第3章分散控制系统-LN2000现场站

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1、3.1 概述现场站（LN PS)是LN2000系统的主要现场设备。通过对其组态可以完成过程控制功能。现场站通过各种相互关联的安装部件，组成一个就地的柜式结构。通过相应的各种控制部件共同完成对现场过程的数据采集、数据处理和执行多种类型的控制策略。现场站是一个容易配置而又独立的现场结构。它能够根据现场过程控制的需要、功能分区、物理位置和安全要求等进行合理地配置，形成既相对独立，又通过通信网络连接成一个整体的、有很强针对性的过程控制级。3.2 现场控制站的结构LN-PS站主要含有三大部分：机械结构、通信结构、模件结构。3.2.1 机械结构现场控制站LN-PS是一柜式的现场设备,机柜为现场控制站的通信

2、、控制、连接和电源等主要设备提供必要的保护和可靠方便的安装条件。LN2000系统中，现场站的硬件都安装在标准的控制机柜中。这些控制机柜除了有安装LNPU和IO模块的过程控制柜外，还有继电器柜、系统电源分配柜等。一般情况下，这些机柜的物理尺寸和外观是相同的，用户也可以根据工程需要订制特殊类型的机柜。过程控制柜的外形尺寸如图3-1所示。图 3-1 过程控制柜的外形尺寸 一个过程控制柜可以安装一对冗余配置的LN-PU、一对冗余的DC 24V电源、52个IO模块或继电器板，其布置如图3-2所示。机柜布置由上而下依次为对流风扇、LN-PU、电源、交换机、IO模块。机柜冷却方式采用空气对流自然冷却，由机柜

3、后面门的下部进气，自下而上，最后由对流风扇把气流从机柜上部送出。图 3-2 过程控制柜布置3.2.2 通信结构在每一个控制机柜中，都有冗余配置的I/O通信总线。在LN2000系统中用的是CAN现场总线，通过CAN现场总线实现机柜中主控单元（LN-PU)和智能I/O模块之间的数据传送。3.2.3 模块结构 模块类型：主控单元（LN-PU)、I/O模块和电源模块三种类型。通过以上三种类型模块的合理选配，就能组成满足多种控制要求的现场站。主控单元（LN-PU)以CPU为核心，在LN2000系统中有两个功能，一个功能是运行组态的控制方案，实施对过程的控制策略。另一个功能是通信，通过以太网卡连接基于交换

4、机的以太网，实现站间的通信，通过CAN现场总线实现主控单元（LN-PU)和智能I/O模块之间的数据传送。I/O模块在主控单元（LN-PU)的控制下，完成对现场信息的采集和预处理，实施对现场设备控制信号的输出。I0子模块根据现场设备的多样性，有多种类型的模块，以满足现场各种信息连接的需要。I0子模块的类型有模拟输入模块(AI)、模拟输出模件(AO)、数字输入模块(DI)和数字输出模块(DO)。电源模块为柜内设备和现场设备提供电源。模块结构：LN2000 I/O模块的外貌如图3-3所示，详细说明见表3-1.3-33.3 现场控制站的组成和类型3.3.1 现场站的组成现场站是DCS的核心，负责数据采

5、集、数据处理和过程控制功能。系统的性能、可靠性等重要指标也都依靠现场站保证。现场站的硬件主要有主控制器、I/O模块，电源系统和通信网络组成1.主控制器：一般为工业级计算机，其中包括CPU和多种存储器，用于数据 的计算、处理和存储。2. I/O模块：也称过程通道，是为DCS的各种输入输出信号提供数据通道的 专用模块，是DCS中种类最多、使用量最大的一类模块。3. 通信网络：用于实现站站通信和站内主子通信。4. 电源系统：为站内模块提供工作电源，也可以为现场设备提供电源。3.3.2 现场站的类型1. 基本控制单元定义：接收并完成用户组态的软硬件结构。组成：控制器模件+I/O模件 2现场站的类型（按

