第10章-计算机控制系统设计

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1、第10章 计算机控制系统设计10.1 基于现场总线与工业以太网的新型 DCS控制系统的设计10.1.1 新型DCS控制系统概述n新型DCS控制系统的总体结构如图10-1所示。图10-1 新型DCS控制系统的总体结构nDCS现场控制层是整个新型DCS控制系统的核心部分，控 制卡处于监控管理层与现场控制层内测控板卡之间的位置 ，是整个DCS的通信枢纽和控制核心。控制卡的功能主要 集中在通信和控制两个方面，通信方面需要确定系统的通 信方式，构建系统的通信网络，满足通信方面的速率、可 靠性和实时性等要求；控制方面需要确定系统的应用场合 、控制规模、系统的容量和控制速度等。具体而言，控制 卡应满足如下要

2、求。n1通信网络的要求n 控制卡与监控管理层之间的通信：控制卡与监控管理 层之间通信的下行数据包括测控板卡及通道的配置信息、 直接控制输出信息、控制算法的新建及修改信息等等，上 行数据包括测控板卡的采样信息、控制算法的执行信息以 及控制卡和测控板卡的故障信息等等。由于控制卡与监控 管理层之间的通信信息量较大，且对通信速率有一定的要 求，所以选择以太网作为与监控层的通信网络。同时，为 提高通信的可靠性，对以太网通信网络做冗余处理，采用 两条并行的以太网通信网路构建与监控管理层的通信网络 。n 控制卡与测控板卡之间的通信：控制卡与测控板卡之 间的通信信息包括测控板卡及通道的组态信息、通道的采 样信

3、息、来自上位机和控制卡控制算法的输出控制信息， 以及测控板卡的状态和故障信息等等。由于DCS控制站内 的测控板卡是已经开发好的模块，且固定采用现场总线 CAN进行通信，所以与控制站内的测控板卡间的通信采用 现场总线CAN进行。同样为提高通信的可靠性需对通信网 络做一定的冗余处理，但测控板卡上只有一个CAN收发器 ，无法设计为并行冗余的通信网络。对此，将单一的CAN 通信网络设计为双向的环形通信网络，这样可以有效避免 通信线断线对整个通信网络的影响。 n2控制功能的要求n 系统的点容量：为满足系统的通用性要求，系统必须 允许接入多种类型的信号，目前的测控板卡类型共有7种 ，分别是8通道模拟量输入

4、板卡（支持010mA、420mA 电流信号，05V、15V电压信号）、4通道模拟量输出 板卡（支持010mA、420mA电流信号）、8通道热电阻 输入板卡（支持Pt100、Cu100、Cu50共3种类型的热电 阻信号）、8通道热电偶输入板卡（支持B型、E型、J型 、K型、R型、S型、T型共7种类型的热电偶信号）、16 通道开关量输入板卡（支持无源类型开关信号）、16通道 开关量输出板卡（支持继电器类型信号）、8通道脉冲量 输入板卡（支持脉冲累计型和频率型两种类型的数字信号 ）。 n这7种类型测控板卡的信号可以概括为4类：模拟量输入信 号（AI）、数字量输入信号（DI）、模拟量输出信号（ AO）

5、、数字量输出信号（DO）。n在板卡数量方面，本系统要求可以支持4个机笼，64个测 控板卡。根据前述各种类型的测控板卡的通道数可以计算 出本系统需要支持的点数：512个模拟输入点、256个模 拟输出点、1024个数字输入点和1024个数字输出点。点 容量直接影响到本系统的运算速度和存储空间。n 系统的控制回路容量：系统的控制功能可以经过通信 网络由上位机直接控制输出装置完成，但更重要的控制功 能则由控制站的控制卡自动执行。自动控制功能由控制站 控制卡执行由控制回路构成的控制算法来实现。设计要求 本系统可以支持255个由功能框图编译产生的控制回路， 包括PID、串级控制等复杂控制回路。控制回路的容

6、量同 样直接影响到本系统的运算速度和存储空间。 n 控制算法的解析及存储：以功能框图形式表示的控制 算法（即控制回路）通过以太网下载到控制卡时，并不是 一种可以直接执行的状态，需要控制卡对其进行解析。而 且系统要求控制算法支持在线修改操作，且掉电后控制算 法信息不丢失，在重新上电后可以加载原有的控制算法继 续执行。这要求控制卡必须自备一套解析软件，能够正确 解析以功能框图形式表示的控制算法，还要拥有一个具有 掉电数据保护功能的存储装置，并且能够以有效的形式对 控制算法进行存储。 n 系统的控制周期：系统要在一个控制周期内完成现场 采样信号的索要和控制算法的执行。本系统要满足1秒的 控制周期要求

