入模件还设有中断电路，当某些输入通道的开关状态发生变化时，开关量输入模件可向有关微处理器发岀中断申请，提请微处理器及时做岀处理。
图2-6开关量输入模件功能框图
开关量输入模件的主要技术指标：
通道容量、输入信号、采样速度、分辨率和隔离方式。
4）开关量输出模件
开关量输岀模件的基本功能是：
把计算机输岀的二进制代码所标示的开关量信息，转换成能对生产过
程进行控制或状态显示的开关量信号，以控制现场有关电动机的启/停、继电器的闭/断、电磁阀门的开/关、
指示灯的亮/灭、以及报警系统等的开关状态，可用来实现局部功能组甚至整个机组自动启停的控制。
开关量输出模件一般由端子板、输出电路、输出寄存器、控制器、地址开关与地址译码器、LED指示
器等基本部分组成，如图2-7所示，端子板用来连接线长电缆，向现场有关设备输岀开关量信号，端子板
一般设有过压、过流保护电路，以保证输出信号的可靠性；输出电路有隔离电路和驱动电路组成，其主要作用是使开关量输岀模件与生产过程控制设备之间实现电气隔离，并为输岀的开关量信号提供合适的驱动功率，是指具有一定的带负载能力；数据选择器用来选择模件的输岀，当与开关量输岀模件相连的微处理器系统正常工作时，数据选择器从输岀寄存器中读取数据，控制器根据地址译码器输岀的模件选择信号和总线上的读/写控制信号，可将状态缓冲器中的开关量输岀模件的输岀状态和模件状态信息传送到总线上，供相关微处理器系统读取和检测开关量的状态；LED指示灯石油煤炉输出的一个LED指示灯组成，用来反
映各输出通道的当前状态。
开关量输岀模件的技术指标为：
输岀容量、输岀方式和隔离方式。
图2-7开关量输岀模件功能框图
5）脉冲量输入模件
在生产过程中，有许多测量信号为脉冲信号，例如：
转速计、罗茨式流量计、涡流流量计、涡轮流量计、技术装置等的输岀。
脉冲量模件的基本功能是：
将输入的脉冲量转换成为之对应的且计算机可识别的数字量。
二、人机接口设备
人机接口设备是人与系统互通信息、交互作用的设备。
在生产过程高度自动化的今天，仍需要运行（操
作）人员对生产过程、设备状态进行监视、判断、分析、决策和某些干预，特别是生产过程发生故障时更是如此，电厂运行人员的决策依赖于生产过程的大量信息，运行人员的干预又是通过控制信息的传递作用于生产过程的，人机接口设备正是承担这种信息相互传递任务的装置。
人机接口设备包括输入设备和输岀设备。
输入设备用来接受运行人员的各种操作控制命令，输岀设备
用来向运行、管理人员提供生产过程和设备状态的有关信息。
分散控制系统的人机接口设备一般由两种形式：
一种是以显示器为现实操作站的，从它的功能上看又可划分为操作员接口站、工程师站等；另一种是具有显示操作的功能仪表。
1。
操作员接口站
操作员工作站设置在机组的集控室内，是运行操作人员与生产过程之间的一个交互窗口。
在现代的大
生产过程中，需要监视和收集的信息量很大，要求控制的对象众多。
例如一台300MW的单元制火力发电
机组，需要监控的测点信息达3000~4000至多。
操作员站提供了一种现代化的监控工具，它能使运行操作
人员方便的了解各种工况下的运行参数，及时掌握设备操作信息和系统故障信息，准确无误地做岀操作决策。
操作员站把系统的绝大多数现实和操作内容集中在显示器的不同画面和操作键盘上。
如图2-8所示为操作员站的基本结构，它主要由高档微处理器（CPU）、信息存储设备（RAM、ROM、
硬磁盘、软磁盘、光盘等）、显示器、操作键盘、记录设备（打印机、拷贝机）、鼠标或轨迹球、通信接口
以及支撑和固定这些设备的台架等，它在火力发电机组的自动化过程中主要用来完成各种设备的启动、停止（或开、闭）操作，物质或能量的增、减操作以及生产过程的监视等任务。
操作员站的基本功能包括：
软昭fit
粧信按门
UOGG
内
总
线
5?
