DCS设计及组态准备

nullDCS设计及组态准态DCS设计及组态准态公 司：三 铝 主讲人：郭 永 涛 时 间：*课程目标课程目标 本课程结束后，应达到下列目标： 了解DCS的组成和和基础知识 了解DCS硬件指标的试验和测试方法 了解DCS硬件系统的工程应用设计 了解DCS硬件系统的可靠性和完全性 了解DCS工程的建设的组成和安排课程建议课程建议少看书 少 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 多建议 多怀疑 课上交流清楚，课后一身轻松 null 主要是DCS工程，工作界区基本在控制室内。 [分散型控制系统工程设计规定]（HG/T20573-95） 1）可行性研究阶段； 2）基础设计阶段； 3）工程设计阶段； 4）DCS应用软件组态阶段。null1）设计输入文件 包括：合同（包括技术协议）、联络会纪要、工艺介绍、测点、控制要求、基础设计及评审意见、开工报告等。 2）设计接口文件 包括：外专业向自控专业提交的条件、自控专业向外专业提交的条件。 3）设计输出文件 包括：工程文件和组态文件 工程文件一般包括：说明书、I/O定义表、联锁系统逻辑图、仪表回路图、控制室布置图、端子配线图、控制室电缆敷设图（电缆表）、接地系统图、DCS系统配置图、端子（安全栅）柜布置图等。 组态文件一般包括：工艺流程显示图、DCS操作组分配表、DCS趋势组分配表、DCS生产报表等。 项目——设计阶段项目——设计阶段硬件排布（如机柜室布置、设备安装、电缆铺设等） 网络结构 对环境等要求 接地 供电 组态 出厂调试工程设计——组态流程工程设计——组态流程以系统整体构架为基础 I/O组态 控制组态（控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的实现） 操作组态（监控画面，如流程图等） 其他组态（如与异构化系统的连接等） 整体调试 工程总结形成的相关文档形成的相关文档《DCS系统设备安装图》，包含《控制室布置图》 、 《 DCS安装尺寸图》、 《 DCS系统配置图》 《DCS电缆布线 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 》 《DCS系统供电图》包含《DCS控制柜电源箱接线原理图》 《DCS系统通讯图》 《DCS系统接地图》 《测点清单》 《卡件布置图》 《端子接线图》 《外配部分接线图》 组态文件、《设计实施方案》 《操作规程》 《维护指导》 工程——实施阶段工程——实施阶段安装 电缆铺设、设备安装、组网、接地、接线、软件安装等 调试 根据组态内容，运用组态软件对现场的信号调式、回路控制调试、联锁控制调试等 投运 逐步实现自动控制DCS基础介绍DCS基础介绍DCS硬件组成 主控制器 AI设备 AO设备 DI设备 SOE设备 DO设备PI设备 电源设备 控制网络设备 系统网络设备 组态与人机接口 DCS硬件可靠性与安全性典型DCS系统的硬件体系结构 典型DCS系统的硬件体系结构 通讯介质转换控制网络系统网络null逻辑分布:即传统DCS中“D”的含义Distributed. 地域分散:现场总线分布式I/O构成的DCS的“D”的还应增加一层含义Decentralized. 满足现状：4-20mA模拟仪表仍占主流 连通未来：现场总线智能仪表开始缓慢增长 开放性：主控制器可以挂接其它开放的I/O系统，I/O模块也可以挂接到其它开放的主控制器上。开放性是制造商对用户的责任，它将在未来节省用户大量的后续投资。Distributed & Decentralizednull物理结构：可独立安装 上行网络：以太网一统天下 下行网络：支持多种主流的现场总线 控制软件：向下独立于I/O采集 通讯协议：可同时支持多种通讯链路 混合应用：兼顾流程工业和离散制造业特点 编程语言：LD 、IL、CFC、SFCnull⑴系统网络及计算机配置 ⑵柜盘台选用配置 ⑶DCS模块选用配置 ⑷UPS选用配置 ⑸安全栅选用配置 ⑹继电器选用配置 ⑺端子及线径选用配置 ⑻电源选用配置 ⑼空气开关/转换开关/按钮/指示灯选用配置 ⑽隔离器及转换器选用配置 ⑾网卡交换机及通讯用器材选用配置过程控制I/O的发展趋势：2S过程控制I/O的发展趋势：2S智能化（Smarter)：不仅是加单片机 支持现场总线，可节省电缆。 支持开放协议，易于集成。 支持软件设定，免跳线，避免更换模块时误操作。 自诊断，便于维护。 小型化（Smaller)：不仅是减小尺寸 抛弃专用机笼，适合现场安装。 一般采用导轨安装方式 模块化、全封闭、小尺寸结构 热插拔，且插拔方便 低功耗 集成更多的功能Smarter & Smaller冗余分类：DMR与TMR冗余分类：DMR与TMR模块1模块2模块1模块2模块3双模冗余 DMR－Dual Module Redundancy 三模冗余 TMR－Triple Module Redundancy 冗余分类：同构冗余与异构冗余冗余分类：同构冗余与异构冗余用不同的物理实现原理来构建冗余个体。 目的：防止共因故障。