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集散系统的新一代操作站和替代操作站
集散系统的操作站和替代操作站
第一节操作站的功能及它的组成
DCS完成控制任务的软件除操作系统外,分为三个部分,1),从控制器读取数据,建立标签数据库。
数据库的功能应该有联网功能、加进优化控制算法等2),显示文本和图形。
包括趋势和报警。
3),给控制器组态,包括I/O组态和控制策略组态,也可以组态显示画面。
笔者认为这三部分应该实现标准化、模块化。
操作站的功能和组成
人机界面是人与系统互通信息、交互作用的设备。
运行人员对生产过程、设备状态进行监视、判断、分析、决策和某些干预,尤其在生产过程发生故障时更需要技术人员进行干预。
运行人员和现场技术人员作出某种决策是根据来自DCS的生产过程的大量信息和设备运行的信息,同时又借助于DCS把控制信息作用于生产过程。
人机界面正是承担这种信息相互传递任务的装置。
人机界面分为操作站、工程师站、历史站和优化控制站。
其中操作站是传统DCS必需具备的。
工程师站、历史站的功能可以合并到操作站内。
历史站主要需要海量的硬盘,可以用磁盘阵列来解决。
过去由于优化控制的软件比较大,通常需用另一台机器来完成。
现在计算机的运算速度很快、内存也很大,也可以在一台机器内完成。
1,操作站的硬件
操作站由主机、供显示用的CRT(包括液晶显示、触摸屏等)、人为输入数据用的键盘、电源、记录设备(打印机、磁带机等)、信息存储设备(RAM、ROM、硬盘等)、鼠标和轨迹球、和DCS网络的接口和相关软件组成,见图6-1。
图6-1操作站的基本结构
操作站的主机是由许多总线组成的。
首先是特高速的CPU总线,然后是存储器总线,最后才是与外部设备相连的总线。
速度由高到低。
可以把与DCS网络的接口、硬盘、触摸屏和鼠标当成外部设备来处理。
2,操作站主机的软件
软件安装在操作站的主机内,包括操作系统、监控软件(也称为SCADA/HMI软件)及驱动软件。
监控软件和驱动软件的编写体系直接影响到数据上下行的快速性。
八十年代DCS的操作站的操作系统、监控软件、对控制器的驱动软件及硬件都是专用的。
都由DCS的开发商自己集成、开发的。
软件也不分成模块。
到九十年代DCS厂家开始采用通用的硬件、如DEC公司的和SUN的小型机作为操作站的主机,操作系统也分别用这两家公司的VMS和Solaris。
监控软件、对控制器的驱动软件仍然是DCS开发商的。
由于当时的历史条件,DCS开发商只能这样作。
这也给给用户一个错觉,好像DCS过程控制系统必须由DCS开发商供应整个控制系统。
即使由它形成的“信息孤岛”用户也命该如此。
其实不然。
只要这个监控软件能读写控制器的数据,速度也认为合适,并且功能也很强就可以成为操作站。
如PLC的生产厂家并不提供操作站。
如果需要,用户自己是可以增加的。
操作站的主要功能
操作站的主要功能是:
1)收集各个控制器的过程信息(模拟输入、模拟输出、开关量输入、开关量输出和控制回路),建立数据库;
2)自动检测和控制整个系统的工作状态;
3)在CRT上显示标签、动态流程图、报警综合、趋势曲线等画面。
4)各种报表的生成和打印;
5)控制方式的切换,进行某些变量的计算;
6)利用在线数据进行生产效率、能源消耗、设备寿命、成本核算等综合计算;
7),具有磁盘操作、数据库组织、显示格式编辑、程序诊断处理等功能。
美国的传统DCS系统自己开发的操作站主机的内部总线大都采用Intel的Multibus,把CPU、存储器、硬盘、软盘、打印机、CRT、鼠标、键盘都分别连在各种总线上。
Multibus是80年代的产品,目前已经有MultibusII,MultibusI很少使用。
操作站的操作台
传统DCS的操作站还有一个操作台,在操作台上有硬报警盘和冷却风扇。
把操作站主机、电源、硬盘和与DCS的接口都装在操作台内。
CRT装在操作台上。
