DCS维护.docx

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第十五章I/A分散控制系统

I/AS的全称是IntelligentAutomationSeries,即智能自动化系列系统，简称I/AS或I/A，是Foxboro公司推出的开放型过程管理和控制系统。

从1988年至今，I/A在国内火电机组也有较多应用业绩。

300/350MW机组主要有元宝山1号、双辽1号和3～4号、黄台7～8号、蒲城1～2号、常熟1～4号、莱阳3～4号、纳雍1～2号、石横1～2号、达旗1号、邹县1～4号、谏壁1～2号和7～10号、夏港5～6号、连城3～4号、太仓港环保3～6号、天生港5～6号、华蓥山1～2号、东华1～2号、新密1～2号等；600MW机组主要有平圩1～2号、镇江5～6号、太仓港环保7～8号、乌沙山1～4号、沙洲1～2号、珠海3～4号、河西3～4号、高资3～4号等。

第一节I/A的系统构成

I/A的系统构成如图15-1所示，由上至下分三层，依次为管理层、监控层和现场层。

主要硬件设备有应用处理机（App1icationProcessor，简称AW）、操作站处理机（WorkstationProcessor，简称WP）、控制处理机（Contro1Processor简称CP）、FBM卡件和I/A网络。

一、I/A网络

I/A网络是建立在国际标准化组织（ISO）所定义的开发系统互联（OSI）标准基础上的，并广泛遵循IEEE的各种规范。

Foxboro公司于2004年初正式对外发布其新一代产品I/ASeriesV8.0。

新产品秉承了I/A系统一贯的开放式结构，在支持原有产品的同时又推陈出新，其主要的网络结构采用Mesh控制网络。

图15-1I/A的系统构成

㈠Mesh控制网络

Mesh控制网络是一种基于IEEE802.3u（快速Ethernet）和IEEE802.3z（GBitEthernet）标准的交换机Ethernet网络。

它将功能强大的控制站和操作站集成在100Mb/1GbEthernet网络上，应用于过程监视和控制，并可与工业信息管理网络集成在一起。

I/A系统处理机组件通过Mesh控制网络相互连接，形成过程管理和控制节点。

Mesh控制网络为I/A系统中的各个站（控制处理机、应用处理机、操作站处理机等）之间，提供高速、冗余、对等的通信，从而具有优异的性能和安全性。

㈡现场总线

现场总线组件（FBM，即I/O卡件）为控制处理机和现场传感器/变送器/执行器提供接口，这些组件可与控制处理机连接，它们之间的通信是通过冗余的现场总线来完成的。

现场总线支持高速Ethernet网。

现场总线的传递媒体为光缆，通信方式为令牌传送方式，数据传输速率100Mbps，其最大距离为20公里。

现场总线最多可下挂120块FBM，且支持远程I/O应用。

㈢信息管理网络

I/A系统可通过标准Ethernet接口直接与信息管理网络连接，不仅可以向MIS网络传输实时数据和历史数据，而且还可以传输各种流程控制画面，极大地提高了管控一体化的实用性。

