TDC3000体系结构

11第二章TDC3000体系结构1.概述1975年11月Honeywell公司在世界范围内率先推出了以微处理器为基础的分散控制系统TDC2000(TotalDistributedControl，TDC)系统。经过十多年的发展，Honeywell公司的DCS经历了多次改进与完善，形成了一个庞大的产品系列。其系统的发展过程大致如下。1975年推出了TDC2000系统，在随后的几年里，对TDC2000数据高速通道(DataHiway)设备功能进行了强化和完善，相继推出了多功能控制器(MultifunctionController，MC)、批量控制器(BatchController)、增强型操作站(ExtensionOperatorStation，EOPS)。1984年以IEEE802.4和ISO8802/4通信标准为基础，开发了局部控制网络(LocalControlNetwork,LCN)，推出了TDC3000系统。原有的TDC2000系统的设备通过数据高速通道接口(HiwayGateway，HG)与LCN相连，成为TDC3000系统的基本组成部分。1988年，推出通用控制网络(UniversalControlNetwork，UCN)，集数据采集和过程控制于一体的过程接口装置——过程管理器(ProcessManager，PM)和逻辑管理器(LogicManager，LM)。UCN通过网络接口模件(NetworkInterfaceModule，NIM)与LCN相连，成为TDC3000系统的新的组成部分。之后，又根据市场的需求，推出了适用于小规模过程控制管理的MICROTDC3000系统。1992年，推出了PM的改进产品先进过程管理器(AdvancedProcessManager，APM)。1994年，从开放性系统出发，推出了基于HPUnix操作系统的TDC3000X系列。在该系列中主要包括带有Unix操作系统的设备，操作站（UXS）和应用模件（ApplicationModule，AXM），这两个设备中，分别嵌入了固化有HPUnix操作系统的主机板，相当于把原有的US和AM各与一台Unix工作站集成了起来，因此UXS和AXM都能够方便地与以太网相连，并可以在Unix软件平台上实现开放。1995年，推出APM的改进产品高性能过程管理器(HighPerformanceProcess12Manager，HPM)。HPM采用了32位CPU，处理能力有较大幅度的提高，板卡的集成度也大大提高。1996年，推出了基于PowerPC的第一代全厂一体化解决方案系统（TotalPlantSolutions，TPS），1997年改为基于DELLPC的系统，并把多变量鲁棒预估控制技术（RobustMultivariablesPredictiveControlTechnology，RMPCT）和过程历史数据库（ProcessHistoryDatabase，PHD）纳入其中，统称为应用节点（ApplicationNode，APPNode）。APPNode以DELLPC为硬件平台，以WindowsNT为软件平台，提供TPSDDE、OPC和PHDAPI等开放手段。TDC3000系统(包括MICROTDC3000和TPS)已被广泛应用在石油炼制、石油化工、化工、电力、冶金、建材、轻工等工业部门。据统计，Honeywell在世界范围内DCS市场居各制造厂首位。TDC3000系统在中国也被广泛地采用。其中，福建炼油厂采用的TDC3000系统控制规模、硬件配置的品种和数量居国内用户之首，体现新一代炼油厂的发展趋势，全厂的常减压蒸馏装置、重油催化裂化装置、含硫污水抽提装置、催化重整装置、催化柴油和焦化柴油加氢装置、气体脱硫装置、催化氧化脱硫醇装置、气体分馏装置、甲基叔丁基醚装置等九套装置，全部集中在一个中央控制室内操作、控制和管理，还实现了多个单元的先进控制。