第十三章Ovation分散控制系统.doc
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1、第十三章 Ovation分散控制系统美国西屋电气公司1982推出WDPF,1989年推出WDPF-,1997年推出Ovation。进入21世纪后,西屋电气公司并入艾默生公司,Ovation又经历了几次大的更新,使Ovation始终跟随自动化新技术的发展。Ovation进入火电厂后,不仅带来了开放式的计算机技术,并且又保证了火电机组的安全和经济运营。Ovation在国内火电机组的应用较多:300/350MW机组重要有平凉l4号、宝钢12号、铁岭13号、姚孟1号、胜利油田12号、曲靖34号、营口12号、华能大连12号、华能珞璜1号、广安34号、浦圻12号、榆社12号、古交12号、嘉峪关12号、江油
2、34号、河津34号等;600MW机组重要有邹县12号、托克托18号、北仑12号、韩城二厂12号、汕头3号、太仓34号、利港58号、宁德14号、上都12号等。1000MW机组重要有邹县34号、玉环14号。第一节 Ovation结构Ovation的结构包含系统结构和网络结构两个方面,如图13-1所示。图中:服务器/工程师站为编程中心,用于建立数据库和控制逻辑;历史站作为长期点数据的存储(周、月、年),检索操作站/报警站的历史趋势;操作员站为监视和控制的人-机接口;冗余控制器对152对火电厂生产过程进行监视和控制;SWITCH为互换机。一、系统结构及特点Ovation由数据高速公路和站点两大部分组成
3、。站点涉及两大类,即:与生产过程接口的Ovation控制器;人机接口装置,涉及操作员站(OPS)、工程师站(ENG)、历史数据站(HSR)、智能设备管理站(AMS)、OPC SIS接口站等。同时,它还可以和其他的控制系统以及信息系统进行标准化的开放的连接。 Ovation系统的设计具有开放式的思绪,它采用了奔腾解决器、模块化IO和功能强大的工作站,特点如下:高速、高容量的主干网络采用商业化的硬件、软件、网络和通信接口,以取代过去有专利性的DCS结构;基于开放式工业标准,Ovation能把第三方的产品很容易地集成在一起,例如,Ovation可以和ABB公司的可编程控制器(PLC)硬件和软件直接地
4、、实时地集成在一起;分布式全局数据库将功能分散到每个独立站点,而不是集中在一个中央解决器中;电子装置具有低功耗可减少控制室通风和空调的费用;从Ovation网络一直到IO插板的电源装置都可以用冗余组态方式提供,以获得最高的系统可靠性;直观的诊断方法使维护人员能不久地拟定系统在哪里出现了问题;Ovation涉及一套直观的编程工具,使用户组态控制系统安全、方便;通过对几个系统的组合,用户还可以获得一个联合网络,并能保证过程的安全,从而显著地减少工程设计工作;整个系统采用了模块式部件,所有模块在线更换时不需要工具或特殊部件。修理任何系统部件的平均时间少于30min;Ovation网络还采用了市场上买
5、得到的互换器、集线器和路由器。 二、网络结构及特点网络结构即网络拓扑。WDPF是总线型网络拓扑结构,1997年推出的Ovation是环型网络拓扑结构,2023年Ovation又改为星型网络拓扑结构,它是基于互换技术的、标准的、开放的快速局域网络。Ovation网络采用全冗余和容错技术标准,网络可采用多种通信介质,既可采用光纤电缆,也可采用铜质电缆。网络还能和公共的LAN、WAN以及公司内网连接。新的Ovation网络淘汰了复杂网桥结构,在保证过程控制安全的前提下,使控制功能和公司的信息系统完美的结合起来。Ovation高速通信网络运用ISOOSI模块可以和任何标准的物理网络层通信。Ovatio
6、n网络特点如下:基于先进的互换技术,采用冗余互换机作为网络拓扑设备;通信速率为100Mbps的快速局域网;电缆可采用光纤和铜质电缆组合方式,有UTP型、多模光缆和单模光缆型;站点容错组合能力,检测和诊断犯错信息;串级、多层拓扑;支持500个双附加站点;每秒20万个实时信息;网络光缆总长可达200km;Ovation站点直接和高速公路通信,以便发送和接受实时数据和控制指令;Ovation网络提供具有拟定性的和非拟定性的两种数据传输方式;PLC可成为Ovation数据高速公路的直接站点;除了使用标准的通信协议TCPIP以及第三方的各种协议和设备外,还可以使用Ovation 0PC等服务器。Ovat