冗余分类：备用式冗余与表决式冗余冗余分类：备用式冗余与表决式冗余模块1模块2模块1模块2 表决器 选择器状态指令指令输出输出指令指令输入输入备用式冗余 Backup Redundancy表决式冗余 Voting Redundancy备用式冗余的三种方式备用式冗余的三种方式冷备用（Cold Backup） 温备用（Warm Backup） 热备用（Hot Backup）双模和三模表决冗余(DMR&TMR)双模和三模表决冗余(DMR&TMR)模块1模块2表决器输出模块1模块2表决器输出模块3双模表决冗余 （2取2系统） （2 out of 2） （2oo2）三模表决冗余 （3取2系统） （2 out of 3） （2oo3）备用式冗余系统的关键性能：无扰切换备用式冗余系统的关键性能：无扰切换什么是无扰切换？ 理论上如何保证无扰切换：时间相关量处理 数据周期拷贝 运算周期同步null如何实现故障安全 冗余：硬件冗余、软件冗余、信息冗余、时间冗余 表决 同步 重构 诊断 避错 检错 纠错 重试 重启故障安全准则故障安全准则(1）每个安全性相关的模块必须经过充分的分析和测试。 （2）每个安全相关功能，应该冗余运行（推荐）。 （3）如果软件的正确性不能得到证明，必须由两个以上的多样性设计版本冗余运行。 （4）在合适的时间内，应周期性进行软件数据正确性检查。 （5）每个程序模块在执行前和执行后都应检查确保前导模块和后续模块的顺序确实正确。 （6）采用双份存储、保证安全变量存储的完整性。 （7）所有安全相关的数值，不能由人工输入。 （8）通过读写测试，保证RAM的正确性。null（9）通过校验码测试，保证ROM的正确性。 （10）      推荐采取措施，保证CPU指令执行的完整性（针对多字节指令）。 （11）      通过比较，保证时钟和定时器的正确 （12）      采用校验码等措施，保证通讯链路的正确性。 （13）      保证系统中断执行过程的完整性。 （14）      在重要的校验过程中使用的定时器， （15）      防止程序进入死循环或停止运行。 （16）      CPU死机不会导致危险侧输出。 null（17）      所有关系到系统安全的变量应在数据结构中明确其安全侧取值和危险侧取值。 （18）      在所有的条件判断语句中，应选择危险侧变量来判别。 （19）      同一工艺环节的联锁逻辑不宜分散到各站中运行。 （20）      系统检测到失效时，必须严格导向安全侧（如果停机是安全的，则必须停机）。 （21）      任何硬件故障必须立即得到反映，不能造成故障积累而发生事故。 主控制器（MCU）的指标主控制器（MCU）的指标CPU及外围芯片 速度 负荷率 实时性 功耗 DCS的系统容量DCS的系统容量机柜容量 电源容量 网络容量 主控容量 计算DCS系统容量时，必须同时满足上述限制条件主控制器容量主控制器容量程序容量 网络容量主控制器容量：程序容量主控制器容量：程序容量程序容量一般用控制方案页数量来大致描述，它由固态盘容量、SRAM容量和内存容量决定。网络容量的基本概念：波特率网络容量的基本概念：波特率波特率(Baud Rate)——也称位速率，是描述通讯线路上位流（0/1流）速度的指标。 波特率定义：波特率等于一段连续的比特流的比特数除以该比特流的持续时间。 波特率的单位：bits/s(比特每秒），即Bits per Second,缩写为bps网络容量的基本概念：吞吐率网络容量的基本概念：吞吐率网络吞吐率用于衡量计算机能通过网络接收或发送数据信息的最快速度。 网络吞吐率的定义：单位时间片内计算机能接收或发送位信息的数量。 网络吞吐率的单位：一般也为bps网络容量：波特率与吞吐率的关系网络容量：波特率与吞吐率的关系吞吐率一般小于波特率： 多任务计算机一般不能处理连续位流 丢包或包冲突重发降低有效速率TT吞吐率波特率非连续位流连续位流0/1位流线路空闲0/1位流主控制器网络容量计算主控制器网络容量计算先明确4个基本配置参数： T1:设定的主控制器与IO通讯的时间（秒） B1:该主控制器与IO通讯的位流量（位） T2:设定的主控制器与其它站通讯的时间（秒） B2:该主控制器与其它站通讯的位流量（位） 要求： B1/T1 < 控制网吞吐率*0.4 < 控制网波特率*0.4 B2/T2 < 系统网吞吐率*0.4< 控制网波特率*0.4主控制器速度：控制周期主控制器速度：控制周期什么是控制周期？ 单一控制周期与复合控制周期 控制周期根据工艺要求确定，当控制周期在200mS以下时，数字控制系统的采样延迟导致对控制品质的影响可忽略不计，即数字系统几乎可以等价于模拟系统。 对于大多数工艺过程，500mS或1S的控制周期就完全满足要求。 最短控制周期由主芯片速度、程序量和通讯量以及应用程序效率决定。主控制器负荷率（Load Rate）主控制器负荷率（Load Rate）负荷率定义控制周期控制周期—空闲时间负荷率=x 100%实时性（Real-time)：基本定义实时性（Real-time)：基本定义实时性的概念 不准确的理解：实时就是“快”。 正确的理解：在预先设定的时间内完成规定的任务能力。 如果在一定条件下能确保在预先设定的时间内完成规定的任务，系统就可称为确定性系统，这是确定性实时（Deterministic)。 与确定性系统相对（不能确保）的是非确定性（ Non-deterministic)系统。实时性（Real-time)：相关定义实时性（Real-time)：相关定义硬实时（Hard real-time):确定性（Deterministic)实时的同义词。 