XDPS400分散型控制系统.doc

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1、 XDPS-400分散控制系统 1 简介新华控制工程有限公司分散控制系统XDPS 是一个融计算机、网络、数据库、信息技术和自动控制技术为一体的工业信息技术系列产品。XDPS是英语XINHUA Distributed Processing System的缩写，中文含义为新华分布处理系统。系统的开放式结构、模块化设计技术、合理的软硬件功能配置和易于扩展的特点，已广泛用于电站的分散控制、电厂调度和管理信息系统、变电站监控、电网自动化、钢铁企业的高炉监控、化工企业的过程自动化和造纸厂过程自动化。图 1 XDPS系统结构图图 1 XDPS 系统结构图 2 技术说明 2.1系统结构 图 2是XDPS-40

2、0的一个典型应用示意图。XDPS 在构成应用系统时，分布式处理单元DPU可根据I/O规模大小决定机柜数量，人机接口站MMI可根据用户操作的不同决定配置的数量与规格。图 2 XDPS400典型应用示意图 2.2 技术特点及引用的规范和标准2.2.1 特点XDPS 系列的最大特点是系统的开放性，硬件、软件与通讯都采用了国际标准或主流工业产品，构成开放的工业控制系统。硬件-硬件跟随计算机发展潮流。人机接口（MMI）采用标准工业PC机，分布处理单元DPU采用标准工业PC总线结构。软件-Windows系统软件，以及基于Windows 实时多任务操作系统RMX-X。方便直观的符合IEC-1131-3的DP

3、U图形组态软件、图形显示、报表、控制、记录统计的生成工具软件。通讯-采用成熟的计算机网络通讯技术，构成高速的冗余实时数据网，符合IEEE802.3标准，通讯速率10Mbps/100Mbps。显示-高分辨率显示，分辨率12801024或16001200。窗口显示及三维空间的显示画面。一体化-通过以太网（Ethernet）与其它信息网络联接，从工业生产过程控制、测量、生产管理信息一体化。汉化-全汉化显示、支持中英文显示界面。网络-实时数据网（A网、B网）冗余网络，传递实时数据，支持1250个网络节点。信息数据网（C网）实现数据库文件与打印共享，传递系统非实时性文件信息。容量-分布实时数据库，对网上

4、各节点透明，全局数据容量达64000点模拟量，64000点开关量。实时性-1秒内可更新所有全局点，1秒内调出任何图形显示，50ms的控制周期。灵活-除可接新华公司的I/O模块外，通过标准的通讯协议(如DNP3.0、Modbus、SC1801等)，还可接其它常用的I/O系统、各种PLC、厂级MIS和其它控制系统。发展-硬件与软件跟随国际工业主流产品同步发展。功能-集过程控制、顺序控制、数据监视和记录于一体。可靠性-系统经可靠性设计，采用冗余技术，容错技术，双路电源供电，保证系统MTBF小时。备件-标准化与系列化，备件种类大大减少。维护-通道级的自诊断程序，CRT自动报警与显示，可实现快速带电更换

5、，MTTR5Min。 接地-系统要求单独接地，接地电阻2.5欧姆。2.2.2 引用的规范和标准(1) 通用标准美国防火协会（NFPA）ANSI/NFPA 70国家电气规范ANSI/NFPA8502多燃烧器锅炉炉膛防内爆和外爆ANSI/NFPA8503制粉系统的安装及运行美国电气和电子工程师协会（IEEE）EIA RS-232-C数据终端设备与使用串行二进制数据进行数据交换的数据通讯设备之间的接口美国仪器仪表学会（ISA）ISA IPTS 68热电偶换算表ISA RP55.1数字处理计算机硬件测试美国科学仪器制造商协会（SAMA）SAMA PMS 22.1仪表和控制系统功能图表示法美国电气制造商

