TPS硬件体系2005年9月
0．TPS系统概况
美国Honeywell 公司的全厂一体化方案系统Total Plant Soluation System (TPS)是Honeywell推出的新一代基于Windows-2000环境的DCS系统，是TotalPlant全厂一体化开放概念里的一个平台。通过一个创新的系统结构和开放的通讯环境，TPS将过程和现场仪表的管理（控制层）与生产和信息的管理（信息层）集成在一起，形成一个信息与控制的集成系统。这套系统为我们提供了工艺过程和商业经营管理结合的软件及硬件环境,可从软件及硬件两个方面为我们全厂范围内的现场仪表信息管理、工艺过程控制、工艺过程的先进控制及优化、商业运作的信息管理提供良好的环境及解决方案。
1。TPS网络结构
1．1．TPS网络层次
Total Plant Solution System (TPS)系统网络分三层，即厂级信息数据通讯网PIN，本地监控网LCN(Local Control Network)和通用控制网UCN。
厂级信息网PIN为遵循IEEE802.3协议的100MB工业以太网。本地监控网LCN广播式10MB令牌环网为系统的主干网，可接纳GUS工作站、HM、AM、NG、EPLCG、NIM、服务器APP等。 UCN工业载波式令牌环网是LCN的下层网络，用以实现HPM站之间和HPM站与上层网络接口NIM的通讯。高性能过程管理HPM站由高性能过程管理模件HPM及其所带的输出输入模件（I/O模件）组成。工业载波式令牌环
网也是冗余配置，最大传输率为10MB/s。
一期TPS控制系统主要有一号机组，二号机组，NCS和BOP四个部分组成。主要完成对两台锅炉和汽轮发电机组以及所有电气和附属机械，辅助设备输煤系统、除灰系统、化水系统、除灰系统的控制、报警、监视，同时涵盖厂级监视信息系统、电厂管理信息系统、闭路电视系统、仿真系统以及其它杂项仪表和控制设备。
单元机组控制网络的配置为：4条用网络接口NIM进行功能和物理分散的通用控制网络UCN。其中MBEL部分配置2条控制网；DEC和HTL部分配置1条控制网；电气和其他部分配置1条控制网。电气辅助管理系统ECS通过EPLCG连接到LCN，汽机DEH通过串行总线RS485协议连接到相应的HPM上，MEH通过硬接线方式实现。燃油泵房，循环水泵房，锅炉壁温和发电机温度等通过远程IO实现。
公用A网包括空压机，燃油系统，凝结水精处理通过EPLCG连接到LCN。
公用系统的网控系统NCS和水煤灰系统采用PKS系统，采用SCADA 实现。
DCS与SIS系统的接口则通过APP服务器和Uniformance PHD 平台完成。
TPS系统的多层网络体系结构使控制、通讯、集成、操作等功能彻底分散，保障了该大规模控制系统的可靠性和实时运行的稳定性。1．2 TPS网络通讯协议
1．2．1TPS系统数据通讯系统配置如下：
1．2．2三种网络访问控制方式：CSMA/CD，工业广播式令牌网，工业载波式令牌网
作为厂级信息数据通讯网PIN的100MB以太网采用CSMA/CD网络访问控制技术，CSMA/CD（CarrierSense Multiple Access with Collision Detection）即带有碰撞检测的载波侦听多重访问，用于总线网络，其特点是“先听后说”，其控制策略可概括为：竞争
发送，广播式传输，载波侦听，碰撞检测，等待时机，再试发送。PIN使用标准和通用的网络设备（交换机、网卡、通讯电缆等）支持所有人机界面之间的通讯、基于Windows的任务的通讯、打印机的连接和打印任务的执行
本地监控网LCN采用的广播式10MB令牌环网。“令牌（TOKEN）”是一种特殊的信息，接收到“令牌”的网络节点可以访问网络和发送一帧信息，然后将“令牌”传到下一个相邻节点。信息帧的目标地址域可以规定为网络节点的物理地址或可以指定为逻辑节点地址（最多可为8192个地址/接点）。当指定逻辑地址时，所有具备该逻辑地址的节点的模件均可以接收该帧信息。此外，信息源节点还可以广播信息到所有的节点。以这几种方式，信息可被传输到整个网络，而与源与目标节点的物理位置无关。
