基于现场控制层的DCS控制系统设计与实现

摘要

MACS控制系统是基于现场控制层的DCS产品。该系统是一套全能综合集成化的信息系统，广泛应用于工业企业的流程控制中。它遵从相关的标准及规范进行设计，采用先进的现场总线技术，即可使用安全可靠的FM/SM系列硬件模块用于现场数据的采集，又可方便的与远程I/O、CAN、PROFIBUS等多种现场总线设备或模块连接。实施高效的冗余控制器，能够快速准确地完成I/O信号处理、逻辑控制和顺序控制等功能。
　　本文论述了MACS系统的体系结构、软硬件配置以及主控制器的基本组成和工作原理，在此基础上，重点对MACS系统的现场控制层软件的设计和实现进行了研究。现场控制层是整个控制系统的核心，系统的主要控制功能由它来完成，系统的性能、可靠性等重要指标也靠它来保证。现场控制层软件包括实时控制软件和DP通讯主站软件两部分。实时控制软件特指运行于控制器中的软件，包括通讯模块、冗余模块、掉电保护模块及故障诊断模块的设计。通讯模块是指控制器与工程师站、DP主站之间的通讯。控制器与工程师站采用TCP/IP方式通讯，与DP主站采用双RAM协议进行通讯；冗余模块是指控制器及网络的双冗余结构。掉电保护是将需要保存的数据周期性写入SRAM中，在系统掉电后可以长期保持；故障诊断是对控制器及设备的故障进行诊断并上报。
　　现场总线是现场设备与控制器之间通讯的桥梁。本文采用PROFIBUS-DP现场总线，该总线可以将I/O模块分散到现场中，实现了彻底的分散控制。同时DP主站具有通信能力，能够与主控制器建立通信，保证了系统的集中管理。在DP通讯主站软件设计中，提出三种软件设计方案：专用ASIC芯片外加扩展固化程序，软PROFIBUS-DP主站及嵌入式模块主站，通过对三种方案优缺点的比较，选用第二种方案进行设计。该方案由软件来完全实现DP协议栈，软件结构上采取核心状态机和辅助处理函数，根据通讯主站的工作状态，将状态机分为四个状态群：离线状态，随机通讯，周期及非周期通讯状态，并对每一种状态进行详细设计，实现了DP主站与控制器及设备之间的通讯。
　　本文设计并实现了控制器系统软件的基本功能。控制器不仅能够与上位机及DP主站正常通讯，而且具有冗余、掉电保护、模块故障诊断等功能，有效地提高了控制器的各项性能指标。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 本课题研究的背景及意义

1.2 国内外发展状况

1.3 DCS控制系统简介

1.4 论文的主要工作及内容安排

第二章 MACS控制系统

2.1 MACS控制系统概述

2.1.1 MACS的体系结构

2.1.2 MACS的软件配置

2.1.3 MACS的硬件配置

2.1.4 MACS的基本特点

2.2 MACS控制系统主控制器

2.2.1 主控制器的基本组成

2.2.2 主控制器工作原理

2.2.3 主控制器上的一般任务结构

第三章 相关通讯协议分析

3.1 PROFIBUS-DP现场总线及其通讯协议

3.1.1 PROFIBUS分类

3.1.2 PROFIBUS-DP基本功能

3.1.3 PROFIBUS-DP系统组成

3.1.4 PROFIBUS-DP主站任务

3.1.5 PROFIBUS-DP从站状态机

3.1.6 PROFIBUS-DP通讯协议

3.2 双口RAM结构及其通讯协议

3.2.1 双口RAM结构

3.2.2 双口RAM协议

第四章 现场控制层DP通讯主站软件设计与实现

4.1 软件设计方案

4.2 软件总体结构设计

4.3 DP通讯主站状态机设计与实现

4.3.1 离线状态

4.3.2 随机通讯状态

4.3.3 周期通讯状态

4.3.4 非周期通讯状态

第五章 现场控制层实时控制软件设计与实现

5.1 现场控制层实时控制软件设计

5.1.1 软件设计需求

5.1.2 软件设计平台

5.1.3 软件调度方式

5.2 现场控制层实时控制软件实现

5.2.1 主控制器与工程师站通讯

5.2.2 主控制器与现场设备通讯

5.2.3 冗余功能

5.2.4 掉电保护

5.2.5 故障诊断

5.3 MACS控制系统调试与运行

5.3.1 MACS控制系统调试

5.3.2 MACS控制系统运行

第六章 结束语

致谢

参考文献