第2章分散控制系统-LN2000简介

1、2.1 概述LN2000系统是山东鲁能控制工程公司新近推出的一种新型的分散控制系统（DCS）。它继承和发扬了当今DCS的优点：控制功能分散、系统功能分散及显示、操作、记录、管理集中的功能，而且更注意借助世界上先进的多种技术如：计算机技术、CRT图形显示技术、数据通信技术、先进控制技术，通过技术创新，形成了系统结构合理、控制功能完善的开放的新型分散控制系统，集数据采集、过程控制、生产管理于一体，能够满足大、中小不同规模的生产过程的控制和管理需求。2.2 LN2000系统结构该系统为分散型控制系统，系统实现了分散控制、集中管理的功能，具有这类系统精度高、可靠性高、模块化结构、智能化体系的特点。系统

2、整体结构如图2-1所示。 图2-1 LN-2000系统结构2.3 LN2000系统组成2.3.1 LN2000系统的硬件组成站（Station）：在系统中，按照通信系统对通信设备的定义，通信网络中的硬件设备称为站。在LN2000系统中，有下列类型的站：过程控制站、操作员站、工程师站、历史站等。过程控制站（PS）：用于过程控制，实现物理位置相对分散、控制功能相对分散的主要硬件设备称之为过程控制站主控单元（LN-PU)：以高性能微处理器为核心，具有多种过程控制运算 和通信功能的智能模块称为主控单元（LN-PU)。I/O智能模块： I/O模块是主控单元（LN-PU)与现场生产过程之间的桥梁，主控单元

3、（LN-PU) 通过I/O模块完成过程数据采集和实现对生产过程的控制。在LN2000系统中，I/O模块是以微处理器为核心的智能模块，自行完成数据检测与处理。操作员站（OS）：用于现场的过程监视、操作、记录、报警等功能，以通用计算机为基础配置专用监控软件的计算机称为操作员站。工程师站（ES）：用于工程组态、系统调试和维护等功能。以通用计算机为基础配置专用组态工具软件的计算机称为工程师站。历史站（HS）：用于负责采集和储存生产过程的历史数据，以供形成运行报表和历史趋势曲线等功能。以通用计算机为基础配置专用工具软件的计算机称为历史站。2.3.2 LN2000系统的软件组成 LN2000系统软件包括控

4、制管理级（含工程师站ES、操作员站OS和历史站HS）软件和过程控制级（LN-PU）软件。控制管理级： 系统管理软件（STARTUP.EXE） SAMA图控制组态软件（SAMA.EXE） 系统数据库组态软件（DATABASE.EXE） 图形组态软件（GRAPHIC.EXE） 历史数据库组态软件（HISLIB.EXE） 监控软件（OPTVIEW.EXE） 报警软件（ALARM.EXE） 自检软件（SELFTEST.EXE） 趋势曲线软件（TREND.EXE） 报表管理系统（REPORT.EXE） 过程控制级： 实时多任务操作系统 算法模块-DCS厂家提供的完成特定功能的子程序 用户用组态工具生成的

5、组态文件2.4 通讯系统用于系统通信，把过程控制站、操作员站、工程师站等硬件设备连接起来，构成完整的分散控制系统，并使分散的过程数据和管理数据实现共享的软硬件结构称为通信系统。LN2000 系统应用当今流行的通信协议及网络结构，构成了系统的通讯网络。该通信网络具有两层，如图2-2所示。上层为高速以太网（S-net)，是操作员站、工程师站及过程控制站间的信息通路。下层为目前在工业控制领域迅速发展，且具有广泛应用前途的现场总线网(C-net)，作为LN-PU与I/O模块间的通讯网络。 2.4.1 以太网通讯 系统的上层网络采用以太网(Ethernet) 作为站间通讯网络，网络标准符合IEEE802