关于是否采用操作台有不同看法,使用操作台以后,一是成本提高,二是散热差,三是由于显卡不通用,采用特殊的CRT,并且安装有点困难。
优点是中控室的布置比较整齐并可以实现报警的硬操作。
常用的操作台见图6-2(a)、(b)。
(a)是WDPF系统的操作台,(b)是N90、INFI90的操作台。
现在新型系统都不采用专用操作台。
因为现在操作站主机是普通PC机,WindowsNT或2000操作系统,以太网卡插在PC机内,控制器也有以太网口,不需要传统DCS那样的网络的专用接口,操作站的CRT直接放在桌面上,操作站主机安装在桌子下面。
报警采用软报警。
时钟由卫星时钟(GPS)校正。
键盘是PC机的通用键盘。
图6-2两种操作台(a)、(b)
键盘
关于键盘,是专用键盘好,还是通用键盘好,一直有争议。
有时,由于不小心,键盘上会溅上液体。
比如在键盘上碰翻了一瓶饮料,这时应该用蒸馏水冲洗,等干了才能使用。
有时可能还要拆开清洗。
更重要一点是,PC键盘有的功能需要用两个键按下才能实现,而专用键盘是一次到位的,键的布置也较合适,运行人员更喜欢采用。
可靠性比PC机的键盘要高的多。
另外专用键盘采用聚脂薄膜封闭式的,喝水时,即使倒上一点水也不会引发故障。
缺点是成本比通用键盘高很多。
专用键盘的聚脂薄膜下面是一组像倒扣的“碗”,作“碗”的材料延展性很好。
在手指按下时,碗下沉,与印刷电路板接触,发出信号。
正常工作100万次以上没有任何问题。
国内仿制的键盘部件已经工作5年,现在仍在服役。
图6-3是INFI90的专用键盘。
专用键盘与操作站的主机连接不仅是用导线连接,还有一些软件上的联系。
图6-3INFI90操作站专用键盘按键布置图
究竟采用那一种键盘,最好由用户选用。
各种DCS键盘的按键的布置各不相同,但结构是类似的。
图6-4是WDPF系统的专用键盘。
用于WDPFI、WDPFII系统,目前在OVATION系统仍然可以使用。
美国RS3和MOD300的键盘稍有区别。
尤其是MOD300,它不是聚脂薄膜键盘。
MAX-1000的键盘虽然不是聚脂薄膜的,但也是专用的。
国内用户由于不小心,曾几次进去水。
进水后,处理起来比较麻烦。
目前已经由国内改成聚脂薄膜的。
用户反映是比较好用。
其它传统DCS的键盘比较多的是使用聚脂薄膜的专用键盘。
关于鼠标和球标,传统DCS的球标是专用的。
有的我国的普通球标也能用,有的需要对球标内的印刷电路板稍加修改后才能用。
图6-4WDPF操作站专用键盘按键布置图
美国TI出产的CVU5000操作站,原来是与TI的可编程控制器配套的操作站。
其键盘如图6-5所示。
目前TI公司已被德国西门子兼并。
它采用聚脂薄膜的键盘。
采用专用键盘的DCS还有Fisher公司的Provox、Honewell公司TPS系统、日本横河的Centum系统等。
在新型系统中,现场更多的是使用PC键盘,但使用最多的是鼠标或触摸屏。
鼠标的损坏率很高,一年左右或更短的时间就要更换一次。
进口的鼠标外形美观,但价格也很高,在250-320USD左右。
图6-5TICVU5000专用键盘按键布置
专用键盘在各种系统中按键的安排不一样。
使用情况还是比较好的。
触摸屏
90年代中期,有的操作站使用触摸屏,市场上有许多采用不同原理制成的触摸屏。
它也是一种外设。
运行人员只要用手指接触该屏幕上的某一区域,就可以达到操作该区域显示内容的目的。
图6-6是INFI90系统的触摸屏的组成。
触摸屏是遮在CRT上的一块膜,用电缆连接到触摸屏控制器。
该控制器接收来自触摸屏表面产生的触摸屏中断信号,并将它编码后送至系统的多总线键盘模件。
触摸屏控制器是安装在多总线键盘模件上的。
每块多总线键盘模件可安装2块触摸屏控制器卡
图6-6INFI90系统触摸屏示意图
INFI90的触摸屏是美国ELO公司的产品。
这种控制器已经不生产。
触摸屏的特点是把操作与画面显示统一起来。
使操作直观化。