软实时（Soft real-time):非确定性实时的同义词确定性实时和非确定性实时的对比确定性实时和非确定性实时的对比tA确定性实时非确定实时延迟deadline概率tmintmaxtdltAdeadlinetmintmaxtdl无边界 !在正常运行条件及可恢复故障条件下，任务延迟超过最后期限（deadline)的概率为零。有边界 !概率延迟在正常运行条件及可恢复故障条件下，任务延迟超过最后期限（deadline)的概率很小，但不为零。实时性：典型任务的响应时间要求实时性：典型任务的响应时间要求200 ms:操作人员的手感（接近硬接线般的感觉）10 ms:流程工业中的事件分辨率（但目前很多招标书都要求2ms)1 s:操作员站画面上的数据刷新速度3 s:操作员站画面翻页速度1 µs:控制器执行一个加法运算的典型时间10 µs:控制器执行一个PID运算的典型时间30 µs:通讯信号传输9km的时间延迟（信号速度30万公里/秒）100 µs:多任务实时系统任务切换时间200 µs:从实时数据库（内存）中访问获取一个数据对象的时间1 ms:在两个任务之间通过邮箱发送消息的时间2 ms:在局域网中发送一个报文的时间 50 ms:控制器中通讯任务的执行时间什么情况下需要确定性实时？什么情况下需要确定性实时？滚筒式印刷机：在手工清洗过程中，操作人员右手持毛巾清洗转动的滚筒，左手按下“转动”按钮，当毛巾被卡住时，左手立即送开“转动”按钮，滚筒必须在0.5s内停止转动，否则……紧急停止实时性的例子：滚筒印刷机信号延迟实时性的例子：滚筒印刷机信号延迟控制台处理 （周期40ms)紧急按钮IBS (2 ms, 500 kbps)IBS-MBADIOMCULBADisplayIO总线IBS-SIOloopBAAIOMCULBAIOIOIOIOIOIOIO主控制器（控制周期30ms)马达控制 (周期40ms)系统总线 (1.5 Mbps, 32 ms)控制台总线 (1.5 Mbps, 32 ms)马达控制安全控制器SERCOS总线 (4 ms)从紧急按钮到马达的总延迟: 2 + 30 + 32 + 40 + 32 + 40 + 4 = 180 ms ! IBS (2 ms, 500 kbps)冗余IO实时性：信号延迟的后果实时性：信号延迟的后果很多安全系统按反逻辑优先运行：即优先要求条件不成立时系统倒向安全状态。比如前面的印刷机就是按钮“按下”转动，而不会设计成弹起按钮转动。 马达控制要求对“紧急按钮未按下”这一状态最迟3 x 180 = 540 ms刷新一次检测，其中360ms作为连续两次通讯失败的保留时间，第三次通讯必须成功，如果第三次通讯仍不成功，系统将无条件停止马达。 超过规定条件的信号延迟将会导致误报警，从而使系统停运（一般来说，可接受的误报警停车每年最多1-2次）。 因此，控制信号的延迟将对系统的下列2个重要性能带来影响： 安全性 可用性什么因素使实时性成为一个系统问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 什么因素使实时性成为一个系统问题一片CPU芯片同一时刻只能做一件事。 一条通讯线路同一时刻只能供一个设备发送信息。 研究实时性，就是设法保证多种任务在公共的硬件资源上得到很好的调度执行。确定性实时的特征：周期运行确定性实时的特征：周期运行任务性质 周期任务：确保关键的周期任务得到及时执行。 异步事件：确保关键的异步事件得到及时处理。 虽然很多确定性系统都采用了抢占式(Preemptive)实时操作系统，但抢占式调度使用不当却是很多系统无法实现确定性的原因之一。 周期循环执行是实现确定性实时的有效方法。 但周期调度的方法对硬件系统的速度要求较高。非确定性实时的特征：事件驱动非确定性实时的特征：事件驱动系统响应时间非确定的原因 外部异步事件中断系统任务 访问计算机公共资源：CPU，内存，网络 使用了时间不确定的设备：如硬盘访问 任务属于抢占式操作系统中的低优先级任务 使用了时间不够确定的通讯网络：如以太网 使用了队列 事件驱动的任务调度是非确定性实时的主要途径。 事件驱动的调度方法可以有效降低系统对硬件速度的要求。实时性评价的要点：系统的观点实时性评价的要点：系统的观点null确定性是联锁保护等关键应用的基本特性，但其它很多场合下非确定性系统也可满足需要。 确定性系统能确保所有关键数据在规定的时间内传送，如不能就倒向安全态。 确定性系统即使在系统雪崩等最差工况下也能保证系统稳定运行，硬件资源的闲置较多。 系统的各环节都必须是确定性的，才能得到真正的确定性系统。 非确定性系统在进行充分的工况分析和非确定性概率分析的基础上，也是不错的选择。主控制器的功耗主控制器的功耗对功耗的要求，应达到：无需风扇散热。主控制器应用设计：工艺过程划分主控制器应用设计：工艺过程划分主控制器设计：工艺划分准则主控制器设计：工艺划分准则站间引用越少越好。 对于PID或联锁逻辑控制的控制算法，严禁使用软引用，引用不可避免时应使用硬接线引用。 对于纯粹的数据采集站（DAS），由于没有控制功能，可以使用软引用。 主控制器应用设计：控制周期设定主控制器应用设计：控制周期设定200ms：数字系统与模拟系统动态特性基本没有区别。 负荷率<40％AI信号的输入处理过程AI信号的输入处理过程Analog Input-AIAI的几种输入型式AI的几种输入型式单端输入(Single Ended Input) 共地型单端输入 共参考点单端输入 差分输入(Differential Input) 非通道隔离型差分输入 通道间隔离型差分输入null精密度（Precision)：表示测量结果的随机（偶然）误差的大小 正确度(Correctness)：表示测量结果的系统误差大小 准确度(Accuracy)：是系统误差和随机误差的综合表示测量结果阈真值的一致程度,也称精确度或精度。