6、.3,通讯协议采用TCP/IP协议标准，通讯速度为100Mbps。Ethernet网络采用CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect 即带冲突检测的载波监听多路访问）传输控制技术，在网上节点较少，通讯负荷低时，CSMA/CD的响应时间反而比其他传输控制技术更快，因而每个站都有良好的实时性。 本系统网络的拓扑结构为星型网络，每站点通过双绞线连接到网络交换机，工程师站、操作员站到机柜的距离较长，与机柜内HUB的连接采用带屏蔽的五类网线；总线型Ethernet的网络结构接口简单，总线扩展、站点的扩充十分容易，维护方便。 为保证站间的数

7、据传输的可靠性，系统Ethernet采用两个独立总线网，各站同时挂在两个网上，当运行网出现故障时，系统将自动判断故障性质，并切换到备用网，保持站间通信的畅通。以太网技术以太网(Ethernet) 是一种计算机局域网组网技术，其标准网络结构为总线型。随着以太网交换技术的发展，总线型的以太网逐渐演变成星型结构，即将原来的传输介质占用方式由共享变成了独占。交换式以太网的中央节点是一个交换机(Switch Hub),这种网络结构的变化解决了传输介质资源的占用冲突问题，提高了网络速度和使用效率，带来的问题是网络中出现了中央节点，降低了可靠性，一般需要使用冗余技术保证可靠性。 2. LN2000系统中使用

8、的通信技术为防止通信通道的堵塞，保证通信传输的畅通和提高网络的通信效率，在Symphony通信系统中，使用了两种有效的通信技术，即：例外报告技术、信息打包技术。例外报告技术-减少不必要的信息传输。所谓例外报告是指一个数据点超出指定的参数时产生的数据更新。其技术主要涉及三项基本要素：例外报告死区用RD表示。功能：用来判定信息是否发生了显著变化。 发生：产生例外报告；没发生：不产生例外报告用途：减少不必要的信息传输。最小例外报告时间用tmin表示。功能：划定一个不产生例外报告的时间间隔，在此间隔内，即使是信息发 生了显著变化，也不产生报告，用途：减少在网络中重复传递已明了的信息，以防网络阻塞。最大

9、例外报告时间用tmax表示。功能：划定一个产产生例外报告的时间间隔，在此间隔内，即使是信息没 有发生显著变化，也要产生报告，用途：反映惯性较大的信息，使长期不发生显著变化的信息也有发言权， 以表明自己的状态。 高/低报警限(High/Low Alarm Limits) 当数据在超出或返回到高低报警限时，均应及时产生例外报告。注意；报警限、RD、Tmin、Tmax的参数应根据生产工艺要求而设计，并且要考虑到系统的响应特性。另外，在每次产生例外报告后，RD会自动整体平移，形成RD的新位置。例外报告技术示意如图2-3所示。 图2-3例外报告技术示意图对例外报告的含义可以这样理解：自上次报告数据的时刻

10、开始计时，规定一个最小例外报告时间Tmin; 一个最大例外报告时间Tmax。在最小例外报告时间内，信号的变化不被报告。在达到最小报告时间的时刻，及其以后的时间内，如果信号的值与上次报告的值其变化量超过时，则信号的值报告。如果在Tmax之内信号的值，始终未超过时，则仅在Tmax时刻发出报告，并重新开始计时。任何时刻信号达到报警值或从报警值回到正常值之时，不受时间限制都要发出相应的报告。但是对报警的报告要划定死区，以避免在信号值处于信号报警限附近时，可能出现的反复报警报告。实际上，例外报告所描述的是发生变化的数据，并且变化越大、越快，相对来讲产出的报告就越多，就相当于建立起一个自由活动的监视器。哪

11、里的变量变化大就往哪里看，变得快，看的越细，得到的报告就越多。从采样的观点来理解例外报告的产生过程，可以把这种采样的扫描方式看成是变周期式采样，并且周期的变化与信号的变化相一致，从而提高了信息的利用效率。减少了不必要的信息传输。信息打包技术-提高信息传输效率。所谓打包技术就是把去同一地址的所有信息压缩在一起，使用一个标题帧把信息发送出去的专有技术。信息压缩又可理解为信息打包。传输的信息格式规定为两帧式。其中第一帧为标题帧，第二帧为信息帧，并且两帧之间有一定的间隔。所谓信息包就是以上所讲的两帧格式所含有的内容。在一个信包中，两帧所描述的内容是不相同的。标题帧内包括：目的地址，各种安全校验措施-传