二、处理机

㈠应用处理机AW

应用处理机的基本功能为：

计算和管理；文件服务器站；系统和网络管理；数据库管理；文件请求；历史数据存储；图形显示。

应用处理机目前主要有两个系列产品：

AW70（WindowsXP操作系统）与AW51F（Unix操作系统）。

应用处理机具有很高的性能和大容量存储设备的能力。

对每种型号的应用处理机，其应用范围从小型功能组（例如内存映像存储、报警事件和历史数据）到大规模应用（例如数据库管理和程序开发）。

㈡操作站处理机WP

操作站处理机和与它相连的外部设备一起，为使用者与所有系统功能之间提供一个人机界面，即作为系统与操作员之间的接口。

它从应用处理机和其它系统站接受图形和文本信息并产生视频信号，在视频监视器上作显示。

除视频监视器外，操作站处理机连接的设备还包括触摸屏幕、鼠标或球标、工程师键盘和组合（操作员）键盘。

这些可任意选择的设备提供了命令和数据输入、显示选择和报警管理的系统。

为在显示器上选择显示目标可选用触摸屏幕、鼠标或球标。

对于通常由操作员所执行的所有功能，触摸屏幕已具有足够的分辨能力，但要满足工程师执行的功能（例如生成图形画面等），就需要采用鼠标或球标。

工厂中的各类人员可通过WP访问各自权限范围内的系统资源。

过程操作人员通过WP以调出过程显示画面，观察到过程回路的参数、状态、趋势和报警情况，实现对过程回路的操作和参数的调整；过程工程师通过WP可以组态过程显示画面和过程控制数据库，以及其它各种组态工作；软件工程师通过WP可以进入软件开发环境，编写、调试和执行用户编写的应用程序；系统维护人员通过WP可以观察到系统各个设备的工作状况，并对这些设备进行诊断操作；工厂管理人员通过WP可以运行生产管理方面的软件。

操作站处理机目前主要有两个系列产品：

WP70（WindowsXP操作系统）与WP51F（Unix操作系统）。

操作站处理机支持超高分辨率CRT/LCD，支持中文显示画面，并可选地与信息网络联接。

㈢控制处理机CP

CP有三种类型：

ZCP270（简称Z型控制处理机）；FCP270（简称F型控制处理机）；CP60（简称C型控制处理机）。

⒈Z型控制处理机

ZCP270技术特性：

①采用具有存储程序功能的基于AMDElanSC520微处理机（运行于100MHz上）；②采用16MBSDRAM内存，32MB闪存；③最多可带120块FBM卡件；④控制功能块执行速度为10,000个功能块/秒；⑤可组态多达4,000个控制功能块；⑥可组态的功能块扫描周期有0.05,0.1,0.2,0.5,0.6,1,2,5,6,10,30秒，1、10、60分；⑦支持100Mbps控制网络。

⒉F型控制处理机

FCP270技术特性：

①采用具有存储程序功能的基于AMDElanSC520微处理机（运行于100MHz上）；②采用16MBSDRAM内存，32MB闪存；③最多可带32块FBM卡件；④FCP270控制功能块执行速度为10,000个功能块/秒；⑤可组态多达4,000个控制功能块；⑥FCP270可组态的功能块扫描周期有0.05,0.1,0.2,0.5,0.6,1,2,5,6,10,30秒，1、10、60分；⑦支持100Mbps控制网络。

⒊C型控制处理机

CP60技术特性：

①采用AMDDX5微处理机（运行于133MHz上）；②内存为8MB；③可最多带120块FBM卡件；控制功能块执行速度为3,400个功能块/秒；可组态多达4,000个控制功能块；可组态的功能块扫描周期有0.05,0.1,0.2,0.5,0.6,1,2,5,6,10,30秒，1、10、60分；支持10/100Mbps控制网络。