6、协会（NEMA）ANSI/NEMA ICS4工业控制设备和系统的端子排ANSI/NEMA ICS6工业控制设备和系统外壳ANSI/NEMA ICS2工业控制装置、控制器及组件的标准美国保险商实验室（UL）UL 1413电视用阴极射线管的防内爆UL 44橡胶导线、电缆的安全标准国际电工委员会（IEC）IEC TC529 基础安全标准：外壳防护等级的分类AWS 美国焊接学会ICEA 绝缘电缆工程师协会NEPB 美国国家环保局NEC 美国国家电气标准HEI 热交换协会ISO 国际标准化组织TCP/IP 网络通讯协议IEEE 802 局域网标准中国标准GBG-RK-95-51 火力发电厂分散控制系统技

7、术规范G-RK-98-54 火力发电厂汽轮机控制系统技术规范ANSI/ASME TDP-1-1985 电站蒸汽轮机防进水保护措施DL/T 609-1996 300MW级汽轮机运行导则DL/T 656-1998 火力发电厂汽轮机控制系统在线验收测试规程DL/T 657-1998 火力发电厂模拟量控制系统在线验收测试规程DL/T 658-1998 火力发电厂顺序控制系统在线验收测试规程DL/T 659-1998火力发电厂分散控制系统在线验收测试规程DL/T 589-1996火力发电厂燃煤电站锅炉的热工检测控制技术导则DL/T 655-1998 火力发电厂锅炉炉膛安全监控系统在线验收测试规程DL50

8、02/3-91 电力系统调度自动化设计技术规程GB/T 13729-92 远动终端通用技术条件GB/T 15153.1-1998 电源与EMC标准GB/T 15153-94 远动设备及系统工作条件环境与电源IEC688（92） 交流电量变换为模拟电量或数字量的电气测量送器IEC 61334 系列 配电网自动化系统结构(2) 网络通讯IEEE802.3/IEEE802.3n 电站电子工程师协 以太网工作组IEC60870-5 国际电工委员会远动设备及系统传输规约IEC61158 现场总线技术标准IEC61850 变电站通信和系统(3) 软件工程GB/T 11457-95 软件工程术站IEC-11

9、31-3 图形在可编程逻辑控制语言标准GB/T15532-95 软件单元测试规范GB/T12504-90 软件质量保证规范GB/T16680-96 软件文档管理规范 3 硬件结构 3.1 整机结构 系统硬件结构可分为现场控制机柜(DPU柜和端子柜)和人机接口站(MMI)及通讯电缆等几部分。人机接口站(MMI)的硬件主要是工控PC工作站与操作台，此部分将在后面章节中单独介绍。在XDPS 系统中，现场控制柜的硬件非常重要，它直接关系到整个系统的安全性。现场控制柜中主要有电源、主控计算机、I/O功能模块、I/O信号调理端子板等。图3是XDPS 现场控制机柜的外观图。图 3 XDPS 现场控制柜外观图

10、 3.2 机柜 XDPS 采用的机柜如图 4，它是按国际标准制作，尺寸为700mm700mm2235mm，具有通用、容量大和方便灵活等特点。机柜主要分成两种形式：一种主要安装DPU、IO导轨箱与卡件、直流电源组件、交流进线配电箱等，简称控制柜；另一种主要用于安装各类信号调理端子板和用于现场电缆的接线，简称端子柜。两种机柜外型尺寸与外观完全一样，只是内部结构不同。图 4 机柜的外观图 3.3 分布式处理单元DPU 分布式处理单元DPU是XDPS 过程控制站，存储系统信息和过程控制策略与数据。它包括：现场总线的通讯与控制、实时网络(Data Highway)的数据交换、过程控制逻辑与回路调节算法的

11、计算执行等功能。DPU、实时网络及现场总线都是冗余配置。图 5是DPU的外形图。图 5 XDPS-400分布式处理单元DPU的外形图 3.4 IO卡件 I/O卡件完成现场数据的实时采集与控制输出。所有的I/O卡件都必须插入I/O卡件专用导轨箱内才能工作。导轨箱后背有总线插槽，卡件的电源和通讯由总线完成，I/O现场信号的输入与输出也从板后的插座转接后引出。I/O卡件与BC卡之间以并行总线方式通讯，BC卡与DPU之间以BitBus或Ethernet进行通讯，站控制卡(BC)承担通讯中转和卡件管理的工作。图 6是I/O模块插在导轨箱内的情形。图 6 导轨箱内插入I/O卡件后的情形 3.5 系统电源组

