第二节 分散控制系统的主要硬件

第二节分散控制系统的主要硬件目前，世界上生产分散控制系统的厂家众多，用途不一，推出的产品琳琅满目，各具特色。

不同的系统具有不同的设计思想，因此其硬件的结构上也有很大的差别。

就是对于一个具体的分散控制系统来说，其硬件涉及的技术范围也很广，构造也十分复杂。

所以本节从构成分散控制系统的用于电厂功能的主要三大功能硬件设备：过程控制设备、人机接口设备、系统通信设备着手，对分散控制系统的硬件功能与其结构做分析和介绍。

一、过程控制设备1。

过程控制设备的功能在分散控制系统中，过程控制设备是最基层（直接控制级）的自动化设备，它接受来自现场的各种检测仪表（如各种传感器和变送器）传送的过程信号，对过程信号进行实时的数据采集、噪声滤除、补偿运算、非线性校正、标度变换等处理，并可按要求进行累积量的计算、上下限报警以及测量值荷包径直向通信网络的传输。

同时，它也用来接受上层通信网络传来的控制指令，并根据过程控制的要求进行控制运算，输出驱动现场执行机构的葛洪控制信号，实现对生产过程的数字直接控制，满足生产中连续控制、逻辑控制、顺序控制等的需要。

过程控制设备还具有接受各种手动操作信号，实现手动操作的功能。

在分散控制系统的应用中，用于过程控制级的设备有两类品种：一是分散控制系统自身的“现场控制单元”，二是可纳入分散系统中应用的其他独立产品——可编程逻辑控制（PLC）、可编程调节器等。

一般的这些独立产品都是一些通用型的设备，通过专门的接口与分散控制系统连接，并实现其功能。

而自身的现场控制单元，是指分散控制系统与现场关系最密切，最靠近生产现场的控制装置。

是属于分散控制系统的系列产品，不同的分散控制系统生产厂家，对自己系统中的过程控制设备取有独特的名称，如基本控制器、多功能控制器等等。

表2—1列出了几个用于电厂的典型分散控制系统的过程控制设备，其名称无一相同，下面将通称为“现场控制单元”。

不同厂家的现场控制单元所采用的结构形式大致相同。

概括地说，现场控制单元是一个以微处理器为核心的、按功能要求组合的，各种电子模件的集合体，并配以机柜和电源等而形成的一个相对独立的控制装置。

表2-1 典型系统的过程控制设备2。

现场控制单元现场控制单元是面向过程、可独立运行的通用性计算机测控设备，尽管不同厂家生产的现场控制单元在结构尺寸、输入输出的点数、控制回路数目、采用的微处理器、设计的模件、实现的控制算法等各方面有所不同，但它们均是由机柜、电源、I/O通道、以微处理器为核心的功能模件等几部分组成，我们在此分析实现功能的功能模件及I/O模件。

（1）功能模件功能模件是现场控制单元的核心模件，是I/O模件的上一层智能化模件。

它通过现场控制单元的内部总线与各种I/O模件进行信息交换，实现现场的数据采集、储存、运算、控制等功能。

功能模件一般由中央处理单元CPU、只读存储器ROM、随机存储器RAM、总线等部分组成，如图2-1所示。

图2-1 功能模件的基本组成A）CPUCPU是功能模件的处理指挥中心。

它在晶振时钟、内部定时器、存储器、中断控制器的配合下，负责现场控制单元的总体运行和控制。

即按预定的周期、程序和条件对相应的信号进行处理、运算，对功能模件和其它模件进行操作控制和故障诊断。

为保证系统的可靠性，CPU常采用1：1冗余配置。

为了提高功能模件的数据处理能力，缩短工作周期，很多系统的功能模件还配有浮点运算处理器（协CPU），直接执行许多复杂的计算和先进的控制算法。

协助微处理器（主CPU）完成诸如自整定、预测控制、模糊控制以及阶梯逻辑等的结算任务，以提高主CPU的工作效率。

B）只读存储器ROM只读存储器（ROM），为功能模件的程序存储器，用来存放I/O驱动程序、数据采集程序、控制算法程序、时钟控制程序、引导程序、系统组态程序、模件测试合资诊断程序等支持系统运行的固定程序。