7、ion通信网络大体分二层:操作员站、工程师站、历史数据站、过程控制站之间的快速互换式以太网(TCP/IP);控制器与I/O模块之间的PCI总线或现场总线。以太网的局限性,其实也是以太网技术自身的局限性。由于以太网采用的是带有冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)技术,当网络负载较重时,冲突增长,会导致效率的减少,冲突的产生减少了以太网的带宽,并且这种情况是不可避免的。所以,当网上的节点越来越多后,冲突的数量将会增长,这可以使用互换机技术来解决。互换机是重要的网络设备,它提供了站点之间或局域网段之间的点对点连接。以太网互换机的引入,使网络各站点之间可独享带宽,消除了无谓的冲突检测和犯错重发
8、,提高了传输效率,并且由于是点对点传送用户数据,其他节点是不可见的,冲突就可避免。对于站点较多的控制系统,网络可以采用两层星型网络拓扑;对于站点较少的控制系统,网络可以采用单层星型网络拓扑。第二节 Ovation控制站Ovation控制站即过程控制站,重要由机柜、控制器、I0模块、I0总线及电源等部分组成,它的核心是控制器。一、机柜过程控制站的机柜目前有两种,编号为903的基本控制器机柜,安装解决器与IO模块,它涉及1个单一或冗余控制器的机架、4个IO分支、冗余电源及电源分派模块。每个IO分支最多能包含8个IO模块,因此,每个903控制器机柜总共可有32个IO模块。903机柜如图13-2所示。
9、 另一种是编号为904的机柜,装有附加IO模块,904机柜通过与基本903机柜连接,提供了与控制器连接的扩展空间和安装板。904机柜也有4个IO分支、冗余电源及电源分派模块。扩展机柜中的每个分支支持最多8个IO模块,因此,每个904机柜总共可有32个IO模块。 二、控制器控制器配有英特尔奔腾解决器,采用多任务实时操作系统(RTOS)解决数据,它的标准PC结构和相应PCIISA总线接口,使控制器可以与其他标准PC产品连接和运营。控制器分别由解决器卡(CPU)、控制器电源卡(PCPS)、闪存、网卡(NIC)、I0接口卡(IOIC)和无源PCI总线底板组成。控制解决器规范:奔腾解决器主频为266MH
10、z;DRAM为64MB;闪存为32MB;点数为16000;控制内存为3MB;控制页为300。控制器的组成示意图见图13-3。 解决器解决器CPU是Ovation控制器的指挥中心,它在晶振时钟基准、内部定期器、存储器、中断控制器的配合下,负责控制器的总体运营和控制,按预定的周期、程序和条件对相应的信号进行解决、运算,对控制器和I/O模块进行操作控制和故障诊断。 闪存现在DCS已经采用闪存取代ROM。闪存用来存储操作系统、控制算法、控制策略和控制器的工作状态。闪存在掉电后能永久保存数据,其使用方法与硬盘基本同样,可以直接安装于控制器模件的插座上,它的存储容量大于20M。闪存没有可活动部件,和硬盘比
11、较几乎没有磨损,它的可靠性大大提高。 网卡网卡(NIC卡)的作用是实现Ovation控制器与Ovation网络的连接,即与其他站点通信。 I0接口卡IOIC Ovation的控制器机柜仅提供了一层通信网络结构,即控制器与IO模块之间的通信总线。Ovation的IO基座通过“Base To Base”( 基座对基座)连接器首尾相连,即自然形成了IO通信总线。 IOIC卡包含PCQL、PCRL、PCRR三种选项卡:PCQL卡是控制器与本地Q-Line I/O的接口卡;PCRL卡是控制器与本地Ovation I/O的接口卡;PCRR是控制器与远程Ovation I/O的接口卡。每个控制器可配2个IO
