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1、DCS硬件系统原理、指标、试验和应用,1,谢谢观赏,2019-5-9,课程目标,本课程结束后，应达到下列目标：基本了解DCS硬件系统的组成和原理熟悉DCS硬件系统各主要模块的技术指标了解DCS硬件指标的试验和测试方法初步了解DCS硬件系统的工程应用设计初步了解DCS硬件系统的可靠性和完全性减小或消除DCS用户和制造商之间的信息不对称性,课程建议,少看书少记录多建议多怀疑课上交流清楚，课后一身轻松。,内容提纲,DCS硬件组成主控制器AI设备AO设备DI设备SOE设备DO设备,PI设备电源设备控制网络设备系统网络设备组态与人机接口DCS硬件可靠性与安全性,典型DCS系统的硬件体系结构,通讯介质转换
2、,控制网络,系统网络,Distributed&Decentralized,DCS硬件体系发展趋势,逻辑分布:即传统DCS中“D”的含义Distributed.地域分散:现场总线分布式I/O构成的DCS的“D”的还应增加一层含义Decentralized.满足现状：4-20mA模拟仪表仍占主流连通未来：现场总线智能仪表开始缓慢增长开放性：主控制器可以挂接其它开放的I/O系统，I/O模块也可以挂接到其它开放的主控制器上。开放性是制造商对用户的责任，它将在未来节省用户大量的后续投资。,过程控制器的发展趋势：独立于I/O存在,物理结构：可独立安装上行网络：以太网一统天下下行网络：支持多种主流的现场总线
3、控制软件：向上独立于HMI，向下独立于I/O采集通讯协议：可同时支持多种通讯链路混合应用：兼顾流程工业和离散制造业特点HMI接口：可支持其它商用的HMI软件编程语言：IEC61131-3标准操作系统：微内核实时操作系统,随着用户对DCS的深入了解，单纯以主频来评价控制器的时代过去了。,过程控制I/O的发展趋势：2S,智能化（Smarter)：不仅是加单片机支持现场总线，可节省电缆。支持开放协议，易于集成。支持软件设定，免跳线，避免更换模块时误操作。自诊断，便于维护。小型化（Smaller)：不仅是减小尺寸抛弃专用机笼，适合现场安装。一般采用导轨安装方式模块化、全封闭、小尺寸结构热插拔，且插拔方
4、便低功耗集成更多的功能,Smarter&Smaller,操作层设备：紧跟主流商用机,商用机的可靠性已经满足大多数场合的需要工控机的采购量在缩小专用计算机已经没有市场甚至操作层计算机可由用户自行选购,鉴于上述原因，对操作层设备不再介绍。我们需要关注的重点是：I/O和控制器,主控制器（Main Control Unit）,MCU各部件的功能,CPU系统网络接口控制网络接口固态盘SRAM电池冗余控制电路电源电路,冗余分类：DMR与TMR,模块1,模块2,模块1,模块2,模块3,双模冗余DMRDual Module Redundancy,三模冗余TMRTriple Module Redundancy,
5、冗余分类：同构冗余与异构冗余,用不同的物理实现原理来构建冗余个体。目的：防止共因故障。,冗余分类：备用式冗余与表决式冗余,模块1,模块2,模块1,模块2,表决器,选择器,状态,指令,指令,输出,输出,指令,指令,输入,输入,备用式冗余Backup Redundancy,表决式冗余Voting Redundancy,备用式冗余的三种方式,冷备用（Cold Backup）温备用（Warm Backup）热备用（Hot Backup）,双模和三模表决冗余(DMR&TMR),模块1,模块2,表决器,输出,模块1,模块2,表决器,输出,模块3,双模表决冗余（2取2系统）（2 out of 2）（2oo2