精确度(准确度)较高，即精密度和正确度都较高。正确度较高、精密度较差精密度较高、正确度较差引用误差引用误差定义：满量程内的最大绝对误差除以满量程。 GB/T 13283-91 工业过程测量和控制用检测仪表和显示仪表精确度等级真值测量值实际测量分布值理想测量值分布满量程点（Full Scale—F.S.)Emax引用误差=F.S.Emax x 100%常见的引用误差等级有0.1%, 0.2%, 0.5%，分别简称为0.1级，0.2级，0.5级仪表或设备。精度是仪表多因素的综合体现精度是仪表多因素的综合体现温度漂移 时间漂移 抗干扰能力 分辨率 灵敏度 稳定时间（响应时间） 带宽分辨率分辨率分辨率（Resolution):测量装置能感知和区分的最小变化量，通常以A/D转换器的位数和量程表示，比如用12位量程为0-5V的A/D，其分辨率为：5V/4096=1.22mV分辨率分辨率采样数据最低位所代表的模拟量的值 Nbit: 8bit / 12bit / 16bit 电压表示：输入范围/2n 举例：假如10V的输入信号用12位数据来表示，则最小可分辨的电压为10/212=0.224mV稳定度稳定度稳定度（Stability):分为短时间稳定度（Short-time Stability)和长时间稳定度（Long-time Stability)。 短时间稳定度：对于同一被测量值，测量值的波动范围（即最大值减最小值）与量程之比。通常以百分比表示。 长时间稳定度：对于同一被测量值，相隔较长时间（比如说1年）用同一测量装置进行测量，其误差漂移量与时间之比。通常单位为ppm/年。温度漂移温度漂移温漂量纲：ppm/C,即百万分之一每摄氏度 温度变化可能导致的误差增大=温度变化量*温漂指标。 例：在环境温度25C条件下标称引用误差为0.1%的仪表，如果其温漂指标为100ppm/C,则当环境温度变化到35C时，其引用误差将可能达到: 0.1% + (35-25)*100*10-6 = 0.2%输入阻抗输入阻抗AI输入电路的输入端等效阻抗。 过低的输入阻抗将导致输入电压信号在信号源端的压降增大到不可忽略。 一般要求100K以上.IEC61131-2对AI输入阻抗的要求IEC61131-2对AI输入阻抗的要求AI的隔离:为何需要隔离AI的隔离:为何需要隔离现场设备电气烧毁时不殃及DCS设备； 现场设备对DCS系统之间存在高压时不损坏DCS设备； 限制DCS局部故障或损坏的扩散化； 切断现场设备接地点对DCS系统接地点间因地电位差形成的地环电流，该地环电流导致AI设备输入端存在高共模电压，影响测量精度。（1）      AI隔离的程度AI隔离的程度路间隔离：每个信号通道之间电气隔离，并都控制网络隔离。 模块与模块间隔离：AI模块之间隔离，并都控制网络隔离，但同一模块内的各通道之间不隔离。 一列模块与另一列模块隔离：比方说这5个模块与那5个模块之间隔离，且所有模块都与控制网络隔离，但同一列的5个模块之间不隔离。 站与站之间隔离：两个主控制站（一般装在不同的机柜中）之间隔离，但站内设备之间不隔离。 现场输入与DCS系统隔离：所有现场设备之间不隔离，但都与控制网络隔离。 哪些信号需要隔离哪些信号需要隔离四线制4－20mA变送器：由于变送器自身有电源，并且可能在现场端接地，所以需要路间隔离。 0－5V/0-10V信号：信号源自身提供电源，在现场端也可能接地或与别的系统连接，需要路间隔离。 现场接地型热电偶：热端与外壳接触，而外壳又接地，这种热电偶很少，需要路间隔离。 非接地型热电偶：在热偶中占绝对多数，不需要路间隔离。 热电阻：不需要路间隔离。 两线制4－20mA变送器：其电源为DCS系统提供，所以变送器内部电路不接地，不需要路间隔离。 交流采样信号：必须用互感器（电流互感器CT和电压互感器PT）在前端隔离. AI的隔离技术AI的隔离技术隔离放大器隔离(在信号调理阶段隔离,传统的模拟仪表常用的方法) 变压器隔离型放大器 电容隔离型放大器(飞越电容或集成型放大器) 线性光耦隔离型放大器 数字光耦隔离(转化为数字量后隔离,数字式智能仪表常用的方法) 隔离电压：一般以交流有效值表示，如500Vrms. 过低的隔离电压将导致高压击穿。AI的隔离技术AI的隔离技术一、安全栅的总类： 安全栅分为隔离安全栅，齐纳安全栅两种，隔离安全栅内部用隔离变压器隔离了输入、输出、电源三部分。限制到现场的电流电压在安全防爆的范围内。使现场无法达到火花电压电流。齐纳安全栅内部相当于一个保险丝，当出现过高电流电压时，保险丝烧断，达到保护现场的目的。因此隔离安全栅是重复使用的，齐纳安全栅是一次性使用的。AI的隔离技术AI的隔离技术二、安全栅选型注意事项： 注意本安防爆和隔爆防爆区别，简单地说，本安防爆原理是限能。隔爆原理是密封。仪表都用本安防爆。电气用隔爆。 隔离安全栅有防爆（带EX标志）非防爆，防爆的比非防爆的贵20％（如P+F）。带防爆EX标志表示安全栅本身可安装于危险场所。 齐纳安全栅、隔离安全栅都有带HART和不带HART，带HART安全栅的可将智能仪表信号HART信号从输入端传到输出端。一般只有带变送器的和带调节阀的安全栅需有HART信号。 