IA Series DCS控制系统在平圩发电厂的应用

1、I/A Series DCS控制系统在平圩发电厂的应用纪更昭 陈 涛 闻德普（安徽淮南平圩发电有限责任公司 232089）摘 要：本文以单元机组为例，介绍了平圩发电厂2×600MW超临界机组I/A Series DCS控制系统的网络构成，并对其软、硬件配置、子系统划分及各部分的功能进行了讲解，为DCS系统的进一步完善提供参考。关键词：DCS I/A Series 网络拓扑 节点1 引言DCS是分散的控制系统（Distributed Control System）的简称，国内一般习惯称集散控制系统。它是由过程控制级，过程管理级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，

2、综合了4C技术，即计算机（Computer），通讯（Communication），显示CRT和控制（Control）。其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、组态方便。我们采用它实现工业控制自动化（石油、冶金、化工等），就电力来说，能够使机组安全、可靠、经济地运行。平圩发电厂#3、#4机组600MW超临界DCS控制系统采用的是Invensys的I/A Series 50智能自动化系列，I/A Series是公认的最成熟的真正的开放工业系统。2 I/A Series控制系统网络结构#3、#4机组DCS控制系统结构相同。（图1）#3机组DCS控制系统全图2.1 网络结构及功能I/A Series

3、控制系统的通讯网络是建立在国际标准化组织（ISO）所定义的开放系统互连（OSI）标准基础上的，并符合IEEE的规范。I/A Series控制系统的结构是按节点概念来构成的。物理上的节点一般由一组安装在工业机柜中的组件、操作台和现场设备组成。节点独立运行，完成与自动控制相关的功能，并可通过兼容网络与其他I/A Series或非I/A Series节点相连。平圩电厂2×600MW超临界机组I/A Series控制系统共有三个节点，即：#3节点、#4节点、公用节点，三个节点通过光纤进行通讯。通讯网络结构分成三个层次，这些通讯标准的低层通讯（物理层和逻辑层）均与制造商自动化协议（MAP）兼容

4、。公用节点总线#4机节点总线8Port Passive Star#3机节点总线LAN001接口卡LAN003接口卡LAN002接口卡载波带局域网载波带局域网工程师站/操作员站NCNI控制处理机（CP60）现场总线控制处理机（CP60）现场总线控制处理机CP60现场总线载波带局域网载波带局域网载波带局域网载波带局域网8Port Passive Star16口，100Base-FX Switch工程师站/操作员站NCNI16口，100Base-FX Switch工程师站/操作员站NCNI16口，100Base-FX Switch（图2）三层网络的示意图n 载波带局域网 (CARRIERBAND L

5、AN-CARRIERBAND LOCAL AREA NETWORK )每个节点通过载波带局域网接口卡组件与载波带局域网相连接。载波带局域网为不同节点提供高速、可选冗余的通讯。其通讯参数为：通讯规程符合：标准（MAP）。结构形式：总线结构。信号传送方式：TOKEN PASSING （令牌传送）。数据传输速率：5 Mb/s可下挂 64 个节点总线通讯传送介质：同轴电缆 1.2 km、光缆 10 km。n 节点总线（NODE BUS）节点总线为I/A Series控制系统中的各个站（控制处理机，工程师站等）之间，提供高速、冗余点到点的通讯。冗余还延伸到每个站中的节点总线接口电路。 当发送报文时，站就

6、在二个冗余总线之间作交替。如果一条总线发生故障，站的管理软件检测到故障，则在故障的总线修复前，所有要继续传送的报文，由正常工作的总线执行。除了冗余之外，节点总线接口还利用了完善的传输出错检测技术。节点总线一般使用一个奇偶位去检测每次传送的信号, 并在检测到故障后，设有数据重发的保证措施。节点总线接口使用的是一个32位错误检测码,该检测码附属在传送的信息中一起传送，以使完善地校验所有发送的报文。这样，节点总线在错误检测方面提供了重发，增强了系统的安全性和可靠性。其通讯参数为：通讯规程符合：（Ethernet 以太网）。结构形式：总线结构。信号传送方式：带冲突检测的多路送取争用总线（Carrier

7、 Sense Multiple Access With Collision Detection）。数据传输速率：10Mb/s可下挂64个站组件通讯传送介质：同轴电缆30m（不带扩展组件）。用扩展组件每次300m，可用二次。n 现场总线（FIELD BUS）现场总线向上与控制处理机（CP）进行通讯，向下与现场总线组件（FBM，即 I/O卡件）进行通讯。FBM 是现场传感器/执行器与控制处理机的接口，FBM对现场设备使用的电气输入/输出信号进行适当地转换使得通过现场总线能与这些装置通讯。现场组件可与控制处理机CP或运行I/A Series 综合控制软件的个人计算机连接。各种 FBM 与工厂中通常遇

