仪表技师培训讲义第一讲.docx
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仪表技师培训讲义第一讲
热
工
仪
表
蓝
领
技
师
讲
义
2014-4-30
编制代伟东
前言
随着自动化技术的高速发展,综合控制理念的普及,在当前工企生产工艺控制领域和民用电力及市政设施领域中,仪表专业技师已不再限于十几年、甚或几年以前计量检测工作的所谓“眼睛”角色。
而是随着仪表为基础的自控系统技术升级性普遍建成,直接负责起来上述领域中“大脑”(集控中心设备)及其下属组织架构的维护及技术改造工作。
为此,编者认为,局限于之前的知识层面来学习仪表技师技能,会很快落后。
本讲义拟以此为出发点,在大家已经具备了较丰富的热工仪表及检测方面经验的基础上,来与大家重点探讨、学习这些不得不掌握的知识内容,结合着必须的仪表技师科目,来完成这次培训。
受时间和编者水平所限,本讲义能涵括的内容难以深化,希望大家结合自己的技能知识和工作需要,再通过自学和实践,提高自己的技术水平。
第一讲简介现代仪表控制理论
1.仪表控制理论及应用的发展
1.1常规控制→先进控制→智能控制
1.2经典控制理论→现代控制理论→无模型的第三代
控制理论
2.仪表综合自动化的发展:
2.1安全、平稳(由第一代控制理论-经典控制理论来解决)
由DCS实现的常规控制(比如PID、响应曲线)以及其连锁保护装置保证了生产过程的安全平稳
2.2优质、高效(由第二代控制系统来解决)
由智能化控制(比如阀门、水泵的自适应曲线控制)和总控中心的软件优化(比如时间程序、大容量的记忆、比较和分析)实现最优计划与调度来解决。
3.执行过程的发展:
3.1单个工艺变量→单元组合仪表→单元过程的PLC→执行机构→整个系统自控
3.2总控上位机→网络→→操作员站
→单元过程PLC→执行机构
热工智能传感器
4.简介传统技师知识里相关的集散控制系统(DCS)和总线技术
4.1概念:
DCS及现场总线技术是由计算机、信号处理、测量控制、网络通信和人机接口等技术综合产生的一门应用技术。
DCS即所谓分布式控制系统,或称之为集散系统,是相对于集中控制系统而言的一种新型计算机控制系统,它是集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。
1995年国际标准化组织(ISO)定义:
DCS系统式一类满足大型工业生产和日益复杂的过程控制要求,从综合自动化角度出发,按功能集散,管理集中的原则构思,具有高度可靠性指标,将微处理技术、数字通讯技术、人机接口技术相结合,用于采集、过程控制和生产管理的综合控制系统。
它是从分解的观点出发,把被控对象分解多个统,再把独立的子系统用通信线连接起来的系统,完成直接数字控制、顺序控制、批量控制、数据采集与处理等最佳控制功能,将操作员和生产过程密切结合起来。
DCS自70年代问世以来,很多公司各自推出了不同设计、风格各异的产品。
但是,尽管种种的DCS千差万别,其核心却基本上是一致的,我们可以简单的将其归纳为“三点一线”式的结构。
“一线”是指DCS的骨架计算机网络,“三点”则是指连接在网络上的3个不同类型的节点。
这3种不同类型的节点是:
面向被控制过程现场的I/O控制站;面向操作人员的控制站;面向DCS监督管理人员的工程师站。
DCS主要的基本组成部分如下:
1.DCS的系统网络
用于DCS的计算机网络很多方面的要求不同于通用的计算机网络。
它是一个实时网络,也就是说,网络需要根据现场通信的实时性的要求,在确定的时限内完成信息的传送。
2.现场I/O控制站
现场I/O控制站是完成对过程现场I/O处理并实现直接数字控制(DDC)的网络节点。
3.操作员站
DCS的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面(OI-OperatorInterface)或(MMI-ManMachineInterface)功能的网络节点,其主要功能就是为系统的运行操作人员提供人机界面,使操作员可以通过它及时了解现场的运行状态、各种运行参数的当前值、是否有异常情况发生等。
4.工程师站
工程师站是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统的监督、控制、维护的网络节点。