齐纳安全栅尽量选用国产品牌，因国外齐纳安全栅比国内隔离安全栅还贵。变压器隔离型放大器变压器隔离型放大器电容隔离型放大器电容隔离型放大器ISO124线性光偶隔离型放大器线性光偶隔离型放大器Vout=(R2/R1)*Vin 三种模拟信号隔离放大器比较三种模拟信号隔离放大器比较  AI隔离技术:在数字部分隔离AI隔离技术:在数字部分隔离每路设置独立的A/D 在A/D后将数字量采用光偶隔离.共模和差模干扰共模和差模干扰在工业应用中，共模电压是个经常存在的威胁。通常需要测量含有大的共模成份的微弱差模信号。这些远距离信号和内部固有的50Hz/60Hz的电网干扰往往对测量造成相当的困难。 直流共模信号的进入也会形成干扰。 电网工频信号以差模形式叠加到输入信号，也会形成干扰。 共模和差模干扰信号共模和差模干扰信号ViVicVo+VocViVinVo+VonVic:直流或50Hz 交流共模输入被测信号被测信号50Hz差模信号Vo:被测信号的输出值 Voc:共模干扰的输出值Vo:被测信号的输出值 Von:差模干扰的输出值共模干扰差模干扰 (串模干扰)抑制比的含义抑制比的含义“一群坏人堵在大门口，有多少会混进去？” 1000个坏人堵在大门口，有1个人混进去，则抑制比=1000：1，用分贝表示就是20log1000=60dB（也就是说有千分之一混进去）；如果1000个坏人中有10人混进去，抑制比=1000：10，用分贝表示就是20log（1000/10）=40dB（也就是说有百分之一混进去）。 共模抑制比或差模抑制比的含义与上述比喻类似，只是“坏人”的定义不一样而已。共模抑制比CMRR共模抑制比CMRR共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio): 用于衡量信号放大处理环节衰减共模信号的能力。 理想放大器：差模信号放大，共模输入信号的输出为零。 实际放大器：共模输入信号的输出不为零，等效为有一定的差模输入信号,二者之比即为CMRR. 实际计算时注意正弦信号峰峰值、峰值、有效值间关系共模抑制比CMRR共模抑制比CMRRKd: 差模放大倍数，即通道增益。 Kc: 共模放大倍数 Vic: 共模输入峰值，设Vic为50Hz正弦信号 Voc: 共模输出峰值 Voc/Kd: 共模输入Vic等效的差模输入，所以CMRR值表征了共模“抑制”能力。 Vicrms: Vic的有效值 Vocpp: Voc的峰峰值CMRR的测试CMRR的测试《JB/T 9270－1999：工业控制微型计算机系统过程输入输出通道模板试验检查方法》 直流共模施加AI设备最高可允许的直流共模电压，而被测差模信号施加半满量程值. 交流共模输入CMRR测量，仅对隔离型AI设备有意义，在现场地与系统地之间施加频率为50Hz，有效值为标称隔离耐压值（比如500Vrms）的正弦共模信号，而差模信号为AI半满量程值，测量AI设备的输出波动的峰峰值，然后按前面的CMRR定义公式计算出CMRR.差模抑制比NMRR差模抑制比NMRR实际上，在电子学的教科书中是没有差模抑制比（Normal Mode Rejection Ratio)这一提法的，因为对于一般仪表系统，50Hz的差模信号不能被定性为干扰信号。 但在实际应用中，我们往往需要将串联叠加到输入端的电网工频信号（50Hz或60Hz)定义为干扰信号。 仿照CMRR的定义和物理意义，工业测量领域定义了NMRR，用于衡量系统对50Hz/60Hz差模信号的抑制能力。差模抑制比NMRR差模抑制比NMRRKd: 直流差模放大倍数，即通道增益。 Kn: 50Hz差模信号放大倍数 Vi: 50Hz差模输入峰值 Vo: 输出波动交流峰值 Vo/Kd: 50Hz输入Vi等效的有效差模输入，NMRR值表征了差模“抑制”能力。 Virms: Vi的有效值 Vopp: Vo的峰峰值NMRR的物理意义NMRR的物理意义NMRR衡量了系统对50Hz输入差模干扰信号转的衰减程度： Vd:衰减后进入系统的差模信号 Vn:输入的50Hz差模信号 假如NMRR=60dB，50Hz差模信号峰值为5V， 则5/10（60/20）=5/1000=5mV的差模干扰进入了系统。 没有滤波器的测量系统，NMRR为零。 1阶滤波约贡献20dB NMRR，60dB需要3阶以上滤波。提高NMRR的方法:滤波提高NMRR的方法:滤波滤波器阶数与NMRR关系滤波器阶数与NMRR关系没有滤波器的测量系统，NMRR为零. 配备1阶低通滤波器的AI设备，NMRR最多可以做到20dB. 配备2阶低通滤波器后最多可以做到40dB. 要想将NMRR做到60dB，需要3阶以上的滤波器. 如果要想有效滤除50Hz信号，即使设计了3阶低通滤波器，其截止频率（－3dB点）也必须在5Hz以内，才能保证在50Hz（5Hz的10倍频）处衰减达到60dB。 所以，在DCS系统中，AI的采样率不需要做得很高，10Hz以上就可以了. 更高要求的滤波器是梳状滤波器,专门滤50Hz的倍频. NMRR的测量NMRR的测量《JB/T 9270－1999：工业控制微型计算机系统过程输入输出通道模板试验检查方法》 用信号发生器产生50Hz的差模正弦信号，通过1：1变压器耦合叠加到被测量的信号中或直接叠加（只要信号发生器的输出可以与被测信号串联），被测差模信号为量程的一半。通过测量输出的波动峰峰值，然后计算出NMRR。 