因为是专用通讯网络，未公开数据包帧的信息结构，相应的辅助信息为：
从一个模件传输到另一个模件的信息帧的字节数为100到2000。采用冗余的通讯电缆和对每一个接收到的信息帧进行CRC 校验，以及软件检测信息长度等方法确保了网络的安全，几乎不可能发生检测不到的出错，对于检测到的极少的出错，通过重发予以纠错。在每一帧结尾处的帧校验序列码（FCS）含16位多项式校验和，是独特的每一帧所含信息的特殊表示方式。
LCN采用双重冗余的结构，当一路断开或出现故障时，另一路也可以正常的工作，这样就保证了控制系统的稳定性。LCN的冗余如图
所示，在LCN中一根电缆作为主要电缆，而另一根作为备用，信息同时在两根电缆中传输。但模件只从主要电缆中接收信息，定期地发布命令到所有模件中去，切换主要的和备用的电缆。若有一模件不能从主要电缆中接收到信息，那么它就收听备用电缆的信息，并且发送一出错信号给出错日报和操作员。
UCN是一个高性能的、实时的MAP协议基础上的过程控制网络，它提供工业生产所要求的冗余性、、可靠性和安全性。UCN与LCN 的时钟同步，并在UCN网上广播，这就保证了HPM所具有的功能，如每毫秒事件顺序（DI SOE）数字输入的监测功能，有高精度时间分辨率。多条控制网络UCN的配置可使控制系统按不同的工艺系统灵活的设置控制器，同时分散和大大降低了控制网络的通讯负荷。
UCN网络设备主要有
1）干线电缆，支线电缆
2）TAP
3）终端电阻
4）UCN设备（NIM，HPM）2．TPS硬件
王曲TPS硬件统计1
王曲TPS硬件统计2
2．1高性能过程管理HPM站
高性能过程管理站是最主要的数据采集和控制设备，它采用多处理器结构技术，用不同的处理器结构技术完成不同的任务，高性能过程管理站包括高性能过程管理站模件（HPMM）和I／O子系统以不断扩展的性能和极大的安全性为控制功能提供了高性能的控制
平台，配置的所有 I/O 卡件均带CPU 的IO 处理器模件，在卡件本身所带的CPU 进行输入/输出的处理运算和报警检测，而控制处理器进行多变量的运算、复杂控制算法的运算，执行顺序控制、先进控制等功能，这种分工确保了实时控制按指定周期确定性的运行。
HPM 机柜正面安装HPM 控制器和IOP 卡件，背面安装FTA 现场接线电路板。机柜内部安装的辅助设备有：温度报警风扇2对及报警装置。柜内蓝色电缆是I/O Link 电缆，它主要完成主/备两机笼之间的通讯。同一UCN 的HPM 之间采用点对点通讯。
UCN 接口模件有两个绿色状态指示灯RXA 和RXB 。当传送数据时指示灯闪烁。在HPMM 没有下装软件时，每隔几秒闪动一次。
? HPMM 多处理器并行
工作结构? I/O 处理器 (64个/对 IOP)
? 最大I/O 点:
? 1280(非冗余)
? 2560(冗余)
? 最大I/O 点时,设计规范
控制器负载>40%
? 现场接线端子
2．1．1 HPM过程管理模件构成
高性能过程管理模件(High-performance Process Manager)由高性能通信处理器、高性能控制卡处理器（带两个68040芯片）、I／O链路接口卡和通用控制网络接口卡等部分组成。高性能通信处理器具有完成网络数据存取和对等通信等功能，同时对现场过程控制器产生的报警进行精确时间标记；高性能的控制处理器具有专门完成常规控冗
高性能过程管理站HPM
制、逻辑控制、顺序控制的功能；I／O链路接口卡是高性能过程管理站模件与I／O子系统的接口，通用控制网络接口卡完成高性能过程管理站模件与通用控制网的通信转换。
2．1．2硬件性能指标
HPM硬件详细性能参数如下：
处理机芯片（制造厂家等级及编号）Motorola M68040
运算速度133MHz
每种ROM和RAM的存贮器负荷<40%