12、件 XDPS 系统直流电源可分成内电源与外电源两大部分。内电源是供机柜内计算机系统的电源，由两部分组成：一组供DPU，电压为+5V/+12V/-12V；另一组供导轨箱内的I/O卡件，电压为+5V/+15V/-15V 或24V。外电源是供信号调理端子板及外部变送器的电源：一组供模拟量信号调理及外部变送器，电压为+24V；另一组专供开关量查询，电压为+48V。（开关量查询电压也可用24V） 直流电源都是按冗余要求配置，可在线维护与替换，而且内电源与外电源在电气上相互隔离。图 7是冗余配置的直流电源组外观图。图 7 冗余配置电源外观图 3.6 柜内配电箱 现场控制柜以单相工频交流电源供电，额定电压为

13、220V，电压允许范围在180V-260V之内。电源采用冗余配置，即双路供电：两路独立单相电源，同时接入配电箱，经内部切换后再送至各直流电源组件的输入端。配电箱的另一作用是提供现场的维修电源。图 8是配电箱的外观图。图 8 电源进线配电箱外观图 4 技术性能 4.1 XDPS 分散控制系统已由机组级控制发展到全厂级的监控管理系统 4.1.1 XDPS 分散控制系统是开放工业控制系统XDPS由高速实时数据网络和连接在网上的人机接口站MMI与分散处理单元DPU三大部分组成，DPU面向被控对象，进行快速数据输入输出处理和闭环控制计算，完成报警检测、接收操作指令和组态修改指令。MMI包括操作员站OPU

14、、工程师站ENG、历史数据站HSU、计算站CAC。面向操作员以流程图、棒状图、曲线、表格、按钮、对话框等方式提供数据，解释操作指令并达到DPU。通过MMI 操作员和工程师可对监控过程进行干预和修改，还可在网上任一台打印机上打印任何所需资料。MMI还能完成数据记录统计功能。XDPS广泛采用国际标准，产品符合国际标准化组织（ISO）提出的开放系统互连（OSI）参考模型系统，允许将其它制造厂家的产品纳入自己的系统，也考虑到把将来新开发的新设备纳入到XDPS中来。 硬件：系统操作员站、工程师站通用的工业PC机。 软件：采用Windows通用软件平台。 软件与硬件独立发展，不会因硬件更新而使所用的软件失

15、效。 以太网协议的开放通讯结构，采用IEEE802.3标准，支持企业决策管理及其它通讯网络、PLC及现场设备。 4.1.2 XDPS 分散控制系统已由机组级发展到全厂级的监控管理系统，DCS与SIS融为一体由XDPS组成的DCS控制系统已广泛应用于电力、钢铁、石油、造纸、配电网等不同生产过程的实时控制层。在电力系统使用的DCS系统包括了单元机组的实时控制网络和辅助系统的控制网络，是属于电厂机组级的DCS控制系统。目前我国电厂的全厂监控自动化水平，厂级值班人员（值长）对全厂各台机组的监视、指挥方式并未随单元机组控制水平的提高得到同步发展。国内多数电厂的运行监控方式仍停留在机组级和辅助系统级自动化

16、阶段。新华控制工程有限公司为提高全厂监控自动化水平，能满足高层次的生产管理需要，已将DCS系统由原来的机组级发展为全厂级，DCS系统是电厂监控系统SIS中的一个站。底层实时控制系统DCS可以看作SIS系统中的虚拟的过程处理单元即虚拟DPU。DCS与SIS的结构相同，融为一体。 4.1.3 XDPS 分散控制系统的网络结构XDPS 系统的通讯网络是建立在国际标准化组织（ISO）提出的开放系统互连（OSI）标准基础上，符合IEEE规范和TCP/IP协议。XDPS的系统网络分为机组级DCS网络和厂级监控信息网络，DCS网分为实时数据网与信息数据网二部分，均采用以太网。（1）SIS厂级监控信息网XDP