采样率采样率采样率（Sampling Rate):测量设备每秒钟对输入信号的采集次数，单位为 次/秒(SPS:Samples Per Second)。 过低的采样率将导致信号失真过低的采样率将导致信号失真足够的采样率下的采样结果 过低采样率下的采样结果 频率混叠的对策:抗混滤波频率混叠的对策:抗混滤波在A/D前加入低通滤波器，将信号中高于Nyquist频率的信号成分滤去,称为抗混叠滤波器 信号带宽信号带宽测量设备允许通过并能不失真测量的信号频率范围。 一般情况下是低通滤波器的截止频率。 为有效过滤50Hz工频干扰，工业控制领域的一般带宽在5Hz以下。 注意:模拟系统的带宽W(Hz)于数字通讯系统的带宽C(bps)是两个不同的概念, 二者之间的关系(S/N为信噪比):阶跃响应阶跃响应阶跃响应时间阶跃响应时间阶跃响应时间（Step Response Time):由于其输入发生阶跃变化，使输出由起始值稳定进入目标值的某一规定误差范围(DCS系统通常为+/-10%)所需的时间。 DCS AI阶跃响应时间要求DCS AI阶跃响应时间要求4－20mA等高电平信号的阶跃响应时间一般要求在1秒以内。 热电偶和热电阻等低电平信号的阶跃响应时间一般要求在3秒以内。 IEC61131-2要求制造商提供的AI指标(2)IEC61131-2要求制造商提供的AI指标(2)AI的工程应用AI的工程应用四线制4－20mA，两线制4－20mA，0－5V/0-10V，RTD，TC等不同类型的AI信号分布在不同的AI模块上。 TC信号需要设置冷端补偿（Cold Junction Compensation）测温元件，测温元件应靠近TC接入端子。 两线制AI设备应设置现场短路保护措施，避免烧毁其内部采样电阻。 在某些关键回路上，AI设备应该冗余配置。 模拟量输出设备（AO：Analog Output）模拟量输出设备（AO：Analog Output）AO设备的技术指标AO设备的技术指标精度、分辨率、稳定度、温漂（参见AI） 带负载能力：在确保最大能输出20mA的条件下，AO的最大电阻负载。对于以24VDC为驱动电源的AO，其理论最大负载24/0.02=1200欧姆。 一般要求AO的带负载能力达到750（一般的负载电阻为250）。 建立时间：DA转换从数字指令下发到AO输出值达到预计的精度范围的响应时间。 AO带负载能力的测量AO带负载能力的测量先将AO的输出值设置到20mA对应的数字量，然后将输出接到可调电阻器上，并串联电流表，不断增加电阻值，当电流开始随电阻的增大逐渐小于20mA时，该负载电阻即为AO的带负载能力。AO的隔离要求AO的隔离要求与AI设备不同的是，对于AO电路来说，因为执行器结构上的先天便利，使得现场执行机构的主体电路与AO设备是电气隔离的。这是因为无论是电-气阀门定位器，还是电动执行器，其控制信号（4-20mA电流）一般都是由电感线圈接收的。 基于上述因素，AO系统地和现场仪表地之间是隔离的，不可能形成地环电流，所以AO设备并不需要采取措施去切断DCS系统地和现场仪表地之间的地环电流。 当然，出于其它安全因素的考虑，比如说防止局部故障扩大化，也可以考虑将AO设计成路间隔离的，这时候相当于每个AO通道的输出级与执行器的输入级构成了一个个独立浮空的电路。 AO的工程应用AO的工程应用驱动负载不要高于AO设备的带负载能力。 关键控制回路应考虑选择冗余AO。 开关量输入（DI：Digital Input)开关量输入（DI：Digital Input)DI的触点型式DI的触点型式机械开关（干接点） 电子开关 电平接点 DI的查询电压DI的查询电压24VDC 48VDC 220VAC 220VDC DI的电路结构型式DI的电路结构型式共地（Sinking）：电流从开关流出，进入DI板后返回到地（对DI设备来说是Sourcing）。 共源（Sourcing）：电流从DI板流出，经开关触点流到地（对DI设备来说是Sinking）。 DI的阈值电平DI的阈值电平逻辑1（State 1）：表示接点闭合的状态 逻辑0（State 0）：表示接点断开的状态 模糊区（Transition Area）：无法确定其逻辑值的过渡区。DI的去抖动的方法DI的去抖动的方法硬件去抖动 软件去抖动：去抖动时间（4－15ms） DI的工程应用DI的工程应用查询电源分配和保险 正反触点安排在同一模块（最好DI上不是长时间所有触点全闭合）SOE(Sequence of Event)：带时标的DISOE(Sequence of Event)：带时标的DISOE：DI with time-stamp，主要用于事故分析。 SOE处理的基本原理:主控制器负责分钟以上时间，SOE模块负责分钟以下时间60000ms 对时的基本原理:由同一个时钟源对其操作站、主控制器和SOE模块的时间. GPS作为标准时钟源。 SOE的对时精度要求SOE的对时精度要求对时精度的理解：指的是相对时间精度，而非绝对时间，即SOE主要关心事件发生的先后顺序。 站内精度：1ms 站间精度：2ms SOE的容量SOE的容量单通道SOE容量（在一个控制周期内模块每通道能保存多少个SOE事件） 模块SOE容量（在一个控制周期内能整个模块能保存多少个SOE事件） SOE的工程应用SOE的工程应用SOE信号尽量集中在同一个站内。 SOE站的通讯量要留有余地，在事件几种爆发时才能满足要求。 