第十三章Ovation分散控制系统.docx
《第十三章Ovation分散控制系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第十三章Ovation分散控制系统.docx（46页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
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-Ⅱ，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l～4号、宝钢1～2号、铁岭1～3号、姚孟1号、胜利油田1～2号、曲靖3～4号、营口1～2号、华能大连1～2号、华能珞璜1号、广安3～4号、浦圻1～2号、榆社1～2号、古交1～2号、嘉峪关1～2号、江油3～4号、河津3～4号等；600MW机组主要有邹县1～2号、托克托1～8号、北仑1～2号、韩城二厂1～2号、汕头3号、太仓3～4号、利港5～8号、宁德1～4号、上都1～2号等。
1000MW机组主要有邹县3～4号、玉环1～4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1～52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
Ovation由数据高速公路和站点两大部分组成。
站点包括两大类，即：
①与生产过程接口的Ovation控制器；②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）、OPCSIS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I／O和功能强大的工作站，特点如下：
①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；②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、实时地集成在一起；③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；④电子装置具有低功耗可减少控制室通风和空调的费用；⑤从Ovation网络一直到I／O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；⑥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；⑦Ovation包括一套直观的编程工具，使用户组态控制系统安全、方便；⑧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；⑨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；⑩Ovation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ISO／OSI模块可以和任何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TCP／IP以及第三方的各种协议和设备外，还可以使用Ovation0PC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，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、I／0模块、I／0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I／O模块，它包括1个单一或冗余控制器的机架、4个I／O分支、冗余电源及电源分配模块。
每个I／O分支最多能包含8个I／O模块，因此，每个903控制器机柜总共可有32个I／O模块。
903机柜如图13-2所示。
另一种是编号为904的机柜，装有附加I／O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I／O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I／O模块，因此，每个904机柜总共可有32个I／O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PCI／ISA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）、I／0接口卡（IOIC）和无源PCI总线底板组成。
控制处理器规范:
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。
⒈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。
⒉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。
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。
⒊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。
⒋I／0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I／O模块之间的通信总线。
Ovation的I／O基座通过“BaseToBase”（基座对基座）连接器首尾相连，即自然形成了I／O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-LineI/O的接口卡；PCRL卡是控制器与本地OvationI/O的接口卡；PCRR是控制器与远程OvationI/O的接口卡。
每个控制器可配2个IOIC卡，每个IOIC卡可带8个I／0分支，每个I／0分支安装8个I／0模块，则一个控制器最多可带128个本地OvationI／0模块。
本地I／0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I／O模块。
控制器与节点之间通信速率10Mbps，远程节点间通信速率2Mbps。
与控制器配套，远程I／O模块提供了对整个工厂的各个部位的分散控制。
远程I／0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I／O模块满足大范围工业场合下的控制和信息处理要求。
I／0模块放置越靠近现场设备，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I／O支路、或8个远程I／O节点的状态。
控制器通过IOIC卡，才能实现Ovation控制器与I／O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、I／O模块
Ovation的I／O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，0vationI／O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。
I／O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I／O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。
㈠基座
⒈标准I／O模块基座
模块基座提供了现场到I／O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。
I／0基座串行连接在一起就形成了一个I／0分支。
基座设计为通用形，它提供DIN导轨、现场连接端子、I／O通信和I／O模块电源。
每个基座可容纳两个标准I／0模块，每个标准I／O模块占用一个逻辑地址，每个标准I／O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。
⒉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I／O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、I／0总线和总线电源接口。
Ovation提供的I／O模块见表13-1。
表13-1Ovation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、100mV
8
1C31113G01/2/3
1C31116G01
TC输入模块
±20、50、100mV
8
1C31113G01/2/3
1C31116G04
模拟输入模块
±1、5、10VDC
8
1C31113G04/5/6
1C31116G01
模拟输入模块
0/4～20mA本/外
8
1C31113G05
1C31116G02/3
RTD输入模块
全部（滤波,CE认证）
4
1C31161G01/2
1C31164G01/2
模拟输出模块
0～5/10VDC
4
1C31129G01/2
1C31132G01
模拟输出模块
0～20mA带/不带诊断
4
1C31129G03/4
1C31132G01
接点输入模块
48VDC卡上备用电源
16
1C31142G01
1C31110G03
紧密型接点输入模块
48VDC卡上备用电源
16
1C31234G01
1C31238H01
数字输入模块
24/48VAC/VDC单/双
16
1C31107G01
1C31110G01/2
数字输入模块
125VAC/VDC单/双
16
1C31107G02
1C31110G01/2
紧密型数字输入模块
24/48VDC/VDC单/双
16
1C31232G01/2
1C31238H01
紧密型数字输入模块
125VAC/VDC双
16
1C31232G03
1C31238H01
顺序事件输入模块
24/48/125VDC单/双
16
1C31157G01/2
1C31110G01/2
顺序事件输入模块
48VDC卡上备用电源
16
1C31157G03
1C31110G03
紧密型顺序事件输
入模块
24/48VDC单/双
16
1C31233G01/2
1C31238H01
紧密型顺序事件输
入模块
125VDC双/48VDC卡上备用电源
16
1C31233G03/4
1C31238H01
数字输出模块
0～60VDC单端
16
1C31122G01
1C31125G01
数字输出模块
继电器板本/外
16
1C31122G01
1C31125G02/3
数字输出模块
继电器板（AC/DC）
16
5A22410G01/2
数字输出模块
G2R继电器板（低电源）
16
5A22411G01
数字输出模块
KU继电器板（高电源）
16
5A22412G01/2/3
继电器输出模块
KUEP继电器板（C/X型）
12
1C31219G01
1C31222G01
继电器输出模块
G2R继电器板
16
1C31219G01
1C31223G01
通信控制器模块
RS232/RS485/422
1
1C31166G01
1C31169G01/2
回路控制模块
0～5/10VDC模入/模出
6
1C31174G01/2
1C31177G01
回路控制模块
4～20mA模入本/外
4
1C31174G04
1C31177G02/3
脉冲输入模块
24/48V计数/控制
2
1C31147G01
1C31150G01/2/3
伺服驱动器模块
±16V/19VAC（1、3KHz）
6
1C31199G01/2/3
1C31201G01/2
测速模块
16/32比特
8
1C31189G01
1C31192G01
阀门定位模块
17/23.75VAC
8
1C31194G01/2
1C31197G01/2/3/4
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I／O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。
㈡模拟量I/O模块
⒈模拟量输入模块AI
AI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；SH1～SH8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-。
⒉RTD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I／O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，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OvationI/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5～600Ω；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12977J／h（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。
⒊模拟量输出模块AO
AO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I／O总线送到I／O模块，通过光隔离器再到每个数／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62ms～16s；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10798J／h（电压输出）和21586J／h（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O～5VDC／l～5VDC、0～10VDC、0～20mA／4～20mA；输出转换速度对应输出范围分别为10V／ms、10V／ms、2mA／ms；输出负荷对应输出范围分别为1000Ω（最大10mA）、l000Ω（最大10mA）、最大750Ω（最小0Ω）。
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）。
㈢数字量I/O模块
⒈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24～125V单端或双端（差动）数字输入。
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。
⒉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
升级会员 