控制处理机是一个可选的的容错站，和与它相连的现场总线组件（FBM）一起，可按组态好的控制方案对过程进行控制。

它可实现常规的连续控制、梯型逻辑控制、顺序控制以及批量处理等功能，也可实现数据采集、检测、报警和传送信息的功能。

使用久经考验的算法（执行特定功能的数字计算）控制过程的变量，包括EXACT（专家自适应控制整定算法）和EXACTMV（EXACT多变量控制）算法。

这些算法包含在功能控制块中，现场过程工程师可对其进行组态，以完成所要求的控制方案。

实现常规调节控制的功能块约有一百多种，包括：

输入/输出、控制、信号处理、计算和转换、以及报警和限幅等五大类。

实现梯型逻辑和顺序控制的功能块有16种。

任意CP中的任一功能块的参数均可连接到任意其它CP中的任一功能块去，以构成用户所要求的控制方案。

在电源接通时进行自捡，而在工作期间执行运行时检查和监视时钟功能。

在容错式控制处理机中在检测到一个错误时，两个组件运行的内部自诊断测试，以确定哪个组件故障。

㈣现场总线组件FBM

I/A现场总线组件（FBM），可连接到运行I/A综合控制软件的控制处理机或个人计算机上，如图15-2所示。

图15-2现场总线组件FBM

FBM既可以与控制处理机或个人计算机一起就地安装，也可远程安装。

FBM与工业现场中通常遇到的各种现场信号相匹配。

然而，由于这些组件是由软件组态的，所以与以前的系统相比，所需的种类较少。

例如，对各种类型的热电偶和毫伏信号只需要一种组件。

现场总线组件一览表见表15-1。

表15-1现场总线组件一览表

FBM包括模拟和数字类型，每个模拟组件的通道数为8，数字组件为16，均为通道隔离型卡件。

数字FBM可执行多种功能。

例如事

件序列监视、梯型逻辑控制和脉冲计数。

对模拟信号输入，可组态其分辨率。

在控制处理机通信或FBM发生故障时，所有的输出都支持可选择的状态。

所有现场信号与控制电子线路隔离，对模拟量I/O信号采用变压器耦合与光电双重隔离，且每路A/D和D/A转换独立，保证故障对系统影响最小。

对数字量I/O信号采用成对隔离的方式，每一点与其它所有点是隔离的。

FBM可与I/A智能变送器进行数字通信。

FBM可对现场变送器进行供电，省去了外接配电器的麻烦。

FBM支持冗余的模拟和数字类型卡件。

FBM为现场传感器/执行器与冗余的现场总线之间提供了接口。

这些组件对现场设备使用的电气I/O信号进行适当地转换，使得通过现场总线能与这些装置通信。

FBM单独与现场总线（Fieldbus）相连，具有固定的现场输I/O通道所需的信号转换和其它有关的运行功能。

每个FBM都能够安装在任何I/A系统的机柜中。

所有与FBM之间的通信是通过冗余的现场总线完成的。

在每一FBM的前段都带有整体的LED状态指示灯、字符标志（用于0～20mA模拟量输出组件）和电流源旁路插座。

现场总线的主要特性：

①就地现场总线的最大长度不超过184米，在使用就地总线时每个CP最多可挂24个FBM，见图15-3；②现场总线扩展的最大长度为2公里；③每段Ethernet主干现场总线可最多挂32块现场总线通信组件（FCM），而每个CP最多可挂120块FBM，实际可挂的FBM数量取决于所选的扫描周期（CP的最快处理周期为0.05秒）以及所需处理的功能块数量。

图15-3就地现场总线（典型配置）

第二节控制组态

I/A系统提供的综合控制组态软件包，简化了复杂控制策略和安全系统的结构。

I/A综合控制软件提供了连续量、顺序量、梯形逻辑和批量处理等方面的控制策略，它们可以单独或混合使用，从而满足应用的需要。

除了综合控制软件外，I/A同时将综合控制组态和操作员接口软件集成在上述范围内。

过程控制算法的连续量、顺序量、梯形逻辑和批量处理主要在与之相连的控制处理机内进行。

执行各种控制算法的基本单元是功能块（Block）。

功能块完成控制功能，它可组织和组态成一个复合块（Compound）组。

复合块是功能块逻辑上的集合，可完成指定的控制任务。

综合控制组态软件可在复合块内综合连续量、梯形逻辑、顺序和批量功能，从而设计出有效的控制方案。

当把I/A软硬件安装好以后，要做的工作就是把控制方案组态到机器里，这样就可以开车了。

I/A提供了一些缺省的显示操作方法。

由于I/A的开放性，一般不要等设备到货后才做这项工作，只要有一台装入了PW-C软件的个人计算机就可以把所有的组态工作做好。

一、复合块和功能块的概念

图15-4是一个液位控制回路，现场测量信号通过FBM的第四通道连接到模拟信号输入功能块AIN，将其转换成数字量后送PID功能块处理，PID功能块按控制要求计算阀门的开度，最后由AOUT功能块将控制阀门开度的数字量转换成模拟信号，再通过FBM的第八通道送到现场的控制阀。

