集散控制50

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1、第五章 日本横河 CENTUM CS-1000系统,日本横河电机株式会社（YOKOGAWA）在多年从事自动化仪表和工业控制计算机的基础上，于1975年发表了CENTUM型分散控制系统，其后相继推出CENTUMXL、CENTUMCS、XL等系统。1997年初又推出了用于中小生产规模的操作站基于WindowsNT操作系统的CENTUM CS1000(及后来的CS3000)集散控制系统。,CS1000将DCS的性能与PC完美结合，并采用Windows NT操作系统，使其具有开放的操作环境，在PC机上实现全部集散控制系统的功能，属于新一代开放型网络控制系统。 CS1000的最大特点是： 利用通用IBM

2、PCAT兼容计算机实现操作站的功能，把集散控制系统操作站的功能用个人计算机来实现。 使用流行的WindowsNT作为操作系统成为开放式集散系统。 通过WindowsNT操作系统和传统DCS操作、监视的结合，为用户提供了友好的操作环境。,5.1 横河CS1000系统构成,CS1000系统构成见图51所示。它是由HIS操作站（最多8台）及FCS（PFCS）现场控制站（最多16个）组成。这些设备之间用冗余的VL控制总线连接，实现FCS和HIS之间数据的传输，另外，HIS操作站还可以通过以太网连接，进行数据传输。HIS操作站上可接激光打印机。,图51 CENTUM CS系统结构图,图51B CS-10

3、00系统,5.2 横河CS1000系统的通讯,CS1000系统的站间联系采用数据通信方式，如果使用总线转换器或门路单元，VL总线可以和XL，CENTUM，上位机等连接。VL总线的性能简述如下： 信道为同轴电缆，最大传送距离为185m，如果加转换器，传输距离可达16Km，如果使用光缆，加光适配器，传输距离可达20Km。 传送速度为10Mbps，最多连接23个站。 采用令牌传输方式，即将通信控制权在各站间顺序传送，而且某站出现故障时，可以旁通，这也保证了通信的可靠性。 为保证通信的可靠性，采用双重化，即线路和通信接口卡、耦合器等硬件均双重化，在软件方面有循环冗余校验（CRC）自诊断、站自动复原等功

4、能。 操作站和控制站之间进行双向通信，对于反馈控制和顺序控制实现了CRT操作的快速反应、实时性和高度的可靠性。,5.3 CS1000的人机接口单元HIS,HIS（Human Interface Station）意为人机接口单元。就是操作站。它采用惠普的通用PC机，CPU奔腾266，内存128M，硬盘2GB，带有SCSI接口的ZIP驱动器，光驱，以太网卡，CRT21寸，键盘，打印机等。 HIS的软件是以Windows NT Workstation中文版为操作系统。它可以运行各种微软公司的产品如VB、VC、Foxpro及Office系列产品。 HIS的功能体系如图52所示。可以看到，通过操作画面和

5、显示窗口的组合，操作员能方便地对生产过程进行监视、操作和控制。HIS提供的操作画面有流程图、总貌、控制组（仪表面板）、调整和趋势、报警等画面及操作指导画面。此外，HIS还具有多CRT操作的连动功能。,一、HIS的性能如下： 基于windows NT开放式接口 HIS提供动态数据交换DDE和过程控制连接嵌入OPC接口。在一个HIS上不仅可以进行生产过程及装置的操作、监视和控制，而且还可以进行各种日报、月报、年报、过程报告、报警、数据分析，以及与其他HIS的通信。 最先进的硬件技术的应用 个人计算机的技术日新月异，CPU的操作速度、扩展的内存和网络技术不断发展和提高，使得HIS变得越来越好、越来越