反面意见是现场运行人员提出用触摸屏操作比用键盘和鼠标操作,运行人员的胳膊要累的多。
关于操作站与DCS网络的接口的详细情况参见第三章。
日本的系统和美国的系统在操作站和控制器通讯原理上相差较大。
其它
传统DCS的操作站还有一个报警盘,通常是作在操作台上的。
有报警产生时,在报警盘上的灯亮。
如果新型系统仍然需要硬报警盘,应该开发Windows操作系统与硬报警盘的连接软件及提供硬报警盘的电源。
电源的提供可以参考横河的CS1000或CS3000的键盘电源。
第二节操作站的发展
DCS的早期操作站
DCS在1975年问世时,通用微机(PC)还没有推广使用。
各DCS开发厂商买不到廉价的作为DCS操作站主机的设备。
只能由DCS开发商自己开发。
各DCS的操作站的结构差别很大。
不仅操作站是如止,而且如控制器、I/O板、操作站和通讯部件,还有所有需要的软件、硬件等都是各DCS供货商自己开发,所以DCS的各部件都是专用的,成为非常封闭的系统。
DCS的用户在维护时所需备件方面总要依赖于供货商,造成DCS不仅初次投资高,维护费用也很高,并且欲读出DCS的数据也很困难,与其它工业控制用设备,如与一些分析仪表\称量系统等互联办法也不多。
DCS系统在20多年的应用中,操作站的主机变化是比较大的,硬件由专用到购买第三方的,当然随着硬件的购买也用第三方的操作系统,比如采用DEC公司的小型机VAX、ALPHA,SUN公司的SPARIC等。
80年代末、90年代初,各种系统互连的要求很迫切,另外,通用工控软件推向市场,当时它主要用于可编程序控制器(PLC)。
作为PLC的操作站。
随着通用微机和工控软件的发展,在90年代末出现了DCS通用(替代)操作站。
开发通用工控软件InTouch的Wonderware公司副总栽甚至指出:
DCS供货商的原操作站的寿命已经终结。
90年代末,DCS的开发厂商也开始采用普通微机、NT操作系统的新操作站
新型操作站和老操作站的比较
通用操作站以PC机作为硬件,微软软件平台,监控软件的特点是支持脚本语言,如VB、JAVA等,另外还支持微软的ActiveX,原来UNIX开发的一些软件零件已经成为软件图书馆,被世界所公认。
采用ActiveX以后,可以成为独立运行的程序包。
把微软的COM技术应用于编制控件当中。
传统DCS厂商开发的新操作站,虽然是PC机作为硬件,微软操作系统,监控软件是DCS厂商自己开发的。
但它都没有给出编制OPC服务器的工具。
OPC服务器必须向它购买。
目前完全开放的替代操作站,给出了编制OPC的工具。
另外,在以太网上,通用软件已经有网络套件。
应用很方便。
操作站显示的内容有过程显示,包括整个系统的所有输入、输出,回路等,根据工艺情况,把关系相对密切的参量群,将它们排列在一个画面内,采用如区域、单元、组和细目的形式显示。
回路还用棒图的形式显示,称它们为模拟图模块,一些回路调节在单个模拟图模块上进行。
根据工艺情况通过过程流程显示画面了解生产过程情况,系统流程图用于整个工艺流程或其中的一部分,用图形形象的显示如液位等变化情况。
流程图中的过程数据和实时状态随着控制器中数据的变化而变化。
在流程图中,不仅过程状态量(电机的启停、阀门的开关)的变化会引起颜色的变化,而且过程数据的颜色在某中特定条件下,也会闪烁或颜色变化,从而起到报警作用。
工艺流程图的样子随工艺对象的不同而不同。
INFI90系统的OPsCON操作站的流程图画面见图6-7。
图6-7锅炉工艺流程图
通过细目了解数据点的详细情况。
在一个比较大的系统中,一定要分区显示,在区显示中,能了解较多的过程参数。
组显示用来显示8个回路的棒图。
把相邻的回路作在一起。
细目用来显示每一个回路的棒图,显示仪表的过程变量PV、设定值SP和控制输出CO。
它可以与其它画面作在一张画面上。
组画面和细目显示CS1000的如图6-8和图6-9所示。
图6-8控制棒图的组画面
图6-9把控制回路嵌入流程图的画面
趋势显示分为实时和历史两种。