12、输要求。信息帧内包括：系统运行中需要和产生的各种有关数据，所以这一帧才是信包的核心-传输内容。3. LN2000 系统 IP地址分配LN2000 系统的实时通信网包括互为冗余的A网和B网，各站点同时挂在 A网和B网上。A网和B网的网段基址的前两段一样，第三段B网比A网大1，例如A网网段基址为“202,206，212，”，则B网段的网段基址为“202,206,213.”。A网网段基址在系统数据库组态软件中设置，B网的网段基址自动判断。以下假设 A 网网段基址为“202,206,212.” B 网网段基址为“202,206,213.”过程控制站IP: 过程控制站最多有49个，各站的IP地址的末位设

13、置与站号一样，其冗余站的IP地址的末位为站号加50。过程站的IP地址分配如表2-1所示。上位站IP： 上位站主要指工程师站和操作员站等，各站的IP地址的末位为站号加100，例如1号工程师站和3号操作员站的IP地址分配如表2-2所示。2.4.2 CAN网通讯 LN2000 系统的第二层网络为现场总线网CAN （Control Area Network），过程单元（LN-PU 也称主控制器)与智能I/O子模块之间的通讯就是通过这层网络完成的。一对主控制器和它所管理的智能I/O子模块的通信速率必须一致。该网的传输介质用带胶皮护套的屏蔽双绞线。智能I/O模块通过模块上的拨码开关来决定模块在CAN网上的

14、地址，编址范围为1-63。本层网同样为冗余配置的总线型结构，具有扩展容易、可靠性高等优点。 本系统采用的现场总线网为CAN（Control Area Network）网，是目前较为成熟且十分流行的现场总线网之一。有如下特点： 网络节点可分成不同优先级，以满足不同的实时要求。 网络通讯距离最远为10Km（5Kbps）。 采用短帧结构，每帧有效字节数为8个，这样传输时间短，受干扰概率低， 网络响应快。 网络有较强的检错及纠错功能，可靠性较高。 通讯介质可采用普通双绞线，线路造价低。模块地址和通信速率通过模块内的拨码开关SW1设置。SW1有8位拨码开关，SW1的1-6位用于设置模块地址，SW1的7-

15、8位用于设置模块的通信速率。模块的通信速率和通信距离有关，CAN通信的速率和距离的关系见表2-3，CAN通信的最高速率为1Mbit/s，在一般情况下，提供给用户的通过拨码开关设置的通信速率为4档：20、40、250、500k,如果这4档通信速率不能满足需要，用户可根据现场实际通信距离提出更改要求。SW1的7-8位为智能模块通信速率设置开关，图2-4所示为拨码开关位置与通信速率的对应关系。 表2-3 CAN通信的速率和距离的关系位速率（位速率（bit/s) 1M500K250K125K100K50K20K10K5K最大总线长度40m130m270m530m620m1.3km3.3km6.7km10km图2-4 通信速率设置2.5 LN2000系统信号流程 LN2000系统信号流程如图2-5所示。现场各种物理量通过一次测量仪表或变送器转换为电量信号，电量信号使用信号电缆接到DCS控制机柜的端子单元；经专用端子单元电缆接到输入型过程通道（I/O子模件），输入型过程通道把模拟量信号转换为数字量；数字量再经I/O总线传至主控制器； 然后主控制器将实时数据通过系统网络传送到操作员站、工程师站，以供监控。（数据采集） 然后主控制器按组态要求进行控制运算，得出控制输出值，控制输出值经I/O总线送输出型过程通道（I/O子模件），输出型过程通