其主要功能是提供对DCS进行组态、配置工作的工具软件,并在DCS在线运行实时的监控DCS网络上各个节点的运行情况,使系统工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定,使DCS随时处在最佳的工作状态之下。
现场总线是指以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络,也称现场网络。
也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。
原来这些机器间的主体配线是ON/OFF、接点信号和模拟信号,通过通讯的数字化,使时间分割、多重化、多点化成为可能,从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线(配线的共享)。
主要用于制造业、流程工业、交通、楼宇、电力等方面的自动化系统中。
现场总线的特点及优点:
1.全数字化通信。
2.开放型的互联网络。
3.可互操作性与互用性。
4.现场设备的智能化。
5.系统结构的高度分散性。
6.对现场环境的适应性。
现场总线控制系统由测量系统、控制系统、管理系统三个部分组成,而通信部分的硬、软件是它最有特色的部分。
1、现场总线控制系统:
它的软件是系统的重要组成部分,控制系统的软件有组态软件、维护软件、仿真软件、设备软件和监控软件等。
首先选择开发组态软件、控制操作人机接口软件MMI。
通过组态软件,完成功能块之间的连接,选定功能块参数,进行网络组态。
在网络运行过程中对系统实时采集数据、进行数据处理、计算。
优化控制及逻辑控制报警、监视、显示、报表等。
2、现场总线的测量系统:
其特点为多变量高性能的测量,使测量仪表具有计算能力等更多功能,由于采用数字信号,具有高分辨率,准确性高、抗干扰、抗畸变能力强,同时还具有仪表设备的状态信息,可以对处理过程进行调整。
3、设备管理系统:
可以提供设备自身及过程的诊断信息、管理信息、设备运行状态信息(包括智能仪表)、厂商提供的设备制造信息。
4、总线系统计算机服务模式:
以客户机/服务器模式是目前较为流行的网络计算机服务模式。
服务器表示数据源(提供者),应用客户机则表示数据使用者,它从数据源获取数据,并进一步进行处理。
客房机运行在PC机或工作站上。
服务器运行在小型机或大型机上,它使用双方的智能、资源、数据来完成任务。
5、数据库:
它能有组织的、动态的存储大量有关数据与应用程序,实现数据的充分共享、交叉访问,具有高度独立性。
6、网络系统的硬件与软件:
网络系统硬件有:
系统管理主机、服务器、网关、协议变换器、集线器,用户计算机等及底层智能化仪表。
软件一般有厂家提供。
下面介绍一下DCS和现场总线之间的一些联系:
1.现场总线集成于DCS系统是现阶段控制网络的发展趋势:
尽管用户对控制系统的结构改进表示欢迎,但他们并不希望对他们现有的仪表系统做大的改动。
目前在现场总线的发展初期,大多数用户更倾向于对他们现有的仪表系统进行逐步的增添和替换;另一方面DCS系统及其仪表的消失或完全被取代,对于费用或人力而言也都是不合理的。
现阶段最可行的方案是考虑如何使现场总线与传统的DCS系统尽可能地协同工作,这种集成方案能够得到灵活的系统组态,以适用于更广泛的、富于实用价值的应用。
2.现场总线于DCS系统I/0总线上的集成:
在DCS系统的I/O总线上集成现场总线的关键是通过一个现场总线接口卡挂在DCS的I/O总线上,实现现场总线系统中的数据信息映射成原有DCS的I/O总线上相对应的数据信息,如基本测量值、报警值或工艺设定值等,使得在DCS控制器所看到的现场总线来的信息就如同来自一个传统的DCS设备卡一样。
这样便实现了在I/O总线上的现场总线技术集成。
3.现场总线于DCS系统网络层的集成。
4.现场总线通过网关与DCS系统并行集成。
综上所述,我们相信现场总线系统将广泛地应用到过程工业控制中,通过对过程控制系统进行一些必要的修改,将现场总线技术引入到DCS中,将会给用户带来大量的收益;另一方面,即使大多数的连续控制环路将由现场总线系统来完成,DCS系统仍将在许多诸如实时要求较高的控制场合扮演重要的角色。
现阶段现场总线与DCS系统的共存将使用户拥有更多的选择,以实现更合理的控制系统。
组成:
基本控制单元、操作者接口、过程接口、管理计算机和通讯母线系统五个主要部分。
(具体的架构、图例、应用资料可参考网络资料和厂家文件,这里不再赘述)
5.现代仪表集中控制的SCADA系统技术
5.1概念:
SCADA系统是以计算机为基础的生产过程控制和调度自动化系统,它可以对现场运行的设备进行监视和控制,实现数据采集、测量、各类信号报警,设备控制和参数调节等各项功能。
广义的来说凡是具有系统监控和数据采集功能的软件,都可称为SCADA软件。
一般来说全部SCADA系统主要由位于监控中心的SCADA软件系统、位于现场监控站的各远程终端单元(RTU/PLC)以及连接它们的通信系统(有线、无线、光纤、卫星)组成。
5.2应用情况和主要内涵技术:
SCADA系统可以应用到包括电力、石化、钢铁冶金、供水供热供气、隧道交通、环保、航空航天、楼宇、食品、医药、建筑、科研等众多领域。
早期的SCADA系统主要运行在DOS、UNIX、VMS操作系统中,现在多数运行在Windows、UNIX及Linux系统中。
SCADA系统的发展与计算机技术的发展息息相关,到今天已经经历了四代。
目前,第四代SCADA系统技术正逐渐发展成熟,Internet、GSM、GPRS等网络技术的采用,GIS,GPS、面向对象技术、神经网络技术以及JAVA技术的融入,Windows、Linux、RTOS等软件的使用,SQL、ODBC、OPC等标准的完善,SCADA系统将会更加社会需求,更加广泛的应用于各个领域。
采用流行的C/S、B/S结构体系、模块化的设计思路,通过组态可对各项任务(如I/O处理、报警、趋势、报表等)进行分配来平衡和协调系统的负荷,各项任务可按需要运行在不同的计算机来分担负荷,基于这种结构的系统具有良好的扩充性能,系统扩展时不会改变原有的系统结构,扩展方便。
对从而确保系统工作在最佳的状态,也为系统的扩充提供技术上的保障。
软件内部为客户打包了几乎全世界所有品牌的PLC、DCS、RTU等控制器的驱动程序。
也全面支持OPCServer、OPCClient、ODBC、OLEDB、DDE、ActiveX、API等流行的数据交换技术,可方便实现与第三方软件或应用程序交换数据。
提供丰富的图形库和强大的图形编辑能力,尤其是提供独特的3D管道绘制功能,从而使得上位机监控画面的开发工作变得简单轻松。
画面上所有图形均可采用3D或立体显示,同时支持真彩显示方式,令上位监控画面更显精彩。
监控画面采用标准的、人性化操作界面,符合通用的操作和显示习惯。
软件内置的趋势,报警,事件功能,以及包含弹出窗口和操作指导在内的其他功能。
提供在Internet/Intranet上通过IE浏览器以客户端方式来监控工业现场的解决方案;支持通过PDA掌上终端在Internet实时监控现场的生产数据,支持通过移动GPRS、CDMA、GSM网络与控制设备或其它远程力控节点通讯;
内嵌分布式实时数据库,数据库具备良好的开放性和互连功能,可以与MES、SIS、PIMS等信息化系统进行基于XML、OPC、ODBC、OLEDB等接口方式进行互连,保证生产数据实时地传送到以上系统内。
完整的网络冗余及软件容错解决方案,支持控制设备冗余、控制网络冗余、监控服务器(双机)冗余、监控网络冗余、监控客户端冗余等多种系统冗余方式。
稳定的通讯处理,通过RS232、RS422、RS485、电台、电话轮循拨号、以太网、移动GPRS、CDMA、GSM网络等方式和设备进行通讯。
支持主流的DCS、PLC、DDC、现场总线、智能仪表等1000多种厂家设备的通讯。
支持离线诊断,在开发环境下可以诊断是否正常通讯。
支持不同协议的设备在一条通讯链路进行通讯。
支持在大型SCADA系统中的远程通道冗余通讯。
图形系统主要特点:
方便、灵活的开发环境,提供各种工程、画面模板、可嵌入各种格式(BMP、GIF、JPG、JPEG、CAD等)的图片,方便画面制作,大大降低了组态开发的工作量;强大的分布式报警、事件处理,支持报警、事件网络数据断线存储,恢复功能;支持操作图元对象的多个图层,通过脚本可灵活控制各图层的显示与隐藏;强大的ActiveX控件对象容器,定义了全新的容器接口集,增加了通过脚本对容器对象的直接操作功能,通过脚本可调用对象的方法、属性;全新的、灵活的报表设计工具:
提供丰富的报表操作函数集、支持复杂脚本控制,包括:
脚本调用和事件脚本,可以提供报表设计器,可以设计多套报表模板,报表文件格式兼容Excel工作表文件,支持图表显示自动刷新,可输出多种文件格式:
Excel、TXT、PDF、HTML、CSV等。
分布式的结构
