第十三章Ovation分散控制系统.docx

1、第十三章Ovation分散控制系统第十三章 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，不但带来了开放式的计算机技术，而且又保证了火电机组的安全和经济运行。Ovation在国内火电机组的应用较多：300/350MW机组主要有平凉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

2、号、古交12号、嘉峪关12号、江油34号、河津34号等；600MW机组主要有邹县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机组主要有邹县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为交换机。一、系统结构及特点Ovatio

3、n由数据高速公路和站点两大部分组成。站点包括两大类，即：与生产过程接口的Ovation控制器；人机接口装置，包括操作员站(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路，它采用了奔腾处理器、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

4、程控制器(PLC)硬件和软件直接地、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处理器中；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很快地确定系统在哪里出现了问题；Ovation包括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；

5、Ovation网络还采用了市场上买得到的交换器、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，2005年Ovation又改为星型网络拓扑结构，它是基于交换技术的、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以及企业内网连接。新的Ovation网络淘汰了复杂网桥结构，在确保过程控制安全的前提下，使控制功能和企业的信息系统完美的结合起来。Ovation高速通信网络利用ISOOSI模块可以和任何

6、标准的物理网络层通信。Ovation网络特点如下：基于先进的交换技术，采用冗余交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，检测和诊断出错信息；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，以便发送和接收实时数据和控制指令；Ovation网络提供具有确定性的和非确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Ova

7、tion 0PC等服务器。Ovation通信网络大致分二层：操作员站、工程师站、历史数据站、过程控制站之间的快速交换式以太网（TCP/IP）；控制器与I/O模块之间的PCI总线或现场总线。以太网的不足，其实也是以太网技术本身的不足。因为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，冲突增加，会造成效率的降低，冲突的产生降低了以太网的带宽，而且这种情况是不可避免的。所以，当网上的节点越来越多后，冲突的数量将会增加，这可以使用交换机技术来解决。交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。以太网交换机的引入，使网络各站点之间可独享带宽，

8、消除了无谓的冲突检测和出错重发，提高了传输效率，而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，主要由机柜、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，安装处理器与IO模块，它包括1个单一或冗余控制器的机架、4个IO分支、冗余电源及电源分配模块。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

9、。903机柜如图13-2所示。 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、冗余电源及电源分配模块。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处理器，采用多任务实时操作系统(RTOS)处理数据，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产品连接和运行。控制器分别由处理器卡(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。控制处理器规

10、范:奔腾处理器主频为266MHz；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。 处理器处理器CPU是Ovation控制器的指挥中心，它在晶振时钟基准、内部定时器、存储器、中断控制器的配合下，负责控制器的总体运行和控制，按预定的周期、程序和条件对相应的信号进行处理、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一样，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

11、。闪存没有可活动部件，和硬盘比较几乎没有磨损，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

12、接口卡。每个控制器可配2个IOIC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处理要求。I0模块放

13、置越靠近现场设备，整个工厂电缆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，才能实现Ovation控制器与IO模块的通信,从而完成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对输入信号进行处理或运算，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，一个控制器运行，一个

14、控制器备用，一旦运行控制器故障，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，处理成控制器能接收的标准数字信号，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

15、块是将特性模块与IO控制器外围设备连接的印刷电路板。特性模块包括一些无源（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，继电器模块包括带有连接器的继电器输出

16、基座、塑料外壳和DIN导轨夹紧装置，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

17、模块1、5、10VDC 81C31113G04/5/61C31116G01模拟输入模块0/420mA本/外81C31113G051C31116G02/3RTD输入模块全部（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

18、/双161C31107G011C31110G01/2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

19、密型顺序事件输入模块125VDC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161C31219G011C31223G0

20、1通信控制器模块RS232 /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/

21、3/4表中：1C31238H01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个频率信号经过隔离后被当作8个单独计数器的时钟输入，微处理器将计数值转换为13或14位的字来代表输入信号值。微处理器还监视自动补偿、增益校正、偏差报警和控制I/O总线的接口。对全部的电压输入模式，可使用

22、第9通道，这个通道用来测量接线端子温度，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；无需日常的维护和调整；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

23、如图13-7所示。图中：A1+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处理后送往电子模块。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处理后送往电子模块。 本机(本地或系统)供电的电流输入接线如图13-10所

24、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处理后送往电子模块。电流流通回路为：本机辅助电源+1/16A熔丝P+接线端子+变送器+变送器-接线端子-A+电子模块+电子模块-本机辅助电源-。 RTD输入模块 RTD输入模块将现场测温的热电阻信号转换为与Ovation串口IO总线匹配的数字量信号。4个单独隔离的输入通道已被编程，恒流源的电流作为现场RTD的激励电流。激励电流的值定义了输入通道的刻度范围，在微处理器的存贮器中最多可存有256个刻度范围，Ovation 能为每个通道选择合适的刻度范围。流经热电阻的激励电流转换为模块的输入电压，电压-频率转换器输出的频率正比于该输入电压，