一些模拟量的参数还用趋势的形式显示。
从现在开始,显示随时间的变化情况,在系统投运前,用户可以设定时间间隔,这就是实时趋势。
实时趋势曲线见图6-10
有的DCS只提供短时间的历史趋势。
因为它需要的存储容量太大。
需要用另外一个装置来存历史数据,称它们为实时数据库。
图6-10趋势图
图6-10所示的趋势也是OPsCON操作站的趋势图。
报警显示提供给运行人员过程装置的运行情况和DCS模件的状态。
对于各种DCS来说,报警的总数量是有限制的。
报警画面见图6-11。
传统DCS操作站只有报警显示功能,没有报警管理功能。
图6-11报警图
上面介绍的四类显示的画面安排各种DCS型号不一样。
比如棒图的安排、操作回路的安排、趋势的安排、报警的安排等。
目前应用在DCS替代操作站的最多的监控软件是Intellution的iFIX软件、Wonderware的InTouch软件。
这两个软件开发了许多在以太网上的网络套件。
如生产实时数据库Ihistorain、INSQL、Web服务器等,Web是按用户多少收费的。
有一些DCS操作站为了能与Web相连,采用NetDDE,或Glance,软件,和OPC一样,都是系统互连的一种办法。
不过NetDDE消耗的资源比较多。
是比OPC更早期的产品。
Emerson公司DeltaV系统的监控软件的数据库已经有神经元网络的计算,显示是采用IFIX的显示部分。
原操作站的文本和图形的显示转换到替代操作站OPsCON的转换软件是比较优秀的。
为了节约工程时间,如果在作操作站升级改造时,可以把原来操作站的数据库在十几秒的时间内转换成新操作站的数据库。
动态流程图的图形也可以用软件转换。
这样作的话,监控软件必须要支持VB语言,才能采用许多标准控件。
如果用户希望伪三维的图形,在工控软件中有作图工具,可以重作,但工程量比较大。
有了替代操作站,DCS就有了第三方供货商。
DCS的控制部件寿命在15年以上,而人机界面在10年以下,人机界面的备件不受DCS制造厂家限制,用户可以自由选择操作站。
DCS封闭的现象完全被打破。
世界上700多种控制系统可以通过DDE、OPC协议互连主机的操作站。
这种型号的DCS能否有替代操作站涉及到操作站和下位控制器的通讯配置问题。
如果下位控制器的通讯卡连在DCS网络上,原上位操作站的通讯卡也连在DCS网络上,这时的替代操作站替代就比较彻底。
有的新型操作站支持VB语言,在作图时,可以用到许多控件。
如文件控件、图象控件、图片处理控件、数据库控件、网络控件等。
替代操作站的键盘是一个很重要的部件,替代操作站如果采用IFIX作为监控软件的话,还是强调采用专用键盘的。
键盘的按键布置可以与传统DCS的操作站键盘一致,这有利于运行人员的工作。
当然,原来的PC机键盘、触摸屏和鼠标等仍然可以配置使用。
第三节PCI总线及新型操作站
传统DCS的操作站的主机在美国大都采用Intel的多总线(MultibusI或MultibusII)。
这是美国INTEL公司80年代中期的产品。
日本和欧洲的DCS则不用这样的总线。
新型操作站把PC机作为硬件,WindowsNT或2000操作系统。
PC机采用PCI总线。
PCI总线
在开放型系统中,操作站的硬件采用PC机,微软操作系统。
目前操作站的总线要求高效、高速和智能。
PCI(PeripheralComponentInterconnect)总线是微机中处理器/存储器与外围控制部件、扩展部件的互连接口。
PCI总线规范是互连机构的协议,以及电气和机械配置的规范,是当今高性能、微机的事实上的总线标准。
Intel公司在91年联合多家公司成立了PCISIG协会,致力于促进PCI总线工业标准的建立和发展。
最早发布的1.0版本是在92年,2.2版本是在99年发布的。
PCI总线的设计是独立于处理器的。
虽然它是由Intel公司提出的,但不局限于Intel处理器,当今流行的其它处理器系列如PowerPC、SPARC以及多处理器结构的下一代处理器也可以使用PCI总线。