在软件功能模块的分布式体系结构体现在各个组件程序间的关系上,图形界面系统VIEW和实时数据库DB之间是分布式的,使一个图形界面可同时连接多个不同的机器上的实时数据和数据源,而各个分布式的数据库分别对连接自己的I/OServer进行采集数据和处理,如输入数据的量程变换、流量累积、报警检查,以及PID运算等,这种体系结构的优越性在于,各组件任务分配更合理,使您的系统实时性更好,稳定性更高。
5.3那么,怎么样应用SCADA系统呢,下面以电力监控系统为例,说明SCADA系统的应用技术流程:
(1)针对电力监控项目具体的应用问题明确系统需求,设计SCADA系统架构,选择计算机系统硬件、网络设备以及系统软件。
系统软件包括操作系统、数据库以及相关类库。
(2)根据工程项目要求,确定SCADA系统需求、现场测控设备、RTU/PLC以及通讯管理机,确定数据类型和I/O点变量的个数。
(3)进行分布式控制系统组态,确定系统组成节点以及网络控制方式。
(4)进行数据库组态、通信组态,确定SCADA系统的厂站、现场设备以及数据测控点、报警点,确定实时数据库以及采集系统通信方式、属性,设置系统的安全限制。
(5)进行图形组态,同时连接数据库,将监控图形中的图元对象与实时数据库测控点变量建立对应关系,生成监控界面。
监控界面图形包括接线图、棒状图、曲线图、趋势图、动画等。
如果有脚本文件需要进行编写,则规定动画属性、事件以及动作。
将图像组态存为文件或存至关系数据库。
图形组态的手段是以工具的形式出现的,用户可以通过图形组态工具栏中的按钮或者相应的菜单命令选择需要的图形,包括简单图形(直线、矩形、园)、特殊图形(按钮、趋势曲线、位图)、用户自定义图形等,实现监控系统设备与元器件的矢量图形化描述。
(6)进行报表组态,生成相关报表并保存。
报表中有两个概念:
描述表和数据表。
数据表是用户最终得到的报表,描述表是通过组态设计得到的报表,它是对数据表的一种描述和定义。
外观上描述表和数据表一样,包括页面参数设置、格式设计(表头设计)、内容制定等。
(7)进行系统测试。
分为部分和整体测试,视调试情况进行相应的修改与完善。
一般来说,一个SCADA系统进行完组态后在较长的时间内基本不会改动。
除非系统本身添加了测控设备或者采集的数据格式有所改动。
(8)将全部内容调试完成以后,系统投入正式运行(或试运行),系统实时运行的大致流程为:
运行组态好的SCADA系统,数据采集系统接收通讯系统传上来的实时数据,进行规约解释后放入共享数据缓存区,数据处理系统对数据进行加工处理后传送至实时数据库,监控界面调用实时库中的数据并显示刷新。
用户需要时可以用鼠标点击相关图元,显示设备及测控点的基本数据。
可以登录获得控制权限下发命令至数据采集系统,从而进行遥控、遥测操作,系统将需要保存的数据及事件保存至历史数据库、可以调用历史曲线、历史报表显示、查询、打印历史数据。
5.4SCADA系统接口
软件和硬件设备的连接方式主要可归纳为三种:
(1)标准通讯协议:
CANBUS、Profibus、Modbus等。
(2)标准的数据交换接口:
DDE或者OPC。
(3)绑定驱动:
针对特定硬件或目标设计的驱动,不同的SCADA软件需要不同的驱动支持。
5.4.1、CANBUS协议
作为ISO11898CAN标准的CANBUS(ControLLerAreaNet-workBus),是制造厂中连接现场设备(传感器、执行器、控制器等)、面向广播的串行总线系统,最初由美国通用汽车公司(GM)开发用于汽车工业,后日渐增多地出现在制造自动化行业中。
CANBus系统通过相应的CAN接口连接工业设备(如限位开关、光电传感器、管道阀门、电机启动器、过程传感器、变频器、显示板、PLC和PCI工作站等)构成低成本网络。
直接连接不仅提供了设备级故障诊断方法,而且提高了通信效率和设备的互换性。
CANBus数据传输速率为1Mbit/s时,传输最大距离为40m,速率为5kbps是传输最大距离为10km,基本站点数64,传输媒体是屏蔽双绞线或光纤。
5.4.2Profibus协议
PROFIBUS是过程现场总线的缩写,于1989年正式成为现场总线的国际标准。
目前在多种自动化的领域中占据主导地位,全世界的设备节点数已经超过2000万。
其中PROFIBUS-DP应用于现场级,它是一种高速低成本通信,用于设备级控制系统与分散式I/O之间的通讯;PROFIBUS-PA适用于过程自动化,可使传感器和执行器接在一根共用的总线上,可应用于本征安全领域;PROFIBUS-FMS用于车间级监控网络,它是令牌结构的实时多主网络,用来完成控制器和智能现场设备之间的通信以及控制器之间的信息交换。