6、）,三模表决冗余（3取2系统）（2 out of 3）（2oo3）,主备双模表决冗余系统,模块3,模块4,表决器,B输出,模块1,模块2,表决器,A输出,输出互锁选择器,输出,A机,B机,互锁信号,互锁信号,主,备,备用式冗余系统的关键性能：无扰切换,什么是无扰切换？理论上如何保证无扰切换：时间相关量处理数据周期拷贝法运算周期同步法,表决冗余的关键：故障安全,什么是故障安全（Failsafe）？如何实现故障安全冗余：硬件冗余、软件冗余、信息冗余、时间冗余。表决同步重构诊断避错检错纠错重试重启,故障安全准则（1）,（1）每个安全性相关的模块必须经过充分的分析和测试。（2）每个安全相关功能，应该冗
7、余运行（推荐）。（3）如果软件的正确性不能得到证明，必须由两个以上的多样性设计版本冗余运行。（4）在合适的时间内，应周期性进行软件数据正确性检查。（5）每个程序模块在执行前和执行后都应检查确保前导模块和后续模块的顺序确实正确。（6）采用双份存储、AA和55分别表示逻辑1和0等信息冗余措施，保证安全变量存储的完整性。（7）所有安全相关的数值，不能由人工输入。（8）通过读写测试，保证RAM的正确性。,故障安全准则（2）,（9）通过校验码测试，保证ROM的正确性。（10）推荐采取措施，保证CPU指令执行的完整性（针对多字节指令）。（11）通过比较，保证时钟和定时器的正确性。（12）采用校验码等措施，
8、保证通讯链路的正确性。（13）保证系统中断执行过程的完整性。（14）在重要的校验过程中使用的定时器，（15）必须采用WDT防止程序进入死循环或停止运行。（16）CPU死机不会导致危险侧输出。,故障安全准则（3）,（17）所有关系到系统安全的变量应在数据结构中明确其安全侧取值和危险侧取值。（18）在所有的条件判断语句中，应选择危险侧变量来判别。（19）同一工艺环节的联锁逻辑不宜分散到各站中运行。（20）系统检测到失效时，必须严格导向安全侧（如果停机是安全的，则必须停机）。（21）任何硬件故障必须立即得到反映，不能造成故障积累而发生事故。（22）金属膜电阻不考虑阻值减小，电感不考虑消失，双IC电路
9、不考虑同时损坏。,主控制器（MCU）的指标,CPU及外围芯片（Pentium，越高越好？）容量速度负荷率实时性功耗,DCS的系统容量,机柜容量电源容量网络容量主控容量计算DCS系统容量时，必须同时满足上述限制条件,主控制器容量,程序容量网络容量,主控制器容量：程序容量,程序容量一般用控制方案页数量来大致描述，它由固态盘容量、SRAM容量和内存容量决定。,网络容量的基本概念：波特率,波特率(Baud Rate)也称位速率，是描述通讯线路上位流（0/1流）速度的指标。波特率定义：波特率等于一段连续的比特流的比特数除以该比特流的持续时间。波特率的单位：bits/s(比特每秒），即Bits per S
10、econd,缩写为bps,网络容量的基本概念：吞吐率,网络吞吐率用于衡量计算机能通过网络接收或发送数据信息的最快速度。网络吞吐率的定义：单位时间片内计算机能接收或发送位信息的数量。网络吞吐率的单位：一般也为bps,网络容量：波特率与吞吐率的关系,吞吐率一般小于波特率：多任务计算机一般不能处理连续位流丢包或包冲突重发降低有效速率,T,T,吞吐率,波特率,非连续位流,连续位流,0/1位流,线路空闲,0/1位流,主控制器网络容量计算,先明确4个基本配置参数：T1:设定的主控制器与IO通讯的时间（秒）B1:该主控制器与IO通讯的位流量（位）T2:设定的主控制器与其它站通讯的时间（秒）B2:该主控制器与
11、其它站通讯的位流量（位）要求：B1/T1 控制网吞吐率*0.4 控制网波特率*0.4B2/T2 系统网吞吐率*0.4 控制网波特率*0.4,主控制器速度：控制周期,什么是控制周期？单一控制周期与复合控制周期控制周期根据工艺要求确定，当控制周期在200mS以下时，数字控制系统的采样延迟导致对控制品质的影响可忽略不计，即数字系统几乎可以等价于模拟系统。对于大多数工艺过程，500mS或1S的控制周期就完全满足要求。最短控制周期由主芯片速度、程序量和通讯量以及应用程序效率决定。,主控制器负荷率（Load Rate）,负荷率定义,控制周期,控制周期空闲时间,负荷率=,x 100%,实时性（Real-ti