6、组成结构划分，按组成形式划分，按功能划分，）单个基本控制单元 单机型多个基本控制单元 插卡型3基本控制单元的类型单回路型功能分离型多功能型3.4 现场站的主控单元3.4.1 主控单元的组成原理典型的主控制单元(Main Control Unit，MCU)有两种形式，插卡型和单机型。一般情况下，插卡型主控制单元安装于机箱中，通过背板总线与IO卡件通信；单机型主控制单元独立安装于机柜中，通过串行总线等方式与IO模块通信。图3-4所示为LN2000系统主控制单元的外形。（a)插卡型主控单元（b)单机型主控单元图3-4 LN2000系统主控制单元的外形主控制单元的组成原理如图3-5所示，主要由中央处理

7、单元CPU、只读存储器ROM、随机存储器RAM、固态存储器、系统网络接口、控制网络接口、模件总线、电源电路组成，一些主控制单元具有独立的硬件化的主从冗余控制逻辑电路。图3-5 主控制单元的组成方框图各组成部分功能如下：1. CPU 控制运算的主芯片，是功能模件的处理指挥中心。关于主控制单元的选择和评价，过去曾经有过只看CPU主频的错误倾向，例如，认为以Pentium为CPU的主控制单元就一定比以Intel 486为CPU的主控制单元好。事实上，这样来评价和选择主控制单元是非常片面的。一个主控制单元是否性能优良，主要是看它在控制软件的配合下，能否长期安全、可靠地在规定的时间内完成规定的任务。一个

8、效率低下的软件，即使在很高的主频下，也不可能得到很好的性能。2.只读存储器(Read Only Memory，ROM)。主要作为程序存储器，用来存放IO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，以及模件、测试和自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。3.随机存储器(Random Access Memory，RAM)。主要作为数据存储器，用来存放采集的数据、设定值、中间运算结果、最后运算结果、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

9、必要空间。4. NVRAM(带后备电池的RAM)装有用户组态(用功能模块设计的控制策略)，这种类型的内存在掉电的情况下，信息也不会丢失，这是由于有备用电池的原因，使存贮器不会失效。 。5.固态盘(Solid State Disk，SSD)或Flash存储器。用于保存主控制单元的操作系统等信息。在主控制单元上电启动后将这些文件调入RAM运行。6.监控网络(SNet)接口。SNet接口是主控制单元与操作员站、工程师站等控制管理级设备通信的网络接口。过去各家DCS厂商的系统网络基本上都是专有的，根本不开放，并且都宣称专用网络可靠。目前这种情况已经有了很大的改变，在20世纪90年代后期推出的DCS中，

10、系统网络大都采用了以太网。事实证明，以太网作为主流的商用网络，只要在软件的应用层上采取合理的保护措施，如应答和重发，其可靠性和安全性是没有问题的。采用以太网最大的优点是开放、易于集成、成本低。7.控制网络(CNet)接口。CNet接口是主控制单元与IO设备进行数据交换的网络接口。8.模件总线。功能模件上的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与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。9.电源电路。主控制单元的电源输入一般为24V直流电源，需要将其变换成5V直流或33V直流，供主控制单元上的集成电路芯片使用。10.主

11、从冗余控制逻辑。该部分电路用于控制互为备份的两台主控制单元的切换。由于过程控制对安全性和可靠性的特殊要求，几乎所有的DCS，其标准配置都是双主控制单元冗余运行。3.4.2 主控单元的功能主控制单元的主要功能有以下五种：1.从过程通道读取数据信息。依据数据库组态内容，从IO模块中读取AD转换后的现场数据信息，存放于共享内存中，供主控制单元中其他程序使用。2.数据处理及运算。对过程信号进行实时的噪声滤除、补偿运算、非线性校正、标度变换等处理。在控制站内实现回路的计算及闭环控制、顺序控制等，这些算法一般是一些经典的算法，也可采用非标准算法、复杂算法。3.输出运算结果至过程通道。依据数据库组态内容，将