开关量输出（DO：Digital Output)开关量输出（DO：Digital Output)DO：输出开关的类型DO：输出开关的类型机械继电器（SPST，SPDT，DPST，DPDT）：Normal Opened，Normal Closed 固态继电器(Solid State Relay—SSR)，是Photo-Darlinton, PhotoMOS, Thyristor, TRIAC等类型开关的统称。 晶闸管（Thyrister，原来称为可控硅Sillicon Controlled Rectifier—SCR），适用控制直流负载。 双向可控硅(TRIAC：Tri-electrode AC switch)，适用于控制交流负载。 DO：输出电路结构型式DO：输出电路结构型式源电流输出（Sourcing）：从开关流出电流供给负载。 沉电流输出（Sinking）：从负载流出电流经开关入地。 源电流型DO 沉电流型DO DO的基本指标DO的基本指标开关寿命 开关容量 漏电流（Leakage Current） DO工程应用注意事项DO工程应用注意事项频繁动作的DO应选用电子开关类DO 有漏电流要求的场合，优先选用机械继电器。 脉冲量输入（PI：Pulse Input）脉冲量输入（PI：Pulse Input）PI的主要指标PI的主要指标测频精度 计数精度 输入信号要求 电平范围 脉冲宽度 AC－DC电源：线性电源AC－DC电源：线性电源AC－DC电源：线性电源AC－DC电源：线性电源工频变压器变压 整流电路整流滤波 电压反馈调整输出电压 高的稳定度，波纹也很小（可以达到5mV） 没有开关电源具有的干扰与噪音 需要庞大而笨重的变压器 滤波电容的体积和重量大 电压反馈电路是工作在线性状态，调整管上有一定的电压降，在输出较大工作电流时，致使调整管的功耗太大 转换效率低，还要安装很大的散热片。 这种电源不适合计算机等设备的需要，将逐步被开关电源所取代。 AC－DC电源：开关电源AC－DC电源：开关电源开关电源的主要优点：体积小、重量轻（体积和重量只有线性电源的20～30%）、效率高（一般为60～70%，而线性电源只有30～40%）、自身抗干扰性强、输出电压范围宽、模块化。 开关电源的主要缺点：由于逆变电路中会产生高频电压，对周围设备有一定的干扰。需要良好的屏蔽及接地。AC－DC电源的指标：纹波和噪声AC－DC电源的指标：纹波和噪声纹波噪声也叫周期与随机偏移。 纹波是指在输出端子间的一种跟输入和开关转换频率同步的脉动成分。用峰——峰值表示。 噪声是指在输出端子间的纹波以外的一种高频尖刺成分。用峰——峰值表示。 纹波噪声一般限制用20Mhz带宽的示波器测量，测量时示波器的电源地线断开，并在表笔上并联0.1uF和10uF两个电容。 AC－DC电源的指标：输出电压精度AC－DC电源的指标：输出电压精度在规定条件（负载，输入，导线长度，温度）下的输出电压相对误差。 有时也指考虑电压调整率、负载调整率和纹波噪声后的电压精度的综合。 AC－DC电源的指标：其它AC－DC电源的指标：其它过压/欠压保护 过流保护/短路保护 过热保护 输出报警 温度漂移 输出电压可调范围 输出功率温度曲线电源冗余：均流冗余电源冗余：均流冗余所有电源平均承担负荷 冗余结构相当于“热”冗余 可以构成1:1, N:1,N:M(M 笔记 哲学笔记pdf明清笔记pdf政法笔记下载课堂笔记下载生物化学笔记PDF 本和UPS。可靠性与可用性可靠性与可用性可靠性（Reliabilty):产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。主要用产品的无故障运行寿命来衡量。常用的指标是平均故障间隔时间(MTBF),单位是小时。 可用性（Availability):含义为某一时刻系统无故障工作的概率——MTTF/(MTTF+MTTR)。 MTBF值的计算方法，目前最通用的权威性标准是MIL-HDBK-217、GJB/Z299B和Bellcore，分别用于军工产品和民用产品。其中，MIL-HDBK-217是由美国国防部可靠性分析中心及Rome实验室提出并成为行业标准，专门用于军工产品MTBF值计算，GJB/Z 299B是我国军标；而Bellcore是由AT&T Bell 实验室提出并成为商用电子产品MTBF值计算的行业标准。从可靠性到可信性(Dependability)从可靠性到可信性(Dependability)可信性作为描述可用性与其相关因素，即可靠性、可维修性和维修保障性的集合性非量化术语。 可信性是当代产品使用性能的主要属性，它包括可靠性，可维修性和维修保障性等质量特性。 1993年ISO9000.4 idt IEC300-1可信性大纲管理指南》的发布，标志着可靠性管理已发展到可信性管理 可信性管理就是当代的可靠性管理。 MTTF,MTBF,MTTRMTTF,MTBF,MTTR系统正常MTTF系统正常MTTFMTTRMTTR修复维修MTBFMTBF = MTTF + MTTR 如果 MTTR « MTTF: MTBF  MTTFtime故障MTTF: Mean Time to Failure平均无故障时间 MTBF: Mean Time Between Failures平均故障间隔时间 MTTR: Mean Time to Repair平均维修时间可靠度和失效率可靠度和失效率可靠度R(t):0-t时刻内系统正常工作的概率。 失效率:单位时间内发生失效的概率。 