12、me)：基本定义,实时性的概念不准确的理解：实时就是“快”。正确的理解：在预先设定的时间内完成规定的任务能力。如果在一定条件下能确保在预先设定的时间内完成规定的任务，系统就可称为确定性系统，这是确定性实时（Deterministic)。与确定性系统相对（不能确保）的是非确定性（Non-deterministic)系统。,实时性（Real-time)：相关定义,硬实时（Hard real-time):确定性（Deterministic)实时的同义词。软实时（Soft real-time):非确定性实时的同义词。,确定性实时和非确定性实时的对比,tA,确定性实时,非确定实时,延迟,deadline
13、,概率,tmin,tmax,tdl,tA,deadline,tmin,tmax,tdl,无边界!,在正常运行条件及可恢复故障条件下，任务延迟超过最后期限（deadline)的概率为零。,有边界!,概率,延迟,在正常运行条件及可恢复故障条件下，任务延迟超过最后期限（deadline)的概率很小，但不为零。,实时性：典型任务的响应时间要求,200 ms:,操作人员的手感（接近硬接线般的感觉）,10 ms:,流程工业中的事件分辨率（但目前很多招标书都要求2ms),1 s:,操作员站画面上的数据刷新速度,3 s:,操作员站画面翻页速度,1 s:,控制器执行一个加法运算的典型时间,10 s:,控制器执行
14、一个PID运算的典型时间,30 s:,通讯信号传输9km的时间延迟（信号速度30万公里/秒）,100 s:,多任务实时系统任务切换时间,200 s:,从实时数据库（内存）中访问获取一个数据对象的时间,1 ms:,在两个任务之间通过邮箱发送消息的时间,2 ms:,在局域网中发送一个报文的时间,50 ms:,控制器中通讯任务的执行时间,什么情况下需要确定性实时？,滚筒式印刷机：在手工清洗过程中，操作人员右手持毛巾清洗转动的滚筒，左手按下“转动”按钮，当毛巾被卡住时，左手立即送开“转动”按钮，滚筒必须在0.5s内停止转动，否则,紧急停止,实时性的例子：滚筒印刷机信号延迟,控制台处理（周期40ms),
15、紧急按钮,IBS(2 ms,500 kbps),IBS-M,BA,DIO,MCU,LBA,Display,IO总线,IBS-S,IO,loop,BA,AIO,MCU,LBA,IO,IO,IO,IO,IO,IO,IO,主控制器（控制周期30ms),马达控制(周期40ms),系统总线(1.5 Mbps,32 ms),控制台总线(1.5 Mbps,32 ms),马达控制,安全控制器,SERCOS总线(4 ms),从紧急按钮到马达的总延迟:2+30+32+40+32+40+4=180 ms!,IBS(2 ms,500 kbps),冗余IO,实时性：信号延迟的后果,很多安全系统按反逻辑优先运行：即优先要
16、求条件不成立时系统倒向安全状态。比如前面的印刷机就是按钮“按下”转动，而不会设计成弹起按钮转动。马达控制要求对“紧急按钮未按下”这一状态最迟3 x 180=540 ms刷新一次检测，其中360ms作为连续两次通讯失败的保留时间，第三次通讯必须成功，如果第三次通讯仍不成功，系统将无条件停止马达。超过规定条件的信号延迟将会导致误报警，从而使系统停运（一般来说，可接受的误报警停车每年最多1-2次）。因此，控制信号的延迟将对系统的下列2个重要性能带来影响：安全性可用性,实时性：确定性与通讯延迟的关系,通讯主站,轮询周期,时间 ms,1,2,3,4,5,6,1,2,3,4,5,6,1,2,3,4,5,6