PCI系统如图6-12所示。
图6-12表明PCI、扩展、处理器和存储器总线间的基本关系。
由基础总线PCI总线连接北桥和南桥
北桥连接主处理器总线(Host/PCI)到基础PCI总线。
南桥连接基础PCI总线到到ISA(或EISA)总线(PCI/ISA)。
南桥还包括中断控制器、IDE控制器、USB主控制器和DMA控制器。
北桥和南桥构成芯片组。
在基础PCI总线或PCI插入卡上,可以嵌入一个或多个PCI-PCI桥。
一个芯片组可以支持多于一个北桥。
PCI总线的主要特点参见表6-1
典型的PCI设备包括已纳入IC封装内或集成于PCI扩展卡上的一套完整的周边适配器。
网络、显示或SCSI适配器是典型的例子。
在用PCI的初始阶段,许多供应商选择早已使用的,不符合PCI规范的设备作为到PCI总线的接口,这可以通过可编程逻辑阵列轻易实现。
每个符合PCI规范的设备(嵌入式器件或插卡)可以多达8个PCI功能,一个功能就是一个逻辑设备。
图6-12PCI系统
图中:
SCSIHBA(HostBusAdapter)
APIC(AdvancedProgramableInterruptController)
SuperI/O低速I/O
PCI总线不仅用于操作站,也用于控制器。
在嵌入式系统中、通常采用CompactPCI总线。
与许多总线不同,PCI总线在总线物理端点处没有终端电阻,以吸收电压变化,防止因电压变化引起的波前端在反射回总线。
相反,PCI还利用反射,它回来而且幅度加倍。
在波前端沿信号线的回程中再次通过每个设备输入,每个设备的输入救济存一个有效的逻辑电平,信号直到PCI时钟的下一个上升沿才被采样。
最后,波前端被驱动器内的低电阻所吸收。
这一方法使驱动器尺寸和浪涌电流减半。
PCI系统成本低、开放性等方面的优势,所以得到迅速普及和发展。
在开放性的控制系统中的控制器采用嵌入式的结构,衍生型CompactPCI总线。
美国的一些工业计算机制造商建立了PCI工业计算机制造协会,简称PICMG。
它是非赢利性的行业组织,它也致力于把PCI总线用于工业控制计算机系统中。
因为早期的传统DCS的操作站硬件和软件都是专用的,所以后来发展起来的计算机技术都无法用上。
新型系统的操作站是以PC机为基础的,微软操作系统,所以微软平台的软件都可以采用。
如制报表的excell、作硬盘备份的Raid(RedundantArrayofInexpensiveDisk)技术、以太网上的通信,Internet网上的TCP/IP协议。
表6-1PCI协议的特点
CompactPCI
CompactPCI规范是由PICMG(PCIindustrialComputerManufacturer’sgroup,PCI工业计算机制造商联盟)制订的,它定义了更加坚固耐用的PCI版本,用于工业和嵌入式应用。
在电气、逻辑和软件功能方面,它与PCI完全兼容。
卡件安装在支架上,并使用标准的Eurocard外形。
CompactPCI具有以下特点:
标准的Eurocard尺寸(根据IEEE1101。
1机械标准)。
HD(高密度)2mm引脚与插痤连接器(IEC认可,Bellcore认证)。
卡为垂直安装,以确保适当的散热。
良好的抗震性能。
前面板可以实现前访问IO连接器
在卡的后面由用户定义的IO引脚。
具有多个供应商的标准底板。
与标准的PCI硬件和软件器件完全兼容。
分级的电源引脚,以支持热切换卡。
每个底版8个卡槽(典型的PCI平台只有四个卡槽)。
CompactPCI与标准PCI的比较见表6-2
表6-2CompactPCI与标准PCI的比较表
项目
描述
兼容性
从软件和硬件角度讲,CompactPCI目前与2.1PCI规范完全兼容。
它还没有被更新为遵循2.2PCI规范。
无源底板环境
无有源逻辑。
连接器
由IEC917和IEC1076-4-101定义的屏蔽的。
2mm孔距,5行连接器。