图2-1TDC3000系统构成图13TDC3000系统主要由“π”字形的三条网DataHiway、LCN和UCN及其网上设备构成，如图2-1所示，其中，DataHiway为早期产品，新系统已不再提供，所以这里只讨论LCN和UCN。2.局部控制网络及设备2.1局部控制网络(LCN)LCN用以支持TDC3000LCN网络上设备或模件（Module）之间的通信，遵循IEEE802.4通信标准，采用总线型通信网络，“令牌传送”协议。LCN网络的功能有：(1)在网络上各设备之间传送所有信息；(2)按有效规约和高速通信，保证实时信息交换；(3)通过冗余的传输媒介及信息完整性检查，提供可靠的通信。LCN一般以两条冗余的同轴电缆作为主要传输介质，每条电缆的两端各需要一个75欧姆的端电阻。电缆通过“T”连接器与LCN模件中的LCN接口板相连，网络上的模件顺序连接，构成LCN网，如图2-2所示。LCN网络上可接64个模件，借助LCN扩展器，可以对LCN进行扩展。LCN网络传输速率为5兆位/秒，LCN网络采用同轴电缆时，每段电缆长度不超过300米，使用光缆时，每段光缆长度不超过2000米，LCN最大覆盖范围可达4.9公里。LCN及其所连接的模件不能与现场过程直接连接，只能与过程网络连接，通过过程网实现与现场的间接连接。图2-2LCN的连接访问网络LCN网络应用“令牌环”技术控制对网络的存取。令牌沿着网络，由网络Module#1Module#2Module#nLCNI/FLCNI/FLCNI/F14地址最低的设备依次向网络地址最高的设备传递，令牌经过每一个有效地址，向LCN的所有设备广播信息，所有的模件都可“听”到网上的信息，但它们只接收传递给自己的信息。所有信息以“帧”形式传送，包括传送指令、辅助诊断、传送信息及控制对网络的访问等，其中信息帧长度为100至2000字节。图2-3是网络访问机制的简化流图。当一个模件收到令牌又没有信息要发送时，它将令牌传递给下一个具有更高地址的模件。例如当4号模件将令牌传递给5号模件。当一个模件接收到令牌并且有信息需要发布时，它先把要发布的信息附加到令牌后面，然后向下一个模件传递令牌。当最高地址的模件接收到令牌并加以处理后，它向最低地址模件发送令牌，如此循环，形成了令牌在网络中的环行传送路径。根据令牌环的通信机制，使用连续地址可以提高系统效率，因此，LCN设备的地址应按沿通信介质递增或递减的方式分配，但对地址号的间断没有限制。LCN网络采用循环冗余检验码(CyclicRedundancyCheck，CRC)和重发纠错技术，确保信息传输安全可靠。网络时间同步伴随其它信息在LCN上传递的是系统时钟同步信号。根据LCN模件使用的电路板类型，可以产生两种类型的信号。K2LCN可以产生并接收以标准速率数字时钟同步的数据帧。不含有K2LCN板的模件需要一个特定的12.5kHZ的时钟同步信号源。图2-3LCN网络访问机制15时钟同步信号用于在模件间保持时间同步。模件中的日期和时间计数器由一个包含实际时间的帧启动和支持，这一帧在LCN上每50毫秒传送一次。网络上的时钟同步信号使计数器同步运行，从而使所有模件的时间计数器都同时改变。网络上需要两个时钟同步信号源，一个为主时钟同步信号源，另一个提供后备的从时钟源。典型的作法是把DataHiway或NIM选作时钟源，但是在LCN网络组态时，可由系统工程师选任一模件均作时钟源。LCN设备LCN常见设备包括通用操作站(US/UXS)、全方位用户站（GUS）、通用工作站(UWS)、历史模件(HM)、应用模件(AM/AXM)、网络接口模件(NIM)、高速数据通道接口(HG)、计算机接口(CG)、可编程逻辑控制器接口(PLCG)等。一条LCN网络上最多可挂接64个节点，至少要配置一个US、一个NIM和一个HM，最多安装20个HM、10个CG和20个NIM（HG、PLCG）。LCN对US、AM的数量没有上限，最多可配置到64个。除操作站外，其他节点均可采用冗余配置。冗余设备的主设备节点地址为奇数，副设备节点地址为偶数。