8、到的各种现场信号相匹配。而且，由于这些组件是由软件组态的，所以它们的品种要比以前的系统少得多。例如，对各种类型的热电偶和毫伏信号只需要一种组件。 现场总线是一种单主站共用线串行数据通讯总线，使用同步通讯规范， 现场总线完全防止了一位，二位和奇数位的出错，提供了高度的安全性。其通讯参数为（CP60）：通讯规程符合：IEEE结构形式：总线结构。信号传送方式：Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection带冲突检测的多路送取争用总线。数据传输速率：10M通讯传送介质：同轴电缆184m，光缆每一对2km，总距离最大为20km。CP60通过F

9、CM(Fieldbus Communication Modules)接DIN rail FBM，每个CP最多30个FCM，每个FCM最多挂30个FBM，每个CP最多120个DIN rail FBM。 （图3）现场总路线的网络结构3 I/A Series控制系统的硬件配置及功能在I/A Series控制系统的节点主要有应用操作站处理机AW51、工作站处理机WP（Workstation Processor）、控制处理机CP（Control Processor）三种处理机以及现场总线组件FBM（Field Bus Module）、机柜、工业电源组件。3.1 应用操作站处理机（AW51）#3、#4机组

10、DCS控制系统分别配置三台AW51，公用系统配置一台AW51，AW51在I/A Series控制系统网络中的联接及位置请见图1。AW51具有的功能：AW51具有执行与显示、生产控制、用户应用程序、诊断和组态等有关的应用功能；具有开发和执行需要扩展的数据处理和文件服务能力的应用功能（Foxboro和第三方）；整理本身或来自其它站的任务所需的大容量存储文件申请；另外还提供应用开发环境，如编译软件、连接软件和文本编辑软件。AW51设计有一个小型计算机系统接口（SCSI）提供工业标准总线（ANSI标准），支持具有SCSI兼容控制器的外部设备。相连的硬盘驱动器可被组态成镜像，以达到最大的系统安全性和数据

11、的可用性。AW51具有操作站功能，在视频监视器上，产生视频信号显示图象和文字信息。除视频监视器外，连到AW51的设备可包括触摸屏幕、鼠标或球标、一个工程师键盘和一至二个组合键盘。这些可任意选择的设备提供作为命令和数据输入，显示选择和报警管理的系统。AW51 技术性能参数：· CPU为64位RISC处理机芯片· 内存512MB· 内置的软驱、硬驱、光驱· 支持XWindows和Open Look功能· Ethernet接口，可与DECnet，TCP/IP，Novell等网络相连· 可连接二台CRT· 并行接口可连接打印机或一台

12、VT100终端· 可运行历史数据库管理软件和报表软件等应用软件· 可组态成镜像硬盘3.2 工作站处理机（WP51）：#3、#4机组DCS控制系统分别配置五台WP51，WP51在I/A Series控制系统网络中的联接及位置请见图1。WP51具有的功能：WP51和与它连接的外部设备一起，在用户和所有系统功能之间提供一个界面，作为系统站和操作员之间的接口。它从处理机（CP）和其它系统站接受图形和文本信息并产生视频信号，在视频监视器上作显示。除视频监视器外，连到操作站处理机设备还可以包括触摸屏幕，鼠标或球标，工程师键盘和组合键盘。这些可任意选择的鼠标提供作为命令和数据输入，显示选

13、择和报警管理的系统。WP51技术性能参数· CPU为64位RISC处理机芯片· 内存512MB· 内置的软盘驱动器、硬盘驱动器、光驱· 支持XWindows和Open Look功能· Ethernet接口，可与DECnet，TCP/IP，Novell等网络相连· 工程师键盘 类似于标准的计算机键盘，稍稍作了一点改进· 组合键盘 又称操作员键盘，每个CRT最多可带二个操作员键盘，每个操作员键盘由告示小键盘加数字小键盘组成，二个操作员键盘中最多只能有一块数字小键盘，告示小键盘上有16个带发光二极管的按键，在工作站处理机软件的控制

14、下按过程的状态呈现发光、不发光或闪烁发光，提醒操作员把注意力转向系统的某些特定区域上去。每个按键的功能可通过报警组态指定。操作员键盘上也有报警确认键和蜂鸣器。· X-Terminal 图形终端，50系列的WP可以挂二台CRT，总共四个操作员键盘，但只能共用一个工程师键盘和鼠标，即在二个屏幕中只能看到一个老鼠，它能以你指定的方式从一个屏幕走到另一个屏幕，这样的二台CRT只能由一个操作员操作。X-Terminal使得二台CRT彻底独立，就象用了二个WP。· 并行接口可连接打印机3.3 控制处理机CP（Control Processor）#3、#4机组DCS控制系统分别配置21对