其中AIO001是FBM的通信地址（letterbug）。

在这样一个简单的控制回路中就用到了AIN、PID和AOUT三个功能块，而且这三个功能块在回路中有密切的关系，我们通常把相互有联系的功能块放在一个集合中，并把这个集合称为复合块（或功能块组合）。

图15-4液位控制回路

控制回路由控制处理机中的复合块和功能块构成。

复合块是实现控制方案的功能块的逻辑集合。

功能块是为实现某个控制任务的一组算法。

图15-5表示复合块与功能块的关系，虚线框内表示CP（C型控制处理机）。

复合块提供了I/A集成控制（连续控制、梯形逻辑控制、顺序控制）的基础。

I/A中的任一复合块中的任一功能块可以连接到另一个复合块中的任何一个功能块。

功能块含有决定功能块性能的参数，参数值的类型有实型（Real）、布尔型（Boolean）、整形（Integer）和字符串型（String）。

复合块对它属下的功能块提供下列功能：

按照报警优先级对过程报警进行屏蔽，对报警设备进行分组，指示当前报警的最高级别。

图15-5复合块与功能块的关系

二、功能块

控制处理机集成控制软件按功能定义的功能块有：

ACCUM积算功能块；AIN模拟信号输入功能块；AINR冗余的模拟信号输入功能块；ALMPRI报警优先级更改功能块；AOUT模拟信号输出功能块；AOUTR冗余的模拟信号输出功能块；BIAS偏置功能块；BLNALM布尔（开关/逻辑状态）报警功能块；BOOL布尔变量功能块；CALC计算功能块；

CALCA高级计算功能块；CHARC非线性函数功能块；CIN开关信号输入功能块；COUT开关信号输出功能块；DEP非独立顺序功能块；DGAP二位间隙式控制功能块；DPIDA分布式PIDA控制功能块；DSI显示站接口功能块；DTIME纯滞后补偿功能块；ECB设备控制功能块；EVENT事件顺序报警功能块；EXC例外型顺序功能块；FBTUNE反馈自整定功能块；FFTUNE前馈自整定功能块；GDEV通用设备控制功能块；IND独立型顺序功能块；LIM位置和速率限制功能块；LLAG超前/滞后动态补偿功能块；LOGIC逻辑运算功能块；LONG长整型变量功能块；MAIN多点模拟信号输入功能块；MATH数学运算功能块；MCIN多点开关信号输入功能块；MCOUT多点开关信号输出功能块；MDACT马达驱动机构控制器；MEALM测量值报警功能块；MON监视功能块；MOVLV电动阀控制输出功能块；MSG信息发生功能块；MTR马达控制输出功能块；

OUTSEL输出选择功能块；PATALM码型报警功能块；PATT码型功能块；

PID比例-积分-微分控制功能块；PIDA带附加功能的PID功能块；

PIDE带自整定功能的PID控制功能块；PIDX带扩展功能的PID控制功能块；PIDXE带扩展功能的PID参数自整定控制功能块；PLB可编程逻辑控制功能块；PTC比例型时间宽度控制功能块；RAMP斜坡信号发生功能块；RATIO比值功能块；REAL实变量功能块；REALM功能块信号报警功能块；SIGSEL信号选择功能块；STALM状态报警功能块；