17、S的SIS厂级监控信息网连接SIS系统中各底层的实时控制系统DCS及高层的MMI，如值长站、计算站、负荷分配站、通讯网关、Web服务器等。SIS厂级监控信息网采用以太网。通讯协议：IEEE802.3通讯速率：100Mbps通讯介质：光纤（2）DCS实时数据网XDPS的DCS实时数据网连接分散处理单元DPU、操作员站OPU、工程师站ENG、历史数据站HSU等不同的节点。高速传递实时数据、组态信息、控制指令。DCS实时数据网采用1：1冗余结构。1：1冗余通讯接口卡，设计了传输出错检测技术，任何一条网络故障都不会影响通讯，增强了系统的安全性与可靠性。 通讯协议IEEE802.3广播方式。 通讯速率1

18、0Mbps/100Mbps。 通讯介质无源同轴电缆、双绞线或光纤。 支持250个节点。 节点间距离100米-40公里。 全局实时数据库容量：64000点模拟量，64000开关量。（3）DCS信息数据网XDPS的DCS信息数据网，单网配置，连接操作员站OPU、工程师站ENG、历史数据站HSU等节点。为MMI担任快速高效的信息传递通道，用于机组级文件及打印共享。 (4) I/O网络分布处理单元DPU的I/O站，通过I/O网络与DPU相连，I/O网络采用高速串行总线BITBUS或以太网Ethenet传递实时数据及控制操作指令。软件检错与纠错增加了系统的可靠性。 1：1冗余的工业控制网络 DPU、I/

19、O站接口卡冗余配置 命令/响应方式，主从结构 BITBUS通讯速率375K2Mbps，EIARS-485规范；以太网通信速率 10 Mbps 通讯接口光电隔离 通讯介质，双绞屏蔽电缆 节点可达250个 分布式测控，最大分布距离 40公里 支持远程I/0 4.2 过程控制单元（冗余DPU） 4.2.1 DPU 主控制器型号CPU为： 32位 Intel 奔腾主频为：233MHz能完成不同复杂程度的调节控制和数据采集功能，并提供了与数据高速公路及I/O子系统的接口。控制柜与端子柜之间为肩并肩布置方式，以方便检修。 4.2.2 过程 I/O XDPS 的I/O卡件是带CPU的智能型输入/输出卡件。卡

20、件的类型有模拟量输入卡AI、模拟输出卡AO、数字量输入卡DI，开关量输出卡DO、脉冲量输入卡PI、脉冲量计数卡SMC、回路控制卡LC、伺放控制卡LCS、站控制卡BC、网络型站控制卡BCnet、转速测量卡MCP、高速采样卡MCPOPC、伺服阀控制VCC、超速控制和超速保护卡OPC、逻辑保护卡LPC、备用电源自投保护卡BZT、同期控制卡SYN等。XDPS400 I/O卡件采用SMT工艺，电磁兼容性通过国际权威测试机构ITS公司CEEMC认证测试，并取得证书。 XDPS 的远程I/O和过程I/O卡件是同一系列卡件，能用于2060的环境。电磁兼容性C-EMC认证(1) 电磁干扰 符合EN500812

21、1993 工业环境 通用干扰标准(2) 静电放电 符合IEC6100042 1995 静电放电抗扰度试验(3) 抗瞬间变化 符合IEC6100044 1995 电快速瞬变脉冲抗扰度试验(4) 抗浪涌性 符合IEC6100045 1995 浪涌抗扰度试验(5) 抗空间电磁辐射 符合IEC6100043 1995 射频电磁场辐射抗扰度试验(6) 抗电网注入电流 符合IEC6100046 1996 射频场感应的传导骚扰抗扰度试验(7) 电压暂降和短时中断 符合IEC61000-4-11 1994 电压暂降短时中断和电压变化抗扰度试验 XDPS I/O卡件主要技术数据类型通道信号范围模拟量输入AI8-

22、16电流420mA 热电偶5050mV电压010V，55V，热电阻PT100，PT50，Cu50数字量输入DI/SOE32干触点/晶体管/BCD码输入软件消抖动处理，作SOE时分辨率0.2V旋转编码器相位信号输入脉冲量计数卡SMC41Hz50KHz回路控制卡LC双回路，每个回路接模拟后备手操器数字量输出4路 继电器触点NC/NO输出DC30V/2A模拟量输入8路 420mA/010V/-5+5V模拟量输出2路 420mA/15V数字量输入2路 干触点/晶体管输入/采样电压24V或48V伺服控制卡LC-S双回路，可接开关后备手操器模拟量输入8路420mA/010V/-5+5V模拟量输出2路420