打叩机
CRT
装置
图2-8操作员工作站的基本结构
（1）收集个现场控制单元的过程信息，建立数据库；
（2）自动监测和控制整个系统的工作状态；
（3）在显示器上进行各种显示：
如：
总貌、分组、细目回路、报警、趋势、报表、系统状态、过程状态、生产状态、模拟流程、特殊数据、历史数据、统计结构等各种参数和画面的显示，以及用户自定义显示（如图2-9所示）;
（4）进行生产纪录、统计报表、操作信息、状态信息、历史数据、过程趋势等的制表打印或曲线打印以及显示器的屏幕拷贝；
（5）可进行在线变量计算、控制方式切换、实现DDC控制、逻辑控制和设定值知道控制等；
（6）利用再现数据库进行生产效率、能耗消耗、设备寿命、成本核算等综合计算，实现生产过程管理；
（7）具有磁盘操作、数据库组织、显示格式编辑、程序诊断处理等在线辅助功能。
操作员接口站实际上是一个融当代先进的计算机技术、显示图形技术、内部通信技术为一体的、适应过程控制需要的专用计算机子系统。
2。
工程师站
工程师站是一个硬件和软件一体化的设备，使分散控制系统中的一个重要人机接口，是专门用于系统
设计、开发、组态、调试、维护和监视的工具，是系统工程师的中心工作站。
工程师站的基本构成与操作员站的硬件构成大体一致。
只是它具有自己的工程师键盘）。
工程师站的基本功能主要包括：
1）系统组态功能：
该功能用来确定硬件组态和连接关系，以及控制逻辑和控制算法等。
2）操作员站组态功能：
除对分散控制系统的控制功能进行组态外，工程占还要对操作员接口进行组态，包括选择确定系统运行是操作员接口所使用的设备和装置，建立操作员接口与相关设备之间的对应关系，利用工程师站提供的标准软件，对监视、记录等所需要的数据库，显示器监控图形和显示画面进行与组态。
组织与形成操作员站的显示画面是工程师站的一个重要内容。
图2-9某电厂操作员站显示画面
3）在线监控功能；
4）文件编制功能；
5）故障诊断功能
3。
功能仪表
在一些分散控制系统中，除操作员接口站和工程师站外，还具有实现某些特定功能的另一类人机接口设备。
这类人机接口设备有两种典型的结构形式：
一是安装在控制盘台上的模件装置，另一种是手持的便携式装置。
它主要是为方便现场组态、参数调整、专项监视和实现手动直接控制等而设置的。
三、系统通信设备
数据通信是分散控制系统的重要组成部分之一，它将生产过程的监测、监视、控制、操作、管理等各
种功能有机的组成一个完整实体。
分散控制系统各节点（现场控制单元、操作员接口站、工程师站、计算机）之间的连接与联系主要是依靠通信接口通过本系统网络来实现的。
通信接口提供各节点对网络的访问功能，通过通信接口各节点可以从网络中获取所需的信息，也可向网络发送自己的信息，实现与网络的信息交换。
通信接口是各种分散控制系统必备的基本硬件，通信接口的品种和实现方法有所不同，但满足系统中各种类型节点与网络的要求、达到互通信息的目的是一致的。
如图2-10所示，为现场控制单元与INFI-90网络的通信。
它是由一个网络通信子模件和一个现场控制单元的网络处理器模件所组成的通信接口单元实现的，是现场控制单元的各种主模件可与网络进行信息交换，完成其控制策略。
图2-10INFI-90系统通信接口连接示意图
通信介质是连接系统各个站点进行信号传输的物理通道。
分散控制系统对通信介质有着较高的要求,
即通信介质的频带要求信号传输的时间延迟要小，能满足高速传输的需要，能避免信息在传输过程中因共模和串模干扰所引起的信号混叠或丢失等等。
为此，集散控制系统中的数据通信普遍采用双绞线、同轴电缆和光缆等专用的通信介质。
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