7、，这要求本系统的处理器要有足够快的运算 速度，与底层测控板卡间的通信要有足够高的通信速率和 高效的通信算法。n3系统可靠性的要求n 双机冗余配置：为增加系统的可靠性，提高平均无故 障时间，要求本系统的控制装置要做到冗余配置，并且冗 余双机要工作在热备状态。n考虑到目前本系统所处DCS控制站中机笼的固定设计格式 及对故障切换时间的要求，本系统中将采用主从式双机热 备方式。这要求两台控制装置必须具有自主判定主从身份 的机制，而且为满足热备的工作要求，两台控制装置间必 须要有一条通信通道完成两台装置间的信息交互和同步操 作。n 故障情况下的切换时间要求：处于主从式双机热备状 态下的两台控制装置，不但

8、要运行自己的应用，还要监测 对方的工作状态，在对方出现故障时能够及时发现并接管 对方的工作，保证整个系统的连续工作。本系统要求从对 方控制装置出现故障到发现故障和接管对方的工作不得超 过1秒。此要求涉及双机间的故障检测方式和故障判断算 法。n4其它方面的要求n 双电源冗余供电：系统工作的基础是电源，电源的稳 定性对系统正常工作至关重要，而且现在的工业生产装置 都是工作在连续不间断状态，因此，供电电源必须要满足 这一要求。所以，控制卡要求供电电源冗余配置，双线同 时供电。n 故障记录与故障报告：为了提高系统的可靠性，不仅 要提高平均无故障时间，而且要缩短平均故障修复时间， 这要求系统要在第一时间

9、发现故障并向上位机报告故障情 况。当底层测控板卡或通道出现故障时，在控制卡向测控 板卡索要采样数据时，测控板卡会优先回送故障信息。所 以，控制卡必须能及时地发现测控板卡或通道的故障及故 障恢复情况。而且，构成控制卡的冗余双机间的状态监测 机制也要完成对对方控制装置的故障及故障恢复情况的监 测。本系统要求在出现故障及故障恢复时，控制卡必须能 够及时主动地向上位机报告此情况。这要求控制卡在与监 控管理层上位机间的通信方面，不仅仅是被动的接收上位 机的命令，而且要具有主动联系上位机并报错的功能。而 且，在进行故障信息记录时，要求加盖时间戳，这就要求 控制卡中必须要有实时时钟。n 人机接口要求：工作情

10、况下的控制卡必须要有一定的 状态指示，以方便工作人员判定系统的工作状态，其中包 括与监控管理层上位机的通信状态指示、与测控板卡的通 信状态指示、控制装置的主从身份指示、控制装置的故障 指示等等。这要求控制卡必须要对外提供相应的指示灯指 示系统的工作状态。10.1.2 现场控制站的组成n新型DCS控制系统分为3个层：监控管理层、现场控制层 、现场仪表层。其中监控管理层由工程师站和操作员站构 成，也可以只有一个工程师站，工程师站兼有操作员站的 职能。现场控制层由主从控制卡和测控板卡构成，其中控 制卡和测控板卡全部安装在机笼内部。现场仪表层由配电 板和提供各种信号的仪表构成。控制站包括现场控制层和

11、现场仪表层。一套DCS系统可以包含几个控制站，包含2 个控制站的DCS系统结构图如图10-2所示。图10-2 包含2个控制站的DCS系统结构图n现场控制层由控制卡和测控板卡组成，根据需要控制卡可 以是冗余配置的主控制卡和从控制卡，也可以只有主控制 卡。测控板卡也是根据具体的需要进行安装配置。n目前，1个控制站中最多有4个机笼，64个测控板卡（即图 10-2中的“n”最大为64）。1个机笼中共有18个卡槽，2个 控制卡卡槽用于安装主从控制卡，16个测控板卡卡槽用于 安装各种测控板卡。1个控制站中只有其中一个机笼中安 装有控制卡，其他机笼中只有测控板卡，控制卡的卡槽空 置，不安装任何板卡。每个机笼