当为常数时：R(t)t失效率“浴盆”曲线开始投运成熟期00.20.40.60.81tR(t) = bathtubR(t)= e -0.001 t ( = 0.001/h)MTTF(t)退役R (t) = e -tMIL-HDBK-217F中典型器件的失效率MIL-HDBK-217F中典型器件的失效率FIT (Failures in Time), 1 fit = 10-9 /h.MIL HDBK-217FElement Rating failure rate resistor 0.25 W 0.1 fit capacitor 100 nF 0.5 fit capacitor 100 F 10 fit processor 486 500 fit RAM 4MB 1 fit Flash 4MB 12 fit FPGA 80 fit PLC compact 6500 fit digital I/O 32 points 2000 fit analog I/O 8 points 1000 fit battery per element 400 fit VLSI per package 100 fit 安全性安全性功能安全（Functional Safety) IEC61508:Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems. 定义：系统正确地响应输入从而正确地输出控制的能力。 人身安全（Life Safety) GB4943(idt IEC60950)：信息技术设备的安全 对于DCS而言，主要指电工安全。 信息安全（Information Security) 主要针对信息的保密和防止非法访问。 安全性和可靠性之间的关系安全性和可靠性之间的关系安全性（Safety)：系统故障情况下不对财产和生命带来危害的性能。 可靠性注重于考虑系统能连续正常工作的程度。 安全性注重于考虑系统故障的防范和处理措施，并不会为了连续工作而冒风险。 可靠性高并不意味着安全性肯定高。 安全性总是要依靠一些永恒的物理外力作为最后一道屏障，比如利用重力不会因停电而消失，往往用于紧急情况下关闭设备。 某些情况下，可靠性与安全性是同义词，比如飞机发动机（这些情况下，停机等于危险）。功能安全(Functional Safety)功能安全(Functional Safety)构成功能安全的两个必要条件 危险前有信息输入 系统能以非常高的概率确保正确地响应输入，避免危险的发生。 举例：电动机线圈超温保护，当采用温度探头测量温度，超温就切断电源，这属于功能安全；但如果通过改善线圈的材质获得耐高温，则不属于功能安全，而输入内在安全（Inherent Safety).所以功能安全仅仅是总体安全的一方面，总体安全一般用“故障安全”的概念。 安全相关系统的两个中心议题 什么功能需要安全：危险分析过程（Hazard Analysis),即什么情况下会出现什么后果。 该功能需要达到什么安全度（Safety Integrity)：风险评估过程（Risk Assessment),即危险的概率评估。IEC61508安全度等级(SIL-Safety Integrity Level)IEC61508安全度等级(SIL-Safety Integrity Level)Low demand mode:非连续使用的系统，每年最多使用一次且y预防性检修周期在半年以内（每年检修不少于两次）。IEC61508安全度等级(SIL-Safety Integrity Level)IEC61508安全度等级(SIL-Safety Integrity Level)High demand or continuous mode:每年使用2次以上，或者使用1次，预防性检修周期大于半年（每年检修少于两次）。信息安全信息安全信息安全：保证信息的完整性、可用性和保密性。 信息安全的三个层面 网络安全：防止非法进入与访问 系统安全：防病毒 数据安全：数据保密 信息安全常用技术 防火墙：在内部网与外部网之间设置隔离墙 虚拟专用网：使用加密路由器在公共网上建立专用网络 安全服务器：设置安全服务器管理局域网。 电子签证机构；提供成员身份验证和密钥管理等功能。 用户身份认证：IC卡，数字签名等技术的应用。 安全管理中心：为信息安全建立集中管理机构。 安全操作系统：为系统中的关键服务设计专用操作系统。人身安全及安规认证人身安全及安规认证产品责任法 非过失责任 首先举证的责任在制造商 企业自检 产品责任全部由制造商承担 自愿申请第三方认证 检验的完备性 市场认可程度高（使用没有UL认证的产品，投保都困难） 产品责任的第三方技术和法律支持 强制申请第三方认证 CE CCC安全规范安全规范CCC：中国安规 CSA：加拿大安规 K-Mark:韩国安规 LCIE:法国安规 KEMA:荷兰安规 CE指令：93／68／EEC 低压电气安全 ANSI／UL1950(IEC60950) 信息产品安全目前我国对工业控制设备尚不要求进行3C认证。气候影响：温度、湿度和气压气候影响：温度、湿度和气压工作环境温度：设备能正常工作时，其外壳以外的空气温度，如果设备装于机柜内，指机柜内空气温度。 存储环境温度：指设备无损害保存的环境温度。 工作环境湿度：设备能正常工作时，其外壳以外的空气湿度，如果设备装于机柜内，指机柜内空气湿度。 存储环境湿度：指设备无损害保存的环境湿度。 IEC60654-1-1993（等同GB/T17214.1-1998）工业过程测