6、快、越来越容易操作。 分层操作 HIS所有用于操作、监视管理的窗口都是分层管理，使得诸如自上向下的窗口切换和分阶的报警管理等操作变得简单而有效。 报警优先操作 由于CS1000的HIS一直在其窗口的上方显示系统信息窗口，从而使操作者随时可以监视报警动作，一旦报警产生，无论进行何种操作，都可以通过一触式画面展开功能进入相关的报警窗口。,窗口记忆动态窗口设定功能 HIS可以把相关的窗口一个个打开，然后作为一组存储起来，不再像以往的集散系统，一次又一次地打开相关的窗口，而是一次即可调出这一组相关的窗口。见图52所示。 趋势记录功能 CS1000的HIS具有各种类型的趋势记录，例如实时趋势、批量趋势以

7、及参照趋势等，数据采样周期可以从1秒到10分钟不等。 安全性 CS1000的安全性可以避免操作错误和非权威的进入，根据区别限制使用者的操作和监视的级别，保证HIS、现场控制站以及整个生产的正常运行，而且每个使用者的权限可以定义，并很容易查询到。 用户编程环境 Visual Basic/Visual C 可以作为用户开发应用程序的语言在HIS上进行开发和研究，处理各种过程数据，建立高级控制应用功能运用在生产过程。 远程监控 HIS利用操作监视窗口，通过局域网或广域网在远处办公地占或生产管理级，对现场的生产操作情况进行监视和控制。,5.4 现场控制站FCS,现场控制站（Field Control

8、Station）简称FCS，FCS为CS1000提供过程控制功能，如常规控制、顺序控制、批量控制和复杂运算等，适合于各种工业过程。FCS由电源单元，CPU单元、VL net连接器、电池单元、电源分配卡和IO模件等组成，它接受来自现场的各种过程信号，并根据工程设定条件和HIS发出的指令完成对工业控制对象的过程控制功能，使整个生产过程被控制在最优化的状态下运行，FVS和HIS之间通过VL net总线进行信息交换，如图53所示。,图5-3,一、FCS的性能 CS1000的FCS同以往CENTUM一类的集散控制系统现场控制单元比较，有其独特的性能： 配置了冗余CPU同步热备份系统的冗余控制站； 可靠的

9、错误检测和校正记忆（ECC）； IO模件可以直接与现场信号相连，不需要任何信号转换器卡，降低了现场接线费用； 根据IO信号类型，可选择多种IO模件； 利用各种功能块进行各种功能的扩展； 根据用户的需求，有多种应用软件可供选择； 单元监督功能可应用于各种顺序控制； 符合ISAS88的批量管理功能； 全面支持符合Founation现场总线标准的数字现场总线。,二、FCS的构成 分为标准PFCS和双冗余小型PFCS。硬件配置由六部分组成： 微处理器CPU单元 其功能是实现各种控制运算； VL net连接器单元 两个双冗余的VL net安装在双冗余PFCS的CPU单元上，其功能是VL net信号的隔离

10、及电平转换； 电源分配卡接收电源输入端特定电源，并通过噪声滤波器输出到电源输出连接器； 电源单元 电源单元接收来自电源分配卡的特定电源，将其转换成所需的直流电压，分配到每个输入输出箱内的卡件和单元供电。 电池单元 当电源掉电时，利用电池单元保存CPU单元中主内存的内容，保持时间为72小时，再充电，时间为48小时。 IO模件单元 IO模件单元内插入各种IO模件，用来处理各种过程模拟信号和数字信号。,图55 标准型PFCS平面结构示意图,三、IO模件 IO模件可分成五大类，分别是模拟IO模件、继电器IO模件、多点IO模件、数字IO模件和通讯模件。 （一）模拟IO模件 模拟IO模件的功能是将来自现场

11、的模拟信号转换成现场控制站能接受的输入、输出信号，所转换的输入、输出信号的范围及类型由软件决定。分为： 电流电压输入模件：将15VDC标准信号以及来自二线制变送器的420mADC信号作为输入，进行信号转换，由于它处理的输入信号的范围广，所以非标准的输入信号也接受。,mV、热电偶和热电阻温度检测模件：接受的是来自电位差计的mV信号、热电偶信号、热电阻信号或电位计的信号，并进行信号转换。作为热电偶输入，则需要一个热电偶冷端温度补偿模件。 电流输出模件和电流电压输出模件：该模件的功能是通过信号转换变成420mADC电流或010VDC电压作为其输出信号，控制现场的执行机构，对设置成电流输出方式的，可以