固化在ROM中的程序保证了系统一旦上电，CPU就能投入正常有序的工作之中。

着功能的增强，程序量的加大，ROM的容量也在不断提高。

C）随机存储器RAM随机存储器（RAM），作为功能模件的工作存储器，用来参访采集的数据、设定值、中间运算结果、报警限值、手动操作值、整定参数、控制指令等可在线修改的参数，为程序运行提供存储实时数据和计算中间变量的必要空间。

一些较先进的分散控制系统，为用户提供了在线修改组态的功能，显然这一部分用户组态应用程序必须存放在RAM中。

因此，RAM的一部分也可作为程序工作区。

RAM是一种易失性存储器，其最大的缺点是电源中断后内部所存储的信息会全部丢失，为此，工程上除了采取电源冗余措施外，还是希望有一种既可随时改写存储器内容，又可在掉电时不丢失存储内容的存储器应用于分散控制系统。

应用具有后备电池的随机存储器，对保存组态方案和重要参数、查询事故、快速恢复正常运行起着极为重要的作用。

D）模件总线功能模件上总线是该模件所有数据、地址、控制等信息的传输通道。

它将模件上的各个部分以及模件外的相关部件连接在一起，在CPU的控制和协调下使模件构成一个具有设定功能的有机整体。

一般功能模件最多可连接数百个I/O点，对应的I/O模件可能多达十个。

，而现场控制单元的机柜内每个机架上最多只能插入十几块插件。

因此，通常需将总线扩展、连接到数十个机架上，只插入I/O模件，它所使用的总线信号比功能模件（CPU）的总线信号要少，即仅提供I/O模件所必需的数据线、地址线和控制线。

E）通信接口通信接口用来实现功能模件与系统数据高速公路、冗余功能模件等的连接。

数据高速公路上的信息是以位串行方式传送的，信息格式一般由标志段（即同步信号）、地址段、数据信息段和检验段等部分组成。

而功能模件内的总线是以并行方式传送信息数据的，因此，通信接口在此具有并行数据串行化、串行数据并行化、管理编制信息的插入和删除、奇偶校验和检错等功能。

当信息由功能模件向外发送时，通信接口进行的并/串转换，同时按数据串行通信的格式要求，进行信息和附加信息的编制。

如将同步通信中的同步符号或异步通信中的启动位、停止位、奇偶校验位等插入数据信息串中。

当功能模件接受到串行信息时，同新接口对接后的串行数据串中的附加信息，然后把串行数据编制和转换成满足功能模件需求的并行数据。

在信息的传送过程中，通信接口对接受的串行数据进行奇偶校验和检错，以保证数据传送的可靠性。

在实现远距离通信时，通信接口利用调制器将数字信号调制到一定频率的载波信号上向外发送，也可利用解调器接收远距离信号，使之解调为数字信号。

通信接口与功能模件内部的数据传送一般采用直接存储器存取（DMA）传送方式，这是一种解决存储器和外设快速交换大量数据的传送方法。

DMA传送方式是存储器RAM与外设之间直接进行并行数据到串行数据双向数据传送，而无需CPU介入，它的传输率高，且大大减少CPU处理这部分数据移动的系统开销，但他受到存贮器的存贮速度的限制。