25、每个通道的频率信号经光隔离器被储存在模块的双口RAM中，以便由Ovation I/O控制器读取。模拟量输入模块(RTD)的特点是：4个单独RTD输入通道，通道对地是隔离的；支持RTD的2、3、4线制连接；接受RTD输入范围为5600；输入刻度范围由软件选择；每个模块支持多种RTD类型；每个通道被单独隔离；不需要电桥或电阻器；高噪声抑制能力；电流回路断开或输入开路监测；周期的自校准（每8秒自动完成增益和零位校准）。RTD输入模块性能指标为：功耗为3.6W（典型）；热耗散12977Jh（典型值）；分辨率12Bits；响应时间为2ms（最大）；采样速度为每秒4次；精度为最大范围值的士O.1；RTD类

26、型为铂、铜和镍电阻。2、3、4线制热电阻输入的接线图如图13-11、13-12、13-13所示。图中：SRC为Source(电源) 的缩写,表示电源正极；RTN为Return(返回) 的缩写，表示电源负极；EARTHGND为接地，GND为Ground的缩写；+IN和-IN为信号正负输入端子；SH为屏蔽端子。现场输入信号由接线端子进入、经特性模块进行滤波处理后送往电子模块。 模拟量输出模块AOAO模块用于将数字信号转换成相对应的模拟信号，并经端子板送有关的执行机构。AO模块有4路输出。模块输出信号可以驱动电压或电流设备。控制器的处理数据通过0vation串行IO总线送到IO模块，通过光隔离器再到

27、每个数模转换器后送到输出放大器。每一通道数/模转换器输出对产生的电流或电压提供放大，这个模拟电压或电流经特性模块后，由接线端子送往现场。AO模块的特点是：单独的隔离输出；1000V绝缘隔离；12位的分辨率；高速更新；软件组态最后保持的故障安全值或复位值；输出短路保护；软件组态通信空闲时间为62ms16s；本机或系统供电。模拟量输出模块的性能指标：功耗为3W（电压输出）和6W（电流输出）；热耗散最大为10798Jh（电压输出）和21586Jh（电流输出）；响应时间最大为2ms（电压和电流输出）；分辨率为12Bits；精度为上限值的士O.10；每个模块的通道数为4；输出范围为O5VDCl5VDC、

28、010VDC、020mA420mA；输出转换速度对应输出范围分别为10Vms、10Vms、2mAms；输出负荷对应输出范围分别为1000(最大10mA)、l000(最大10mA)、 最大750(最小0)。模拟量输出模块的典型现场接线如图13-14所示。图中：+I为电流输出正极；+V为电压输出正极；SH为屏蔽端子。AO模块的所有接线在进入模块时都要注意屏蔽和接地，进入仪表前要通过二极管保护（过压或反极性）。数字量I/O模块数字量输入模块数字输入模块由电子模块和相应的特性模块组成，它提供16路数字输入的电压检测。高灵活的系统既能处理交流信号，也能处理直流信号，范围从24125V单端或双端（差动）数

29、字输入。通过本机或外部给接点提供电源。单端数字输入（本机供电）如图13-15所示。若通道1现场接点接通，电流从辅助（本机）电源正极出发，经熔丝FUSE、C1端子、现场接点、B1端子、电阻、桥式整流电路右上臂二极管、通道1状态监视、电流限制、发光二极管、桥式整流电路左下臂二极管，回到辅助电源负极。发光二极管因得电而发光，将现场接点接通信号送往后续电路。差动（双端）数字输入（外部供电）电路如图13-16所示，如果现场接点接通，其电流的流通过程与单端数字输入相仿。从接线端子来的现场输入送入电子模块时，由特性模块对16路隔离的差动输入或16路单端输入进行浪涌保护和组态，由电子模块进行光电隔离和转换。对

30、逻辑电平只确认两个状态，即ON或OFF状态，它们送给由I/O控制器使用的I/O串行总线。数字量输入模块的特点是：单端或差动隔离输入；每一路输入的LED状态显示；现场输入的光电隔离；熔丝接点供电（仅用在单端输入上）；替换低电源；符合IEEE抵抗浪涌的能力；现场电缆长度可达300m。数字量输入模块的单端输入（本机供电）现场接线如图13-17所示。数字量输入模块的差动输入（外部供电）现场接线如图13-18所示。图中：1+16+数字输入端子正极；1-16-数字输入端子负极；PS+、PS-为辅助（隔离）电源端子正负极。接点（干接点）输入模块16通道48VDC干接点输入模块电路如图13-19所示。如果通道1的现场接点接通，电流从隔离（查询）电源为48V的正极出发，经电流限制、二极管、电阻、C1端子、现场接点、B1端子回到隔离（查询）电压为48V的负极。与此同时，因通道1的现场接点接通，电流从10V光隔离电源的正极出发，经光电隔离二极管、二极管、电阻、C1端子、现场接点、B1端子回到10V光隔离电源的负极。光电二极管因得电而发光，将现场接点接通信号送往后续电路。48VDC电源与10VDC电源是隔离的，这样才能抗共模干扰。电路板上装有保险丝的48VDC隔离电源为每一路接点供电，10VDC隔离电源为光电隔离器供电，它们之间由二极管隔离。接点输入模块的单/双端输入（本机供电）现场接线如图