23、mA/15V数字量输入2路，干触点/晶体管输入/采样电压24V或48V数字量输出6路，其中4路可直接作为伺服放大输出测速卡MCP， SDP418000r/minVpp0.2V,30齿/37齿/60齿可选高速采样卡 MCPOPC11000Hz4095Hz伺服阀控制卡VCC，VPC一个伺服阀模拟量输入2路 位移传感器直接波形输入模拟量输出1路 040mA/-40+40mA数字量输入8路 干触点/晶体管输入/采样电压24VDEH TV/GV/IV 手/自动逻辑MEH LP/HP 手/自动逻辑通讯控制卡BC可冗余RS485物理接口2M BPSBitBus通讯方式网络通讯卡 BCnet可冗余以太网IEE

24、E802.3备用电源控制卡 BZT12+10数字量输入 12 路数字量输出 10 路汽轮机逻辑保护卡 LPC三选二数字量输入 24 路数字量输出 6 路汽轮机超速控制与保护卡 OPC三选二数字量输入 8 路数字量输出 2 路同期控制卡SYN检同期 同步发电机并网8路PT交流量输入100VAC/50Hz8路DI 查询电压 24V12路DO 4.3 人机接口 4.3.1 操作员站采用 Pentium III工控机，主频为550MHz，128M内存、10GB硬盘，CRT分辨率为12801024，配置CD-ROM。 4.3.2 工程师站采用 Pentium III工控机，主频为550MHz，128M内

25、存、10GB硬盘，CRT分辨率为12801024，配置CD-ROM。 4.3.3 历史记录站采用 Pentium III工控机，主频为550MHz，128M内存、20GB硬盘，CRT分辨率为12801024，配置CD-RW可读写光驱。 4.3.4 性能分析站采用 Pentium III工控机，主频为550MHz，128M内存、20GB硬盘，CRT分辨率为12801024，配置CD-RW可读写光驱。 4.4 通讯系统 网络类型：以太网Ethernet 传送速率：10M/100Mbps 带站能力：250个 传输介质：无源同轴电缆或光纤 通信最大距离： 40km 通讯约定协议：广播式，点对点 技术特

26、点：* 提供广播所有网上设备的高速数据链路。所有节点共享整个XDPS分布式全局数据库，无通讯瓶颈。* 无主站* 每秒广播640,000过程点。* 所有DPU站和MMI站均挂接于实时数据高速公路，实现数据通讯。而所有MMI站与信息以太网连接，使非实时管理信息与实时控制信息彼此分开，真正实现信息控制。* 通讯总线负荷率不大于20%。l 与厂级监控信息系统SIS的通讯* 网络类型：以太网Ethernet* 速率：100Mbps* 传输介质：光纤 4.5 软件功能XDPS系统操作员站使用Windows 32位操作系统。CRT分辨率高达12801024，图象更新速度和画面调出速度小于1秒。XDPS提供工

27、程师过程控制语言，过程控制组态基于图形CAD方式，符合国际标准IEC-1131-3。 4.6 系统保证XDPS系统MTBF 150,000小时， 系统可利用率99.98%。XDPS-400分散控制系统的可靠性计算如下：系统MTBF：MTBFSYS=1/(1-RSYS) =1/SYSXDPS-400系统可简化为串/并联系统，其系统可靠度计算如下列公式：RSYS=(1-MMIn)*(1-DPUm)*(1-I/O)RSYS指系统可靠度；SYS指系统故障率,它与可靠度的关系如下：R=1-MMI、 DPU 、I/O 分别指MMI、DPU和I/O的故障率;n,m分别表示MMI和DPU的冗余度。按上述公式，