有多个供应商(例如AMP,Framatome,Brundy及ERNI)可以提供这种封闭的,高密度的引脚及插座连接器。
它具有低电感、低阻抗的特点,这对PCI信号来说是至关重要的。
连接器的低阻抗将不需要的信号反射减少到最少,使CompactPCI底板能够实现最多至8个连接器,而普通PCI最多只能实现4个。
它具有一个外部的金属壳,以屏蔽RF1/EMI。
它还具有分级电源和接地引脚,以便将来能够实现热切换。
卡的数量
一个系统卡,至多七个周边卡。
卡的类型
两种Eurocard外形:
小(3U)卡和大(6U)卡。
用户定义的IO信号引脚
允许在底板与边沿连接器之间传送用户定义的IO信号。
热切换能力
将来实现。
信号组是标准PCI的超集
为非PCI功能增加了一些信号。
负责的SIG
PCIMG(PCI工业计算机制造商联盟)
模块
坚固耐用的底板,支架安装环境。
信号终止
为标准PCI增加的信号集成度和更多的槽。
原来的IDE支持
定义了两个边沿触发中断引脚,以支持第一和第二原有的IDE控制器。
有些信号在PCI中不存在,而在CompactPCI中存在,也就是说,CompactPCI信号组是PCI信号组的超集。
超集信号组参见表6-3。
表6-3CompactPCI信号组的超集
信号
描述
PRST#
按键复位。
从底板提供。
这个信号可以用于对系统卡复位,相对应地,系统卡可以有效PCI复位信号RST#对总线段复位。
系统卡必须在PRST#上提供一个上拉电阻,并负责防止信号反跳。
DEG#
电源减少信号。
DEG#可以用作电源输出。
当该信号有效时,它表示电源正开始减少其电源输出。
实现模块电源连接器的底板应将DEG#连接至底板的DEG#信号线。
FAL#
电源失败信号。
FAL#可以用作电源输出。
当该信号有效时,它表示电源失败。
实现模块电源连接器的底板应将FAL#连接到底板的FAL#信号线。
SYSEN#
系统槽使能。
一个卡可以只具有系统卡功能,或者在被安装入一个非系统槽中时,也可以具有周边卡的功能。
当一个在这两种槽中都能操作的卡被安装入一个槽中时,它使用这个来自底板的输入使能(当有效时)或禁止(当失效时)它的系统槽功能。
底板设计者应负责将SYSEN#信号在系统槽位置接地,并在周边槽SYSEN#引脚保留其断开。
卡设计者必须在SYSEN#上安装一个上拉,以保持SYSEN#当卡被安装在一个周边槽中时失效。
ENUM#
系统枚举信号。
在底板上,这个可选的漏极开路信号与总线段上的所有槽位置的P1上的ENUM#引脚在总线上连接。
它作为所有周边槽的输出,并作为向系统卡的输入。
当热切换卡刚刚被插入或拔出时,热切换卡必须立即有效ENUM#。
ENUM#用一个系统卡上的上拉电阻被终止。
当被周边卡有效时,系统卡中断处理器,使其执行中断服务路由,枚举当前被安装的周边卡,以确定是否已插入或拔出一个卡。
如果一个卡已被拔出,配置软件原来分配给这个卡的资源(如存储器范围,IO范围,中断线等)将被重新分配为空闲资源。
如果已插入一个卡,便询问该卡上的每一个PCI功能的配置首部寄存器,以确定它们的资源要求。
然后,配置软件向卡上的每个PCI功能分配资源,使能设备进行正常操作。
GA[4:
0]
地理图形寻址。
INTP和INTS
第一和第二原有的IDE中断请求线。
RAID技术
RAID(廉价磁盘冗余阵列)技术在人机界面中是很重要的技术。
特别是客户机/服务器格式的操作站,在服务器上RAID技术是常用的。
比较多的应用是RAID1,同时安装2块硬盘,中间有一块卡。
同时存数据,一块作为备用。
发生故障时硬盘已经有备份。
自动地将服务器数据拷贝存储到不同硬盘驱动器。
所有数据依然对用户是可用的。
有些阵列,驱动器甚至可能是可热交换的,也即当机器还在运行时更换故障的驱动器。
表6-4归纳了各级
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