12、内的测控板卡根据需要进 行安装，数量任意，但最多只能安装16个。安装有主从控 制卡的满载机笼如图10-3所示。图10-3 安装有主从控制卡的满载机笼n每个机笼都有自己的地址设定位，地址并不是在出厂时设 定好的，而是由机笼内背板上的跳线帽设定，每次安装配 置时都必须进行地址设定，机笼中的16个测控板卡的卡槽 也都有自己的地址。n每种类型的测控板卡都有相对应的配电板，配电板不可混 用。各种测控板卡允许输入和输出的信号类型如表10-1所 示。表10-1 各种测控板卡允许输入和输出的信号类型10.1.3 新型DCS控制系统通信网络n通信方面，上位机与控制卡间的通信方式为以太网，实现 与工程师站、操作员

13、的通信，这也是上位机与控制卡之间 唯一的通信方式；控制卡与底层测控板卡间的通信方式为 通过现场总线CAN实现与底层测控板卡的通信，这也是控 制卡与测控板卡之间唯一的通信方式。n为了增加通信的可靠性，对通信网络做了冗余处理。上位 机与控制卡之间的以太网通信网络由两路以太网网络构成 ，这两路网络相互独立，都可独立完成控制卡与上位机之 间的通信任务，这两路网络也可同时使用。控制卡与测控 板卡之间的CAN通信网络由控制卡上的两个CAN收发器构 成非闭合环形通信网络，可有效解决通信线断线造成的断 线处后方测控板卡无法通信的问题。新型DCS控制系统通 信网络如图10-4所示。图10-4 新型DCS控制系统

14、通信网络n控制卡与上位机之间的以太网通信网络除了需要网线外， 还需要一台集线器。将上位机和控制卡的所有网络接口全 部接入集线器。以太网实际连接网络如图10-5所示。图10-5 以太网实际连接网络n在图10-5中只画出了工程师站，没有画操作员站，操作员 站的连接与工程师站类似。集线器可选择是否接入外网， 接入外网可以实现更多的上位机对控制卡的访问。但接入 外网会导致网络上的数据量增加，影响对控制卡的访问， 降低通信网络的实时性。n双CAN组建的非闭合环形通信网络主要是为了应对通信线 断线对系统通信造成的影响。在只有一个CAN收发器组建 的单向通信网络中，当通信线出现断线时，便失去了与断 线处后方

15、测控板卡的联系。双CAN组建的环形通信网络可 以实现双向通信，当通信线出现断线时，之前的正向通信 已经无法与断线处后方的测控板卡联系，此时改换反向通 信，便可以实现与断线处后方测控板卡的通信。双CAN组 建的非闭合环形通信网络原理图如图10-6所示。图10-6 双CAN组建的非闭合环形通信网络原理图n采用双CAN组建的环形通信网络，要求对通信队列中的测 控板卡进行排序，按地址由小到大排列。约定与小地址测 控板卡临近的CAN节点为CAN1，与大地址测控板卡临近 的CAN节点为CAN2。在进行通信时，首先由CAN1发起 通信，按地址由小到大的顺序进行轮询，当发现通信线断 线时，改由CAN2执行通信

16、功能，CAN2按地址由大到小 的顺序进行轮询，直到线位置结束。实际的双CAN网络连 线图如图10-7所示。图10-7 双CAN网络连线图10.1.4 新型DCS控制系统控制卡的硬件设计n控制卡的主要功能是通信中转和控制算法运算，是整个 DCS现场控制站的核心。控制卡可以作为通信中转设备实 现上位机对底层信号的检测和控制，也可以脱离上位机独 立运行，执行上位机之前下载的控制方法。当然，在上位 机存在时控制卡也可以自动执行控制方案。n通信方面，控制卡通过现场总线CAN实现与底层测控板卡 的通信，通过以太网实现与上层工程师站、操作员的通信 。n系统规模方面，控制卡默认采用最大系统规模运行，即4 个机笼，64个测控板卡和255个控制回路。系统以最大规 模运行，除了会占用一定的RAM空间外，并不会影响系统 的速度和性能。255个控制回路运行所需RAM空间大约 500K，外扩的SRAM有4MB的空间，控制回路仍有一定 的扩充裕量。n1控制卡的硬件组成n控制卡以ST公司生产的ARM Cortex-M4微控制器 STM32F407ZG为核心，