28、当MMI 、DPU和I/O卡的MTBF分别是70000、和小时，系统故障率为：SYS=1-RSYS=1-（1-1/）*（1-（1/）2）*（1-1/）= 0.91MTBFSYS=1/SYS =.8（小时）在考虑MMI的多重冗余配置和I/O的双重化以及三选二设计时，MTBF还会进一步提高，一般可超过200，000小时。 4.7 可靠性措施系统具有强抗干扰能力（抗干扰能力符合火力发电厂分散控制系统技术规范书的标准），XDPS系统采取以下措施： 冗余配置 控制器（DPU）1:1 电源(DPU、I/O、M/A电源、变送器电源、DI查询电源)1:1 数据高速公路1:1 操作站多台互为备份 电源系统：分散

29、且冗余 自诊断：各个标准站中，自诊断功能在站正常执行过程中同时运行，并不影响过程的实时能力，并能自动退出故障系统，同时在人机接口站上有相应报警信息产生，且I/O板上LED显示。CRT自诊断信息可显示至I/O通道级。 网络差错控制：信息传递采用CRC校验，并具有丰富在线自诊断手段。 无扰切换：DPU冗余，并可实现自动无扰切换。 I/O卡件：提供可靠的光电隔离和半导体隔离卡件，其共模抑制比达120db，抗共模电压500Vp-p；其串模抑制比达60db，抗串模电压30 Vp-p，允许带电拔插。 所有DPU的CPU负荷率小于60%,单个电源的裕量大于40%; 4.8 电源交流进线方式：双路供电，互为备

30、用。交流输入：220VAC 50Hz (180V-260V)输入容量：1500VA直流稳压电源双路冗余配置，高选输出DPU电源：+5V/+12V/-12V 功率150WIO卡件箱供电：+5V/+15V/-15V 功率350W (或24V)外部端子板及变送器供电：+24V 功率150W外部开关量查询电压供电：+48V 功率150W 4.9 机械特性现场控制柜: 700mm 700mm 2235mm 4.10 工作环境运行环境温度：-20+60存储温度:-40+85运行环境相对湿度：1095%(不结露) 4.11 接地要求XDPS-400能直接接至电气接地网，无须设置独立接地网，接地电阻值不大于2

31、.5。XDPS-400采用单点接地方式，通过单独接地点接入电厂电气接地网，与6kV等高压设备的接地点间的距离应10m，不能与这些设备共用接地点。系统内有两种接地点，即机箱接地点CG(Cabinet Ground)、信号地PG(DPower Ground)，各个站的CG、PG并联后接到接地点。各机柜与机房的地板必须绝缘，以确保实现系统单点接地，隔离电压大于1000V。机柜与底座盘绝缘，其绝缘电阻2M。所有的接地点必须接触可靠，接地导线总接地板用焊接或螺钉连接，并加弹簧垫片。5 XDPS系统的技术性能指标5.1. 精确度模拟量输入大信号误差：0.05%模拟量输入小信号误差：0.1%模拟量输出误差：

32、不大于0.2%事件顺序记录(SOE)时间分辨率：1ms系统内时间同步误差：I/O站内（各I/O板之间）不大于0.25msI/O站间120db模入通道差模干扰抑制比：60db输入回路绝缘强度 1000V I/O卡件的电磁兼容性通过 CEEMC测试认证 。 5.3 网络性能I/O网络通信速率：Bitbus375K2M bps，以太网10Mbps。 系统网络通信速率：10M100M bps 5.4 实时性实时数据扫描周期：开关量50ms；模拟量100ms控制周期：505000ms可调 实时画面响应时间：500幅，取决于硬盘。 每幅画面动态刷新点数量：512。系统网络节点数量，总数250个工程师站（E

33、NG）/操作员站（MMI）：40个分布式处理单元（DPU）：80个 报表：基于Excel，数量与容量没有限制。 7.8 系统负荷率典型配置情况下：操作员站（MMI）40%分布式处理单元（DPU）40% 系统网络20% 7.9 对现场信号的接口特性AI输入阻抗电压型信号 10M电流型信号 250AO最大负载（24V供电）420mA 1K010mA 2KDI干接点查询电压48V时 导通电阻小于10K关断电阻大于100K查询电压24V时 导通电阻小于5K关断电阻大于50KDO最大负载能力阻性：250VAC 10A30VDC 10A感性：250VAC 4A30VDC 4API 频率50KHZ 各种I/O信号回路均加有过压及过流保护电路，防止从信号线串入高电压及大电流造成内部系统的损坏。