15、CP，公用系统配置3对CP，CP在I/A Series控制系统网络中的联接及位置请见图1。CP具有的功能：CP是一个可选的容错站，和与它相连的现场总线组件（FBM）一起，可按组态好的控制方案对过程进行控制。它可实现连续控制、梯型逻辑控制和顺序控制等功能。完成数据采集、检测、报警和传送信息的功能。使用久经考验的算法（执行特定功能的数字计算）控制工业过程的变量，包括EXACT（专家自适应控制整定算法）和EXACT MV（EXACT多变量控制）系列算法。这些算法包含在功能控制块中，工程师可对它们进行组态以完成要求的控制方案。CP的处理能力因芯片的型号而异，CP每过多少时间可以重复处理同一控制任务，称

16、为基本处理周期(BPC=Basic Process Cycle)，最快可定义为秒(在系统组态时定义)。它对功能块的扫描周期可以是3600秒，由功能块的组态参数定义。这些功能块可任意组合，实现常规调节控制的功能块有51种，包括：输入/输出控制，信号处理，计算和转换以及报警和限幅等五大类。实现梯形逻辑和顺序控制的模块有6种。任何CP中的任意模块的参数均可连接到其它任何CP中的任意模块上去，以构成用户所要求的控制方案。CP在电源接通时进行自检，而在工作期间执行运行时检查和监视时钟功能，在容错式控制处理机中，当检测到一个错误时，两个组件运行的内部自诊断测试，以确定哪个组件故障。CP60技术性能参数&#

17、183; CP60处理机为AMD 486 DX5-133· 内存8MB· 最多带 120 块 FBM · 最快扫描周期秒· 每秒最多处理 3400 个控制功能块3.4 现场总线组件FBMFBM可与控制处理机就地按装，也可按装在远程的地方。FBM在I/A Series控制系统网络中的联接及位置请见图3。FBM分为模拟和数字二种信号类型，每个模拟组件有8个输入输出通道，数字组件为16个通道。数字现场总线组件可执行多种功能，如事件序列监视、梯型逻辑控制和脉冲计数，具体执行某一种功能由其装载的软件决定，系统组态时应为其定义软件。对模拟信号输入，可组态其分辨率。所

18、有现场信号与控制电子线路隔离，对模拟量输入/输出信号采用变压器耦合与光电双重隔离，且每路A/D和D/A转换独立，保证故障对系统影响最小。FBM为现场传感器/执行器与冗余的现场总线之间提供了接口。这些组件对现场设备使用的电气输入/输出信号进行适当的转换，并通过现场总线与这些装置通讯。3.5 机柜及工业电源组件机柜：I/A Series控制系统的机柜内安装处理机组件、现场总线组件、电源组件、 外接线端子和插座。所有机柜通过机柜底部或顶部引入现场和电源接线的通道。工业电源组件：I/A Series的内部供电是通过IPM（工业电源组件）进行的，带隔离变压器的UPS（不间断供电电源）向I/A Serie

19、s的电源转换和分配系统提供电源。每个I/A卡件都有主、副工业电源组件供电，这就是电源的热后备。两组主供电电源可把电源分配给所有的组件，这样一个电源或任何一组件的失效将不影响节点的运行。同时， 也可用蓄电池代替其中一个主供电电源。 对于只有一个电源的安装方式， 可组态成电源组件发生故障时仍保持连续的运行。4 I/A Series控制系统的软件配置I/A Series软件采用客户机/服务器（Client/Server ）结构，该结构是建立在开放系统互连模型（OSI）上的以对象为基础的通讯结构。它允许将功能和计算能力分散在很大的地理区域内，提供了与不同制造商的计算机系统的连网能力，以及提供了适合第三

20、方工业应用的大型平台。重要软件如下：4.1 操作系统软件：IA Series 50系列操作系统为Sunsoft Solaris操作系统，它是基于UNIX系统的一种多任务操作系统，并支持多种工业标准通讯协议。该系统软件采用C和FORTRAN等高级编程语言，软件与硬件相互独立，以便软件资源的共享。其软件特点：软件的可移植性好；数据访问的安全性高；友好的人机界面；开放的开发环境；容纳第三方软件能力强。4.2 组态软件：I/A Series控制系统提供综合控制组态软件包，简化了复杂控制策略和安全系统的结构，提供连续量、顺序量、梯形逻辑控制，它们可单独或混合使用从而满足应用的需要。组态软件提供一系列不同