LCN设备（APPNode除外）都包含三个组成部分：LCN卡件箱、卡件箱中的电路板以及外部设备。早期的LCN卡件箱卡件箱为十槽卡件箱，现在的卡件箱为五槽卡件箱。卡件箱分双节点卡件箱和单节点卡件箱。五槽双节点卡件箱：见图2-4。一个五槽双节点卡件箱中可以安装两个LCN节点（模件）的电路板，网络地址小的节点安装在下面的3个插槽中，网络地址大的节点安装在上面的2个插槽中。双节点卡件箱中部为两个独立的电源，分别图2-4五槽双节点卡件箱示意图16为两个节点供电。一个双节点卡件箱使用一对LCN电缆，由卡件箱内部电路使其分别连接到两个节点。五槽单节点卡件箱：见图2-5。一个五槽单节点卡件箱中只能安装一个LCN节点（模件）的电路板。双节点卡件箱中有一个电源为节点供电。图2-5五槽单节点卡件箱五槽卡件箱背面还有5个插槽用于安装I/O板。卡件箱中的电路板主要有主板、内存板、接口板和特性板。其中特性板是决定LCN节点类型的板卡，不同类型的LCN设备使用不同的特性板。前三种板则是通用板，只要需要，不同类型的LCN设备的这三种板可以互换。主板与接口板：主板中运行节点特性软件，完成各种功能运算，安装在卡件箱的1号插槽。接口板提供节点与LCN的连接，装在2号插槽。主板与接口板分两种情况，用于单节点卡件箱的主板为HPK2-2/-4，接口板为LLCN；用于双节点卡件箱为K2LCN或K4LCN，安装在1号插槽。板卡名称的含义是：HPK2–22兆字（MW）内存，3表示3MW内存CPU用M68020高性能主板，HighPerformanceKernalLLCN低电平LCN接口板，LowLevelLCNInterfaceK2LCN带LCN接口CPU用M68020，4表示M68040主板标志，Kernal内存板用于扩展节点的内存容量，常见的有EMEM和QMEM等，可以安装在卡件箱的3号或5号插槽。特性板提供节点对外部设备的驱动及与外部设备的连接。常见的特性板有：对于操作站，US用EPDG（EnhancedPeripheralDisplayGenerator），UXS用TPDG17（TurboPeripheralDisplayGenerator），GUS以PC为硬件平台，故不需要特性板；历史模件（HM）的特性板为SPC（SmartPeripheralController）；网络接口模件（NIM）的特性板为PNI（ProcessNetworkInterface）。特性板一般安装在单节点卡件箱的4号插槽或双节点卡件箱的2号插槽。LCN接口板与特性板都有自己的I/O板，它们通过I/O板与LCN电缆及外部设备相连。I/O板安装在卡件箱背面的I/O插槽内。2.2操作站操作站是LCN网络上必不可少的节点之一，是TDC3000系统的主要人机接口，它是整个系统的一扇窗口，能满足操作人员、管理人员、系统工程师及维护人员的各种操作需要，工艺操作员通过操作站对装置上的各种工艺参数进行监控，工程师通过操作站对TDC3000系统进行维护和组态。LCN上可以使用的操作站有3种类型：通用操作站（UniversalStation，US），带Unix的通用操作站（UniversalStationX，UXS）和全方位用户站（GlobalUserStation，GUS）。根据操作站的外形，可以分为：传统型台式操作站（如图2-6）、Z型台式操作站（如图2-7）和桌面式操作站。图2-6传统型台式操作站图2-7Z型台式操作站硬件构成操作站除了有卡件箱和相应的卡件外，还有一系列的外部设备，包括：19”高分辨率彩色显示器、操作员/工程师键盘、软盘或卡盘驱动器、打印机及趋势笔等。台式操作站的显示器一般为19”带红外触摸屏幕的彩色显示器，其像素分辨率是640×480。桌面操作站的显示器一般为21”高分辨率（1024×768以上）显18示器，也可用SVGA以上的普通显示器替代。操作员键盘是覆膜防溅型平面按压式键盘。当压下某键时，会有音响反馈响应。键盘的右半部