STATE状态功能块；STRING字符串变量功能块；SWCH信号切换功能块；TIM定时控制功能块；VLV开关阀控制功能块。

三、单参数调节回路

使用AIN模拟量输入模块，PID调节模块和AOUT模拟量输出模块可构成单参数调节回路，如图15-6所示。

图15-6单参数调节回路

AIN模块将FBM来的测量信号进行修正、标度、报警等处理，其输出被连到PID模块的测量输入参数MEAS。

PID模块根据测量值与设定值SPT的偏差及P、I、D整定参数的设置进行运算，其输出被连接到AOUT模块的输入MEAS。

AOUT模块对信号进行输出修正后送到FBM的输出点。

四、串级调节回路

串级调节回路由二个AIN功能块,二个PID功能块和一个AOUT功能块组成,如图15-7所示。

当闭环运行时副调节器处于远方设定状态,其远方设定值参数RSP连到主调节器的输出参数OUT。

为了实现无扰动切换，主调节器的初始化输入信号（INITI）取自副调节器的初始化输出信号（INITO）。

主调节器的反计算输入信号（BCALCI）取自副调节器的反计算输出信号（BCALCO）。

同时副调节器的初始化输入信号（INITI）和反计算输入信号（BCALCI）分别与AOUT功能块的初始化输出信号（INITO）和反计算输出信号（BCALCO）相连。

图15-7串级调节回路

模块的初始化是为了使模块工作正常、有序。

对控制类型的模块初始化的执行对过程不产生扰动。

当从手动切换到自动时，模块进行初始化。

当控制和输出类型的模块处于手动状态或本地设定状态或保持状态或跟踪状态时，其初始化输出INITO=“1”，使与它相连的上游模块的INITI=“1”。

当模块的INITI=“1”时，模块显式初始化。

此时，模块的输出跟踪模块的BCALCI参数值。

显式的初始化，即通过模块的初始化输入参数INITI来控制模块的初始化。

当INITI置“1”时，模块进行显式初始化。

可以将模块的初始化输入参数与另一个模块的初始化输出参数INITO相连接，接受另一个模块来的初始化命令，使本模块初始化。

五、梯形逻辑控制功能块

梯形逻辑控制是通过在数字型FBM中运行梯形逻辑图的方式来实现的，可编程逻辑块（PLB）提供了FBM中梯形逻辑控制与其它功能块的接口。

梯形逻辑的输入信号可以来自所在的数字型FBM的触点输入信号，或经过PLB块输入的其它功能块的逻辑输出。

梯形逻辑的输出信号可以送往所在的数字型FBM的触点输出端，或经过PLB块的输出端送往其它功能块。

在FBM中运行的梯形逻辑控制功能在2～5ms周期内平均可以处理300个梯形逻辑元素。

梯形逻辑中可以组态的现场输入/输出信号的数量，取决于FBM组件，不超过32个触点输入和16点触点输出。

经过PLB功能块，可以接收32个逻辑输入信号和输出32个逻辑信号。

有107个中间状态寄存器，16个定时器和计数器。

梯形逻辑元素有：

常开触点；常闭触点；激励线圈；写非线圈；闩锁线圈；迟开定时线圈；迟关定时线圈；加计数器线圈；减计数器线圈；区域执行控制线圈。

六、顺序控制软件

顺序控制是I/A综合控制软件之一，能够满足传统顺控设备的自动控制，顺控设备与连续控制及梯形逻辑相结合后，能构成功能强大的综合控制，以满足用户的各种特殊需要。

连续控制的功能块都有固定的算法、参数和特性，而在顺序控制中，用户可以建立自己的算法，使用一组用户定义的参数与其他功能块进行通信，I/A提供一种高级顺序控制语言，让用户编制自己的算法。

第三节I/A的工程应用

一、系统配置

某电厂600MW机组I／A系统配置如图15-8所示。

600MW机组设置6台操作员站（其中1台用于DEH）、1台工程师站、1台值长站、3块大屏幕、3台激光打印机（其中1台彩色）、17对控制处理机CP60、3个处理机机柜、32个I／O机柜（其中4个远程布置）、18个继电器柜和2个配电柜。

公用系统配置了2对控制处理机CP60、1个处理机机柜、3个I／O（FBM）机柜（其中4个远程布置）、18个继电器柜和1个配电柜。

两台机组合用同一集中控制室，在控制室实现单元机组炉、机、电集中控制。

在集控室内以操作员站为控制中心，以LCD、大屏幕显示器、鼠标和键盘作为机组的主要监视和控制手段，在少量就地人员巡回检测和少量操作的配合下，在集控室内实现机组的启动、正常运行及停止或事故处理等。