12、设计成双冗余输出。 （二）端子型开关量IO模件 安装上一个IO端子箱中。 （三）插座型开关量IO模件 安装在IO插座箱中，每个箱内可安装4个IO模件。 （四）多点模拟控制IO模件 一个模件可以控制处理8个输入输出信号。安装在一个箱内的两模件可以分别控制输入输出或者冗余控制。 （五）多点IO模件 多点模件有端子型和卡件型两种形式，模件输入信号为16点的直流、直流电位差、mV、热电偶、热电阻、二线制变送器和转换器。输出420 mADC，而且IO信号的范围及类型可通过软件来设定。,四、FCS的功能 （一）标准控制功能 构成标准控制功能的基本元素称为功能块，每个功能块代表最小控制单元。一个控制系统可以

13、由这些块自由组合。在标准控制功能中，提供各种各样的功能块，如常规控制功能块、顺序控制功能块、计算功能块等，通过对功能块的组合可以实现各种简单的和复杂的控制功能。FCS的功能示意框图见图56所示。 功能块（Block） 一个功能块，即最小控制单元，根据来自输入端的输入信号，进行输入处理、控制运算及输出处理，然后由输出端输出操作运算的结果。这个过程是周期进行的。,控制画面 一组由两个或更多功能块组成的控制称为控制画面，通过分组控制简化了系统的工程和维护工作，提高了系统工程和维护的效率。同样设备或过程监视也可用控制画面分组，常规和顺序控制功能块也能用一个控制画面表示。在控制画面里，功能块的信号能随意

14、地发送和接收，图58为简单加热过程的分组控制画面。,图57 功能块的内部结构图,图57 功能块的内部结构图,（二）通讯IO功能 通讯IO功能就是利用通讯模件与PLC或其他子系统的数据通讯。通讯模件安装在现场控制站的通讯IO箱内，由通讯数据提供该标准控制功能。通讯时，将通讯程序下载到通讯模件ACM11或ACM12，ACM11采用RS232C，而ACM12采用RS485RS422。下面是所提供附加软件包与子系统接口通讯： FAM3通讯包 （ACM11和ACM12） DARWIN通讯包 （ACM11） A&B通讯包 （ACM11和ACM12） MODBUS通讯包 （ACM11和ACM12） SIEM

15、ENS通讯包 （ACM11和ACM12） MELSEC-A通讯包 （ACM11和ACM12） SYSMAC通讯包 （ACM11和ACM12）,（三）控制功能块类型 FCS有各种各样的功能块，有些功能块（加法、减法等功能块）只有单一功能，其他功能块（控制器、单元仪表等）具有多种功能，每一个功能块具有IO数据、参数、方式和状态，完成独立的控制和计算处理功能。 常规控制功能块 常规控制功能是根据输出量和参数输入量之间的偏差进行控制的功能，又称为反馈控制功能。图59是常规控制功能和其他控制功能之间的关系。 常规控制功能的实现是通过对常规控制模块的组合完成。常规控制模块是由一系列固化ROM中的标准子程序组成，具有与常规模拟仪表相同或更完善的各种功能，称之为“软仪表”或“内部仪表”，通过对这些功能模块的虚拟信号端子（IN，OUT，SET和SUB）组态，实现从一般简单控制到高级复杂控制在内的各种控制方案，满足不同的生产过程控制要求。,图59 常规控制和其他控制的关系框图,图510 串级控制结构图,常规控制功能模块分为九大类，即输入指示类、控制器类、手操器类、信号设定器类、信号限幅器类、信号选择器类，脉冲计数器类、信号分配器类和报警器类。,图511 常规控制模块的功能方框图,顺序控制功能块 顺序控制功能是CENTUM CS1000的重要控制功能之一，它可取代可编程控制器