主要使用主-从方式,通常周期性地与传动装置进行数据交换。
5.4.4Modbus协议
此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。
许多工业设备,包括PLC,DCS,智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通讯标准。
有了它,不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络,进行集中监控。
当在网络上通信时,Modbus协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址,识别按地址发来的消息,决定要产生何种行动。
如果需要回应,控制器将生成应答并使用Modbus协议发送给询问方。
Modbus协议包括ASCII、RTU、TCP等,并没有规定物理层。
此协议定义了控制器能够认识和使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。
标准的Modicon控制器使用RS232C实现串行的Modbus。
Modbus的ASCII、RTU协议规定了消息、数据的结构、命令和就答的方式,数据通讯采用Maser/Slave方式,Master端发出数据请求消息,Slave端接收到正确消息后就可以发送数据到Master端以响应请求;Master端也可以直接发消息修改Slave端的数据,实现双向读写。
Modbus协议需要对数据进行校验,串行协议中除有奇偶校验外,ASCII模式采用LRC校验,RTU模式采用16位CRC校验,但TCP模式没有额外规定校验,因为TCP协议是一个面向连接的可靠协议。
另外,Modbus采用主从方式定时收发数据,在实际使用中如果某Slave站点断开后(如故障或关机),Master端可以诊断出来,而当故障修复后,网络又可自动接通。
因此,Modbus协议的可靠性较好。
5.4.5DDE技术
DDE的含义
(1)DDE即动态数据交换(DynamicDataExchange)。
(2)两个同时运行的程序之间通过DDE方式交换数据时是Client/Server关系。
(3)DDE的方式有冷连接(CoolLink)、温连接(WarmLink)、热连接(HotLink)。
5.4.6OPC技术规范
OPC技术规范是以Microsoft的OLE/COM技术为基础,定义了一组接口规范。
它包括OPC自动化接口(AutomationInterface)和OPC定制接口(CustomInterface)。
另外,OPC技术规范定义的是OPC服务器程序和客户机程序进行通讯的接口或通讯的方法。
OPC对象与接口:
OPC服务器对象提供了对数据源进行存取(读/写)或通讯的方法,而数据源可以是现场的I/O设备,也可以是其它的应用程序。
通过接口,OPC客户应用程序可以同时连到由一个或多个厂商提供的OPC服务器上。
OPC服务器封装了与I/O控制设备进行通讯和访问数据的类型与名字及进行设备操作的代码。
(2)OPC数据存取规范:
总体来说,OPC数据存取规范包含几个对象:
服务器对象、组对象、项对象。
OPC组提供客户应用程序组织数据的机制,例如:
一个组可以包含一个显示面板所有数据的项,并可对数据进行读写。
在一些特殊情况下,还可以在组里建立客户应用程序与项的连接,并可以根据需要禁止或允许这种连接。
OPC组有两种类型:
公共组和局部组。
公共组可以为多个客户程序共享,而局部组只为某一个客户程序所有。
在每个组里,客户程序可以定义多个OPC项。
每个OPC项包含值、品质、和时间标签。
OPC的特点
.应用程序开发者只需编写一个接口便可以连接不同的设备。
无需重写大量的设备驱动程序。
.工程人员在设备选型上有了更多的选择。
(4)读写OPC数据项的一般步骤
.通过服务器对象接口枚举服务器端定义的所有数据项。
如果客户对服务器所定义的数据项非常熟悉,此步可以忽略。
.将要读写的数据项加入客户定义的组对象中。
.通过组对象对数据项进行读写等操作。
这一讲内容有点多,是在仪表控制系统的现代应用上介绍了和目前比较同步的一些技术,主要从概念上让大家了解现在仪表技师将要面对的技术层面。
下一讲我们讲一下热工仪表的单元工艺控制。
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