浅析Ovation DCS系统及网络结构

浅析Ovation DCS系统及网络结构

张伟 于子龙 王俊峰

中国能源建设集团山西电力建设有限公司  山西省太原市  030000

摘要：Ovation系统采用了目前广泛认可的硬件、软件、网络和通讯接口，取代了过时的、有专利的DCS结构。采用开放性网络、SUN工作站和Intel奔腾处理机这些普遍认可且熟悉的硬件，从而简化了Ovation系统的整个组态和执行过程。目前正逐渐成为大型火电厂新建机组的主流控制系统。

关键词：Ovation；分散控制系统；组态；Intel

1 系统概述

1.1 系统发展背景

分散型控制系统(Distributed Control Systems,简称DCS)是由以微处理机为基础, 以危险分散控制,操作和管理集中为特性,集先进的计算机技术、通讯技术、CRT技术和控制技术即4C技术于一体的新型控制系统。随着现代计算机和通讯网络技术的高速发展, DCS正向着多元化、网络化、开放化、集成管理方向发展, 不同型号的DCS可以互连, 进行数据交换,并可通过以太网将DCS系统和工厂管理网相连, 实现实时数据上网, 成为过程工业自动控制的主流。目前, 艾默生过程控制公司生产的Ovation控制系统在大型火电厂控制系统中的应用非常广泛。

Ovation系统是集过程控制及企业管理信息技术为一体的融合了当今世界最先进的计算机与通讯技术于一身的典范。其采用了高速度、高可靠性、高开放性的通讯网络, 具有多任务、多数据采集及潜在的控制能力。Ovation系统利用当前最新的分布式、全局型的相关数据库完成对系统的组态。全局分布式数据库将功能分散到多个可并行运行的独立站点,而非集中到一个中央处理器上,不因其他事件的干扰而影响系统性能。

1.2 系统特点

高速、高容量的网络主干采用商业化的硬件。基于开放式工业标准, 系统能将第三方的产品很容易地集成在一起。分布式全局数据库将功能分散到多个独立站

点,而不是集中在一个中央处理器中。

1.2.1 网络特点

Ovation站点直接和高速公路通讯, 以便发送和接收实时数据和控制命令。Ovation网络提供具有确定性的和非确定性的两种数据传输方式。具有LAN和WAN互联能力的桥路和监视器。PLC可成为Ovation数据高速公路的直接站点。

1.2.2 控制器特点

  通过开放式计算机技术标准带来了高度的灵活性。为执行简单的和复杂的调节和顺序控制策略提供了功能强大和大容量的控制手段。高可靠性使过程和利用率达到最高。站点内每个测点的数值和状态以合适的频率传播。

1.2.3 工作站特点

标准平台有两种可选：采用Solaris操作系统的工作站, 或者以PC机Windows为基础的操作系统。多任务的工作方式,可通过单CRT和双CRT来实现。将Ovation各种功能结合在一起,使所需的硬件数量减到最小。

1.2.4 功能强大的工具库

Ovation功能强大的工具库完全是一组先进软件程序的集成,用于生成和保存系统的控制策略、过程画面、测点记录、I/O设置、报表生成以及全系统的组态。工具库同嵌入式相关数据库管理系统相辅相成,协调维护系统内部组态数据的总汇编, 同时又能容易地实现同其它工厂和商业信息网的互联。

1.3 系统三大部分的组成

1.3.1 网络部分

1.3.1.1 网络的结构形式

  Ovation系统网络采用Fast Ethernet网,并采用冗余方式工作。网络硬件目前采用交换机作为网络的通讯设备。

网络组态有单网和多网方式：一般情况下单网用于单台机组的网络方式, 多网常用于多台机组的互相监督和控制。大型火电厂DCS系统应用多为多网方式,不同机组间可以互相通信。

由图可看出Ovation系统网络由互为冗余网、数据交换站以及操作员站、工程师站、历史站、控制器等各节点构成。Ovation网络传输速度为100M/S, 每条网络上最多挂254个节点。其中各节点由各自的网络号(节点号),各自的网络接口,通过网络来接发数据,协调各自的工作来完成的整体工作。其中控制对现场的监测信号经由I/O模块转化为数字量传至控制器,放置于存储器,形成一个与现场的过程量一致且能一一对应, 而且按实际运行情况改变的和更新的现场过程量的影像, 还将实时数据通过网络传送到操作员站、工程师站,实现全系统范围的监督和控制,并接收操作员站、工程师站下发的信息、指令,通过I/O模块进行输出至现场设备来实现回路控制和逻辑控制也可实现自动控制、回路控制。