字长32bit
时钟频率133MHz
I/O最大容量：
模拟量输入：640/每个控制器
模拟量输出：640/每个控制器
数字量输入：1280/每个控制器
数字量输出：1280/每个控制器
编程语言（如BASIC）专用控制语言CL/HPM
运行平台专用实时网络操作系统RNOS
PID算法执行时间250ms/Fast; 150ms
系统RAM总数80400K字节
系统ROM总数20368 /Flash ROM
微处理器操作系统和功能块库固化在ROM中。
编译后的可执行控制策略存储在控制器的RAM中。控制系统调整常数存贮在控制器的RAM中（可由工程师在线修改），可自动备份保存在系统硬盘上。
IO 算法存储在IO处理器卡件的ROM/RAM中
HPM处理器之间是双工设计的以确保一个控制器发生异常和故障时可以切换到冗余的控制器上，切换实现无扰切换。其冗余切换时间<1mS。数据更新周期为50mS-250mS。故可确保系统的控制和保护功能不会因为切换而丢失或延迟。为保证处理模件安全可靠运行，HPM设有：
冗余的电源系统
冗余的控制处理器模件
冗余的通讯处理器模件
冗余的网络连接电缆
2．1．3HPM的控制功能
HPM作为UCN的核心设备，具有丰富多样的功能。HPM所有的控制功能都是由HPMM实现的。HPMM为数据监测和控制提供了强有力的控制功能，包括专用调节控制软件包、全集中联锁逻辑功能以及面向过程工程师的高级控制语(CL/HPM)，通过对这些功能模块随意组合，可方便地实现连续控制、逻辑控制、顺序控制和批量控制等
功能。同时多处理器并行处理结构也保证了过程控制的实时确定性。上述功能在HPM中是以各种类型的SLOT予以实现的。一个具有标识名的SLOT称为一个数据点，应用软件的组态就是数据点的组态。归纳起来HPMM中共有以下几种数据点类型：
常规PV算法：
?数据采集
?流量补偿
?三选一选择器
?高/低平均选择器
?多变量加法器
?流量累积器
?带变量纯滞后的二阶环节
?多段折线转换器
?可编程计算器
?等其它。
常规控制算法：
?PID
?带前馈的PID
?带外部复位和反馈的PID
?带位置比例控制器的PID
?位置比例控制器
?比率控制器
?分段爬升/下降控制器
?手动/自动站
?多个主回路输出变化量累加器
?开关
?强制选择器
?乘法器/除法器
?加法器
?控制模式：手动, 自动, 串级, 后备串级
?模式属性(操作员/程序)
?正常模式缺省设定
?远程串级、远程请求和远程组态
?抗饱和保护
?输出扇出（Fanning)
?固定或自动变化的目标值的比率和偏置(Ratio/Bias)
?强制选择的传播
?外部模式切换
?安全停车
?目标值处理
?PV坏值时，控制模式的自动安全保护
?等其它。
逻辑控制算法：
?逻辑算法（AND, OR, NOT, NAME, NOR, XOR, QUALIFIED- OR2, QUALIFIED-OR3, DISCREP3) ?比较算法(EQ, NE, GT, GE, L T, LE)
?延迟（ON DELA Y, OFF DELA Y, DELA Y)
?脉冲（FIXPULSE, MAXPULSE, MINPULSE)
?看门狗时钟（WA TCHDOG TIMER）
?触发器（FLIP-FLOP）
?逻辑检查（CHECK for BAD）
?切换（SWITCH）
?变化检测（CHANGE DETECT）
?等其它。
数字综合点算法
设备控制点算法
过程模块点/用户程序功能
数组点数据结构
标志量点
数值点
时钟/时间点
字符串结构等。
2．1．4输入输出模件
DCS中的输出输入模件有DI、DO、AI、AO、PI等类型。高性能过程管理站的I／O子系统包括输入－输出处理器（input／output processor，IOP）和现场接线端子（field termination asse mble，FTA），其功能是对现场输入、输出信号进行扫描和处理。输入、输出的处理