12、IC卡,每个IOIC卡可带8个I0分支,每个I0分支安装8个I0模块,则一个控制器最多可带128个本地Ovation I0模块。本地I0模块配置如图13-4所示。每个控制器最多可配 2个远程I/O接口,每个 I/O 接口8个节点,每个节点64块I/O模块,则一个控制器最多可带1024远程IO模块。控制器与节点之间通信速率10Mbps,远程节点间通信速率2 Mbps。与控制器配套,远程IO模块提供了对整个工厂的各个部位的分散控制。远程I0模块采用已通过工业现场考验的高速、标准工业化通信技术,这样可以保证远程IO模块满足大范围工业场合下的控制和信息解决规定。I0模块放置越靠近现场设备,整个工厂电缆
13、用量的减少就越明显。 在IOIC卡上有8个LED灯,指示控制器8个本地IO支路、或8个远程IO节点的状态。控制器通过IOIC卡,才干实现Ovation控制器与IO模块的通信,从而完毕控制器的数据采集和控制输出功能,如图13-5所示。图中:LT为液位变送器;FT为流量变送器;RTD为热电阻;其他输入设备为热电偶和输入接点,它们经I/O模块进入控制器的CPU, CPU对输入信号进行解决或运算,一方面通过网卡NIC送往操作员站;一方面通过I/O模块将CPU的运算结果送往现场的输出设备,如调节阀、继电器、电机或指示仪表。Ovation采用冗余控制器对,一个控制器运营,一个控制器备用,一旦运营控制器故障
14、,备用控制器就会接替它。 三、IO模块Ovation 的IO模块用于实现Ovation控制器和生产过程的连接,它的基本作用是对生产过程的模拟量信号、开关量信号、脉冲量信号进行采样、转化,解决成控制器能接受的标准数字信号,或将控制器的运算输出结果转换、还原成模拟量或开关量信号,去控制现场的执行机构。为了保证过程控制的长期可靠,0vation IO模块设计成外形标准的,带内置故障容错和诊断功能的插入式模块。模块内置的连接器取消了电源和通信之间的连接导线。由于用软件组态模块功能和地址,所以不需要跳接件。IO模块由模块基座、电子模块和特性模块构成,如图13-6所示。电子模块是将特性模块与IO控制器外围
15、设备连接的印刷电路板。特性模块涉及一些无源(滤波)部件,是用来连接现场设备的印刷电路板。 基座标准IO模块基座模块基座提供了现场到IO模块的信号连接的接线端子,是用于安装电子模块、特性模块的插座。I0基座串行连接在一起就形成了一个I0分支。基座设计为通用形,它提供DIN导轨、现场连接端子、IO通信和IO模块电源。每个基座可容纳两个标准I0模块,每个标准IO模块占用一个逻辑地址,每个标准IO基座占用2个逻辑模块地址。电子模块和相应的特性模块一起安装在基座内。继电器输出模块基座继电器输出模块由两部分组成,即基座和继电器输出电子模块,继电器模块涉及带有连接器的继电器输出基座、塑料外壳和DIN导轨夹紧
16、装置,可同时容纳多个与现场接口的继电器。每个继电器输出基座可容纳1个继电器模块,占用1个逻辑地址。由于需要额外的空间容纳继电器,其长度是标准IO模块的1.5倍。继电器输出电子模块是可在线更换的模块,它提供了继电器输出电路板,电路板线圈驱动接口、I0总线和总线电源接口。Ovation提供的IO模块见表13-1。表13-1 Ovation的I/O模块I/O模块名称范围/种类信道电子模块 特性模块模拟输入模块20、50、100mV81C31113G01/2/31C31116G01TC输入模块20、50、100mV81C31113G01/2/31C31116G04模拟输入模块1、5、10VDC 81C
17、31113G04/5/61C31116G01模拟输入模块0/420mA本/外81C31113G051C31116G02/3RTD输入模块所有(滤波,CE认证)41C31161G01/21C31164G01/2模拟输出模块05/10VDC41C31129G01/21C31132G01模拟输出模块020mA带/不带诊断41C31129G03/41C31132G01接点输入模块48 VDC卡上备用电源161C31142G011C31110G03紧密型接点输入模块48 VDC卡上备用电源161C31234G011C31238H01数字输入模块24/48 VAC /VDC单/双161C31107G011