17、,响应时间,概率,决不允许通讯延迟超过规定时间，否则停车。,1,2,3,4,5,6,举例:设每轮询周期丢包的概率=0.001,三次发送均失败的概率=10-9,设硬件故障的概率也在10-9量级，则三次发送失败就停机是合理的。,TD,轮询周期,AI信号的输入处理过程,Analog Input-AI,双积分型A/D转换器,双积分型A/D转换器波形,逐次比较型A/D转换器,逐次比较型A/D转换逼近过程,Sigma-Delta型A/D转换器,Sigma-Delta型A/D转换原理,AI的几种输入型式,单端输入(Single Ended Input)共地型单端输入共参考点单端输入差分输入(Differen
18、tial Input)非通道隔离型差分输入通道间隔离型差分输入,精度,精密度（Precision)：表示测量结果的随机（偶然）误差的大小正确度(Correctness)：表示测量结果的系统误差大小准确度(Accuracy)：是系统误差和随机误差的综合表示测量结果阈真值的一致程度,也称精确度或精度。,图(c)：精确度(准确度)较高，即精密度和正确度都较高。,图(a)：正确度较高、精密度较差,图(b)：精密度较高、正确度较差,引用误差,定义：满量程内的最大绝对误差除以满量程。GB/T 13283-91 工业过程测量和控制用检测仪表和显示仪表精确度等级,真值,测量值,实际测量分布值,理想测量值分布,
19、满量程点（Full ScaleF.S.),Emax,引用误差=,F.S.,Emax,x 100%,常见的引用误差等级有0.1%,0.2%,0.5%，分别简称为0.1级，0.2级，0.5级仪表或设备。,精度是仪表多因素的综合体现,温度漂移时间漂移抗干扰能力分辨率灵敏度稳定时间（响应时间）带宽,分辨率,分辨率（Resolution):测量装置能感知和区分的最小变化量，通常以A/D转换器的位数和量程表示，比如用12位量程为0-5V的A/D，其分辨率为：5V/4096=1.22mV,分辨率,采样数据最低位所代表的模拟量的值Nbit:8bit/12bit/16bit电压表示：输入范围/2n举例：假如10
20、V的输入信号用12位数据来表示，则最小可分辨的电压为10/212=0.224mV,灵敏度（Sensitivity),灵敏度 Sn（或 K）Sn 的定义是输出增量与输入增量的比值。即,图 1灵敏度,灵敏度 Sn（或 K）Sn 的定义是输出增量与输入增量的比值。即,纯线性传感器灵敏 度为常数。非线性传感器灵敏 度S n与x有关。,有的厂家将灵敏度定义为测量死区，比如测量装置只有信号大于15mV才能测量时，称其灵敏度为15mV。,稳定度,稳定度（Stability):分为短时间稳定度（Short-time Stability)和长时间稳定度（Long-time Stability)。短时间稳定度：对
21、于同一被测量值，测量值的波动范围（即最大值减最小值）与量程之比。通常以百分比表示。长时间稳定度：对于同一被测量值，相隔较长时间（比如说1年）用同一测量装置进行测量，其误差漂移量与时间之比。通常单位为ppm/年。,温度漂移,温漂量纲：ppm/C,即百万分之一每摄氏度温度变化可能导致的误差增大=温度变化量*温漂指标。例：在环境温度25C条件下标称引用误差为0.1%的仪表，如果其温漂指标为100ppm/C,则当环境温度变化到35C时，其引用误差将可能达到:0.1%+(35-25)*100*10-6=0.2%,输入阻抗,AI输入电路的输入端等效阻抗。过低的输入阻抗将导致输入电压信号在信号源端的压降增大
22、到不可忽略。一般要求100K以上.,IEC61131-2对AI输入阻抗的要求,AI的隔离:为何需要隔离,现场设备电气烧毁时不殃及DCS设备；现场设备对DCS系统之间存在高压时不损坏DCS设备；限制DCS局部故障或损坏的扩散化；切断现场设备接地点对DCS系统接地点间因地电位差形成的地环电流，该地环电流导致AI设备输入端存在高共模电压，影响测量精度。,（1）,AI隔离的程度,路间隔离：每个信号通道之间电气隔离，并都控制网络隔离。模块与模块间隔离：AI模块之间隔离，并都控制网络隔离，但同一模块内的各通道之间不隔离。一列模块与另一列模块隔离：比方说这5个模块与那5个模块之间隔离，且所有模块都与控制网络