通信接口的基本功能框图如图2-2所示。

该通信接口发送或接收数据信息的整个过程，是在各控制电路（如调制/解调控制、发送/接收控制电路和DMA控制器)的控制下进行的，在一般情况下，模件总线由CPU管理，一旦外设向DMA控制器发出数据传输请求时，该通信接口将按以下基本步骤工作：1）DMA控制器向CPU发出“总线请求”信号；2）CPU收到请求信号并完成当前的指令周期后，向DMA发出“总线响应”的信号；3）CPU将模件总线的使用权让出，移交给DMA控制器管理；4）DMA控制器向提出请求的外设发出“传输应答”，允许进行数据传输；5）在DMA控制器的控制下，外设通过发送/接收器、模件总线等与存储器RAM直接进行数据传输（传输的字节数，使用的内存地址是事先对DMA控制器编程而设置的）；6）设定的字节书传送完毕，DMA控制器撤销向CPU的“总线请求”，再由CPU重新管理模件总线，进入正常工作（在“总线请求”信号变成无效之前，CPU始终不会使用模件总线）。

图2-2 通信接口基本功能框图（2）过程（I/O）模件实际生产过程中需要监视和控制的物理量、化学量非常多，在火力发电厂有温度、压力、流量、液位、压差、应力、转速、加速度、位移、振动、状态、浓度、PH值、成份、电压、电流等。

所有这些量按期随时间变化的规律可分为三类，即模拟量、开关量、脉冲量，如图2--3所示。

模拟量是指那些随时间连续变化的量。

如压力、温度等。

开关量是指指只具有两个状态的过程量，如开关的“闭合”与“断开”、设备的“投入”与“退出”，参数的“正常”与“越限”、信号的“有”与“无”等。

脉冲量是指随时间推移周期性重复出现短暂起伏的过程量，如转速测量变送器输出的信号极为某一频率的脉冲量。

图2-3 几种典型信号形式I/O模件是为分散控制系统的各种输入/输出信号提供信息通道的专用模件，是分散控制系统中种类最多、使用数量最大的一类模件。

它的基本作用是对生产现场的模拟量信号、开关量信号、脉冲量信号进行采样、转化，处理成微处理器能接受的标准数字信号，或将微处理器的运算输出结果（二进制码）转换、还原成模拟量或开关量信号，去控制现场执行机构。

因此，I/O模件是联系生产过程与微处理器的纽带和桥梁。

因为生产过程中多的物理量和化学量都可用模拟量、开关量、脉冲量中的某一种形式表现出来。

所以尽管各种分散控制系统的I/O模件众多，对应连接生产过程不同形式信号的作用需要，可归纳为模拟量输入模件、模拟量输出模件、开关量输入模件、脉冲量输入模件等几类主要模件。

按照火电机组的规模大小和功能需要，可对这些模件进行按系统需求的灵活配置。

1）模拟量输入模件一般地每个模拟量输入模件可接收4~64路模拟信号不等。

这些模拟量信号一般是传感器监测到的现场物理量或化学量，并经变送器转换而得到相应电信号。

模拟量输入模件的基本功能是：对多路输入的各种模拟电信号进行采样、滤波、放大、隔离、输入开路监测、误差补偿及必要的修正（如热电偶冷段补偿、电路性能漂移校正等）、向工程单位转化、模拟量/数字量转换。

以次提供准确可靠的数字量。

模拟量输入模件通道上的硬件一般由信号端子板、信号调理器、A/D转换器等部件组成（如图2-4所示）。

信号端子板的主要作用是用来连接输送现场模拟信号的电缆；信号调理器是对美庐模拟量输入信号进行滤波、放大、隔离、开路检测等综合处理，为A/D提供可靠的、统一的与模拟量相对应的电压信号。

为使模拟量模件具有良好的抗干扰能力，适应较强的环境噪声，每个信号通道上都串接了多级有源和无源滤波电路，且采用差动、隔离放大器，使现场信号源与分散控制系统内的各路信号有良好的绝缘。

A/D转换器是模拟量模件的核心，用来接收信号调理器送来的各路模拟信号和某些参考输入（如冷端参考输入等）。

它由多路切换开关按照CPU的指令选择某一路信号输入，并将该路模拟量输入信号转换成数字量信号送给CPU.。