1.3.1.2 交换机的概念

  交换机的作用是对数据进行转发。用集线器组成的网络称为共享式网络, 而用交换机构成的网络称为交换式网络。集线器(Hub)构成的网可看做是一条总线网, 而交换机构成的网可看成是多条总线的互连网。

交换机的分类:交换机可粗略分为两种, 包括根交换机和下层交换机。交换机的连接方式:

(1)根交换机root及其冗余交换机back一up的连接方式.

端口1与IP设备相连。

端口2、3：用于与根交换机的冗余交换机相连。

端口4一24：用于连接下层交换机(也可连接工程:师站、控制器等作为Local Port)

(2)下层交换机及其扩展交换机连接方式

端口1:与IP设备相连(下层交换机Port1不连线

端口2:与它的冗余交换机相连。

端口3、4:与上层交换机相连。

端口5一24:作为Local Port连接Ovation站。

1.3.1.3 Ovation系统通讯网络各项指标

速率:100M/S

容量:20万实时点/每秒

介质:(Ovation网络)/同轴电缆(UTP)

节点:1000个

网络拓扑,双环冗余,故障电环绕

每网长:200km

支持同步和异步通讯方式

支持令牌存取方式

工业TCP/IP协议完全与以太网兼容

Ovation系统目前采用的以太网规则是当前普遍采用的IEEE802.3协议所采用的CDMA/CD(带冲突检测的载波监听多路访问)机制,从而避免可能发生的冲突。这种工作机制是一种“先监听后发送”的访问方式, 当一个工作站有数据要发送时, 首先监听信道是否忙, 如果信道忙则工作站将等待并继续监听, 一旦信道有空则发送数据。如果有两台以上的工作站要同时发送数据, 则会导致冲突发生。当冲突发生时,发送方能通过检测回复信号判断冲突,系统将采取延迟工作方式, 每个工作站都等待下一次发送时间, 重新发送数据。

1.3.2 控制器

作为控制中心, 控制器采用了冗余的方式达到最大的可靠性、安全性。控制器采用与PC兼容的实时操作系统(全32位优先级多任务系统), 以及标准的PC结构和无源的PCI/ISA总线接口。

1.3.2.1 控制器的内部卡件

控制器的内部卡件包括CPU中央处理器卡、电源卡、闪存、网卡、I/O接口卡,其功能简要介绍如下:

CPU中央处理器卡:为中央处理器。

电源卡:为各控制器的内部卡件提供工作电源。

闪存：与CPU相连, 内有逻辑算法、操作系统。其掉电不遗失数据。

网卡：为控制器与网络提供通讯接口。

I/O接口卡:为控制器与I/O模块的接口, 与CPU通过PCI总线相连(又称PCI卡)。

2 系统维护

为保证Ovation系统在火电厂机组正常运行时的安全性与可靠性, 应定期进行系统维护工作。系统的维护工作的主要内容包括日常巡检、系统备份以及切换试验等几个方面。

2.1 日常巡检

DCS系统管理人员应对系统进行每日巡检工作, 巡检内容包括1800系统状态监视图、历史站收集状态、交换机工作状态、电源模块工作状态。

2.2 系统备份

系统的备份工作应在固定周期执行, 并且在变更系统设置,修改逻辑组态、画面等工作后也要及时进行备份。系统备份包括如下几项内容全数据库备份, 部分数据库备份, 逻辑组态备份, 画面流程备份, 系统配置文件备份。

2.3 系统切换试验

为保证系统冗余性能正常, 要定期在停机间隔内进行系统切换试验。试验内容包括电源切换试验、交换机切换试验以及控制器切换试验。以验证单路电源供电时系统是否正常工作；验证单路供电时电源监视是否正常；验证单侧交换机运行时系统是否正常工作；验证控制器是否可进行无扰切，验证切换过程是否对系统有所影响, 保证系统在机组运行期间工作常。

参考文献

[1]上海西屋控制系统有限公司.Ovation系统说明书[S].2005,8.

[2]上海西屋控制系统有限公司.Ovation系统管理员手册[S].2007,7.