23、隔离，但同一列的5个模块之间不隔离。站与站之间隔离：两个主控制站（一般装在不同的机柜中）之间隔离，但站内设备之间不隔离。现场输入与DCS系统隔离：所有现场设备之间不隔离，但都与控制网络隔离。,哪些信号需要隔离,四线制420mA变送器：由于变送器自身有电源，并且可能在现场端接地，所以需要路间隔离。05V/0-10V信号：信号源自身提供电源，在现场端也可能接地或与别的系统连接，需要路间隔离。现场接地型热电偶：热端与外壳接触，而外壳又接地，这种热电偶很少，需要路间隔离。非接地型热电偶：在热偶中占绝对多数，不需要路间隔离。热电阻：不需要路间隔离。两线制420mA变送器：其电源为DCS系统提供，所以变送
24、器内部电路不接地，不需要路间隔离。交流采样信号：必须用互感器（电流互感器CT和电压互感器PT）在前端隔离.,AI的隔离技术,隔离放大器隔离(在信号调理阶段隔离,传统的模拟仪表常用的方法)变压器隔离型放大器电容隔离型放大器(飞越电容或集成型放大器)线性光耦隔离型放大器数字光耦隔离(转化为数字量后隔离,数字式智能仪表常用的方法)隔离电压：一般以交流有效值表示，如500Vrms.过低的隔离电压将导致高压击穿。,变压器隔离型放大器,电容隔离型放大器,Capacitor Isolation,ISO124,线性光偶隔离型放大器,Vout=(R2/R1)*Vin,Linear Optocoupler Iso
25、lation,三种模拟信号隔离放大器比较,AI隔离技术:在数字部分隔离,每路设置独立的A/D在A/D后将数字量采用光偶隔离.,共模和差模干扰,在工业应用中，共模电压是个经常存在的威胁。通常需要测量含有大的共模成份的微弱差模信号。这些远距离信号和内部固有的50Hz/60Hz的电网干扰往往对测量造成相当的困难。直流共模信号的进入也会形成干扰。电网工频信号以差模形式叠加到输入信号，也会形成干扰。,共模和差模干扰信号,Vi,Vic,Vo+Voc,Vi,Vin,Vo+Von,Vic:直流或50Hz交流共模输入,被测信号,被测信号,50Hz差模信号,Vo:被测信号的输出值Voc:共模干扰的输出值,Vo:被
26、测信号的输出值Von:差模干扰的输出值,共模干扰,差模干扰(串模干扰),抑制比的含义,“一群坏人堵在大门口，有多少会混进去？”1000个坏人堵在大门口，有1个人混进去，则抑制比=1000：1，用分贝表示就是20log1000=60dB（也就是说有千分之一混进去）；如果1000个坏人中有10人混进去，抑制比=1000：10，用分贝表示就是20log（1000/10）=40dB（也就是说有百分之一混进去）。共模抑制比或差模抑制比的含义与上述比喻类似，只是“坏人”的定义不一样而已。,共模抑制比CMRR,共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio):用于衡量信号放大处理环节衰减
27、共模信号的能力。理想放大器：差模信号放大，共模输入信号的输出为零。实际放大器：共模输入信号的输出不为零，等效为有一定的差模输入信号,二者之比即为CMRR.实际计算时注意正弦信号峰峰值、峰值、有效值间关系,Kd:差模放大倍数，即通道增益。Kc:共模放大倍数Vic:共模输入峰值，设Vic为50Hz正弦信号Voc:共模输出峰值Voc/Kd:共模输入Vic等效的差模输入，所以CMRR值表征了共模“抑制”能力。Vicrms:Vic的有效值Vocpp:Voc的峰峰值,提高CMRR的有效方法,采用仪表放大器(Instrumentation Amplifier)理想仪表放大器的CMRR=无穷大.,仪表放大器的