21、的组态程序。如系统组态程序能够为用户定义系统、网络、设备、软件和硬件的布置；环境组态可定义一些操作菜单如工程师环境、操作员环境等，主要是保护系统的安全，规定各个操作人员的工作范围：流程图显示组态是通过 Display Build组态工具来画出各个热力系统流程图并与控制参数相联接，将静态显示画面转换成与过程有交互作用的动态显示画面。4.3 编程语言：I/A Series操作系统支持C和FORTRAN编程语言，包括编译程序、链接程序、调试程序和语义检验程序。C语言完全支持所有的系统库，FORTRAN和C语言都支持目标管理程序库。4.4 目标管理程序目标管理程序是控制访问被称为目标（Object ）

22、数据单元的子系统，目标管理程序在应用与其所需的数据之间充当接口。它始终监视着目标的位置，这样用户就可以编写只用目标名字（Object Name）来访问数据的应用程序，而不必关心具体系统配置或网络位置。具体有两种类型的目标 ：控制和 I/O 目标（复合块：功能块，参数）共享目标进程（任务）设备别名（字符串）变量（整型、字符串、长整型、浮点运算和字符串）4.5 历史数据库管理软件：历史数据库管理软件采集、存储、处理和归档来自控制系统的过程数据，为趋势显示、统计过程控制(SPC)图表、记录、报表、电子表格和应用程序提供数据。该软件为过程工程师和操作员提供了广泛的数据采集、管理和显示功能。历史数据库管

23、理软件采集四种类型的数据 ：· 采样· 浓缩处理· 信息· 人工数据输入（MDE）值对于每个采样点，其采样值可保留在独立的文件中。I/A Series 50系列AW/WP可以对多达8000个过程参数作历史数据采集。采样的周期可以组态为2、4、10、20、30秒，1、2、5、10分。每个采样点最多可保存99,999,000条记录。对过程参数的历史数据还可以进行浓缩操作；可以指定被浓缩操作的过程参数；过程参数的采样周期；浓缩操作的周期；浓缩操作的操作算法，如最大、最小、平均、累计、分布度标准偏差等；浓缩数据的保留时间。已经被浓缩的数据可以进行再浓缩。当浓缩数

24、据的保留时间达到是，可以将数据归档。整个历史数据库的数据可以存到软盘或磁带上作永久保存，存在软盘和磁带上的历史数据可以被装回到系统中。历史数据库管理软件提供手段来读出被浓缩的历史数据趋势显示画面，也可以将指定参数的历史数据显示出来，并可以随意显示出历史数据和相应的时间。对历史数据的管理是采用INFORMIX关系数据库管理系统软件。INFORMIX提供的ACE报表编写软件可以方便地将浓缩数据按照用户的格式要求编写成报表。 操作员操作记录功能：在I/A Series系统中有一个类似黑匣子的软件工具，称为“操作员行为记录”，操作员的下述操作可以被记录下来：· 更改回路的工作状态和参数，如手

25、动/ 自动，本地 /远程给定，更改P，I，D参数 值，更改输出值等· 更改使用环境，如从操作员进入到工程师环境· 进入软件组态环境，如进入到控制组态，绘图环境· 操作所在的操作站名· 操作所进行的时间操作员的操作记录可以被立即直接记录在打印机上，存储在历史数据库中，供以后读出。存储在历史数据库中的操作员操作记录可以按要求打印出来。4.6 事故顺序（SOE）记录功能：SOE（Sequence of Events），即事故顺序记录。它能够精确记录和报告预先定义好的汽机、锅炉、电气重要开关量信号的状态变化，对机组的事故分析提供明确有效的线索和证据。4.7 操作

26、安全措施：在I/A Series系统范围内，“环境”是特定用户观察所连接的系统和过程的窗口。特定的环境可以与一个用户或一组用户有关，或者专属于给定的操作站，这是访问和处理系统信息安全性的第一级。改变菜单中的输入登记项从而提供了安全性的第二级，而安全的第三级是限制操作显示画面内某些目标。在I/A Series系统中，通过口令（Password）来限制访问环境。根据不同用户的权限，来设置不同的运行环境。FOXBORO提供了一套标准的环境设置，供组态中修改。5 I/A Series控制系统的子系统划分平圩发电厂2×600MW超临界机组I/A Series DCS控制系统分为FSSS、MCS 、B-SCS 、T-SCS 、ECS 、公用共6个子系统，每个子系统由各自的若干处理机（CP）控制。（图4）处理机（CP）分配· FSSS CP 4 对：CP601AA、B磨、A、B层油煤燃烧器；CP601BC、D磨，C、D 层油煤燃烧器；CP6