18、C31110G01/2数字输入模块125VAC /VDC单/双161C31107G021C31110G01/2紧密型数字输入模块24/48 VDC/VDC单/双 161C31232G01/21C31238H01紧密型数字输入模块125VAC /VDC双161C31232G031C31238H01顺序事件输入模块24/48/125VDC单/双161C31157G01/21C31110G01/2顺序事件输入模块48VDC卡上备用电源161C31157G031C31110G03紧密型顺序事件输入模块24/48VDC单/双161C31233G01/21C31238H01紧密型顺序事件输入模块125VD
19、C双/48VDC卡上备用电源161C31233G03/41C31238H01数字输出模块060VDC单端161C31122G011C31125G01数字输出模块继电器板 本/外161C31122G011C31125G02/3数字输出模块继电器板(AC/ DC)165A22410G01/2数字输出模块G2R继电器板(低电源)165A22411G01数字输出模块KU继电器板(高电源)165A22412G01/2/3继电器输出模块KUEP继电器板(C/X型)121C31219G011C31222G01继电器输出模块G2R继电器板161C31219G011C31223G01通信控制器模块RS232 /
20、RS485/42211C31166G011C31169G01/2回路控制模块05/10VDC模入/模出61C31174G01/21C31177G01回路控制模块420mA模入 本/外 41C31174G041C31177G02/3脉冲输入模块24/48V计数/控制21C31147G011C31150G01/2/3伺服驱动器模块16V/19VAC(1、3KHz)61C31199G01/2/31C31201G01/2测速模块16/32比特81C31189G011C31192G01阀门定位模块17 /23.75 VAC81C31194G01/21C31197G01/2/3/4表中:1C31238H0
21、1是一块填充插件,当不需要特性模块时插入;继电器输出模块没有特性模块,不使用标准IO模块基座,而使用基本单元(继电器输出模块基座)1C31222G01、1C31223G01。5A22412G01/2/3为继电器板元件。模拟量I/O模块 模拟量输入模块AIAI模块对8个隔离的模拟输入信号进行调理和单独的模拟-数字转换,每个输入通道将输入电压成比例的转换为频率信号,这8个频率信号通过隔离后被当作8个单独计数器的时钟输入,微解决器将计数值转换为13或14位的字来代表输入信号值。微解决器还监视自动补偿、增益校正、偏差报警和控制I/O总线的接口。对所有的电压输入模式,可使用第9通道,这个通道用来测量接线
22、端子温度,以便进行热电偶冷端补偿,该通道也可以用来测量机柜的温度。AI模块的特点是:单独的隔离输入;每个通道独立的A/D转换;低功率消耗,每个通道0.4W;13或14位的分辨率;正常工况下每秒更新10次;对电流输入都装设单独的熔丝;无需平常的维护和调整;标准LED状态指示器指示的内容为:模块电源OK;通信OK;内部模块故障;每个模拟输入通道的状态。单独的通道 LED指示的内容为:输入超量程;电流回路断开;电流输入模式熔丝的状态;参考信号错误;自动校验读数超量程。在特性模块的接线端子的一侧有一张接线图,它显示外部连线与接线端子是如何连接的,模拟输入特性模块的接线端子如图13-7所示。图中:A1+
23、A8+为模拟输入端子正极;A1-A8-为模拟输入端子负极;P1+P8+为模拟电流输入端子正极;PS+、PS-为辅助电源正负极;RSV为预留端子,这些端子不允许接线;SH1SH8为屏蔽端子。电压或热电偶输入接线图如图13-8所示,现场输入信号由接线端子进入、经特性模块进行滤波解决后送往电子模块。图中SH为Shield(屏蔽)的缩写。跨接器短接时组态为本机接地;跨接器断开时组态为现场接地。 现场 (外部)供电的电流输入接线如图13-9所示,现场输入信号由接线端子进入、经特性模块进行滤波和过流保护解决后送往电子模块。 本机(本地或系统)供电的电流输入接线如图13-10所示,现场输入信号由接线端子进入
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