28、差模放大倍数和共模抑制比,CMRR的物理含义,CMRR衡量了系统对共模信号转换为等效差模信号的衰减程度：Vd:等效差模输入信号Vc:输入共模信号假如CMRR=120dB，共模信号为5V，则其相当于引入了5/10（120/20）=5/1000000=5uV的差模干扰输入信号。,CMRR的测试,JB/T 92701999：工业控制微型计算机系统过程输入输出通道模板试验检查方法 直流共模施加AI设备最高可允许的直流共模电压，而被测差模信号施加半满量程值.交流共模输入CMRR测量，仅对隔离型AI设备有意义，在现场地与系统地之间施加频率为50Hz，有效值为标称隔离耐压值（比如500Vrms）的正弦共模信
29、号，而差模信号为AI半满量程值，测量AI设备的输出波动的峰峰值，然后按前面的CMRR定义公式计算出CMRR.,差模抑制比NMRR,实际上，在电子学的教科书中是没有差模抑制比（Normal Mode Rejection Ratio)这一提法的，因为对于一般仪表系统，50Hz的差模信号不能被定性为干扰信号。但在实际应用中，我们往往需要将串联叠加到输入端的电网工频信号（50Hz或60Hz)定义为干扰信号。仿照CMRR的定义和物理意义，工业测量领域定义了NMRR，用于衡量系统对50Hz/60Hz差模信号的抑制能力。,Kd:直流差模放大倍数，即通道增益。Kn:50Hz差模信号放大倍数Vi:50Hz差模输
30、入峰值Vo:输出波动交流峰值Vo/Kd:50Hz输入Vi等效的有效差模输入，NMRR值表征了差模“抑制”能力。Virms:Vi的有效值Vopp:Vo的峰峰值,NMRR的物理意义,NMRR衡量了系统对50Hz输入差模干扰信号转的衰减程度：Vd:衰减后进入系统的差模信号Vn:输入的50Hz差模信号假如NMRR=60dB，50Hz差模信号峰值为5V，则5/10（60/20）=5/1000=5mV的差模干扰进入了系统。没有滤波器的测量系统，NMRR为零。1阶滤波约贡献20dB NMRR，60dB需要3阶以上滤波。,提高NMRR的方法:滤波,滤波器阶数与NMRR关系,没有滤波器的测量系统，NMRR为零.
31、配备1阶低通滤波器的AI设备，NMRR最多可以做到20dB.配备2阶低通滤波器后最多可以做到40dB.要想将NMRR做到60dB，需要3阶以上的滤波器.如果要想有效滤除50Hz信号，即使设计了3阶低通滤波器，其截止频率（3dB点）也必须在5Hz以内，才能保证在50Hz（5Hz的10倍频）处衰减达到60dB。所以，在DCS系统中，AI的采样率不需要做得很高，10Hz以上就可以了.更高要求的滤波器是梳状滤波器,专门滤50Hz的倍频.,NMRR的测量,JB/T 92701999：工业控制微型计算机系统过程输入输出通道模板试验检查方法 用信号发生器产生50Hz的差模正弦信号，通过1：1变压器耦合叠加到
32、被测量的信号中或直接叠加（只要信号发生器的输出可以与被测信号串联），被测差模信号为量程的一半。通过测量输出的波动峰峰值，然后计算出NMRR。,IEC61131-2要求制造商提供的AO指标(3),AO的工程应用,驱动负载不要高于AO设备的带负载能力。关键控制回路应考虑选择冗余AO。,开关量输入（DI：Digital Input),DI的触点型式,机械开关（干接点）电子开关电平接点,DI的查询电压,24VDC48VDC220VAC220VDC,DI的电路结构型式,共地（Sinking）：电流从开关流出，进入DI板后返回到地（对DI设备来说是Sourcing）。共源（Sourcing）：电流从DI板流出，经开关触点流到地（对DI设备来说是Sinking）。,DI的阈值电平,逻辑1（State 1）：表示接点闭合的状态。逻辑0（State 0）：表示接点断开的状态。模糊区（Transition Area）：无法确定其逻辑值的过渡区。,IEC61131-2关于DI阈值电平的规定,DI的去抖动（De-bouncing）,DI的去抖动的方法,硬件去抖动软件去抖动：去抖动时间（415ms）,