每台机组设置3块大屏幕显示器，不再设置常规显示仪表和报警光字牌，仅设置个别独立于DCS的后备启停和跳闸操作手段。

循环水泵房、燃油泵房控制采用远程布置的I／O站（即把FBM组件布置在就地）实现，通过光缆接入单元机组的I／A系统，在单元控制室监控。

单元机组电气发变组和高、低压厂用电源纳入DCS监控。

二、控制处理机及I／O点

⒈控制处理机

600MW超临界机组的I／A分散控制系统中，控制处理机采用按功能区的分配方式。

单元机组的控制处理机CP60的分配如下：

MCS，3对CP60（其中锅炉侧2对，汽轮机侧1对）；DAS，4对CP60（锅炉、汽轮机侧各2对）；FSSS，3对CP60；SCS，6对CP60（锅炉、汽轮机侧各3对）；ECS，1对CP60。

⒉I／O点

600MW机组I／O总点数约9000多点，两台机组的公用部分的I／O点数约950点。

三、系统组态

I／A系统的控制组态采用的是基于复合块概念的非图形化方式，各功能块的连接需要在各自的输入端口写入目标功能块的端口。

组态软件具有包括PID运算、常规控制所需要的通用功能功能块，逻辑运算、数学运算等可以使用功能强大的计算块、逻辑块等实现，顺序控制功能通过专为其编写的功能块实现。

同时，系统还支持将部分逻辑运算下载到8路开关量输入／输出功能块FBM09执行，执行时间可以达到数十个毫秒，满足了快速动作回路的要求。

系统的控制软件由多个复合块Compound构成，每个复合块必须位于一个站内，完成特定的功能。

例如CP6002的复合块包括CCS、MCS_ID、MCS_FD、MCS_YCF、MCS_FUEL、02DAS01、02DAS02等，以及包含站功能块的CP6002_STA和包含各ECB功能块的CP6002_ECB复合块。

各个复合块都是一个相对独立的功能实体，例如CCS完成机组的协调控制功能，所有有关协调控制的功能块（BLOCK）都包含在CCS中，便于维护。

控制软件（IntegratedControlConfigurator，简称ICC）的组态界面，是一种基于菜单命令和文本界面的组态方式。

组态时，需要登录到工程师权限后进入ICC，可以通过选择目标站（CIO_STN_Cfg），然后再选择目标复合块（CIO_Config）等方式进入该复合块的组态界面，选择ViewBlock／ECBsinthisCompound命令进入复合块内部后,选择目标功能块即可对其进行编辑修改。

该系统最强大的功能块是计算块（CALC、CALCA、MATH）、逻辑块（LOGIC）等，通过编写类似于汇编语言格式的语句可以在块内实现计算、判断功能并输出结果。

该系统的PIDA功能块具有参数自整定功能，可以很方便地实现闭环控制基础上的前馈补偿、输出补偿、输出跟踪、设定值外部给定等功能。

同时，为了实现串级控制的无扰动切换，提供反演算输入功能，可以在下游功能块故障、初始化时自动保持输出跟踪。

如图15-9所示。

图15-9自适应PID调节回路的典型结构

习题及思考题

15-1图15-10为I/A系统网络结构示意图，试将图中的英文翻译成中文。

图15-10习题15-1附图

15-2I/A有几种处理机，写出其名称和符号。

15-3控制处理机的功能是什么？

15-4简述CP60的技术特性。

15-5写出各模拟输入模件的型号。

15-6写出各现场总线模件的型号。

15-7何谓功能块？

何谓复合块？

15-8写出输入/输出类功能块的名称和符号。

15-9写出控制类功能块的名称和符号。

15-10写出信号处理类功能块的名称和符号。

15-11写出计算、逻辑与转换类功能块的名称和符号。

15-12写出报警与限制类功能块的名称和符号。

15-13写出图15-9中功能块的名称。