第一章 FOXBORO IA SERIES 分散控制系统rev1.docx

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第一章FOXBOROIASERIES分散控制系统rev1

第一章FOXBOROI/ASERIES分散控制系统

第一节系统及设备规范

1.I/ASeries的系统概述

1.1本工程的DCS采用上海FOXBORO公司生产的I/ASERIES分散控制系统。

1.2本系统包括MCS、FSSS、SCS、DAS、ECS及其于其它系统（如DEH、MEH、ETS、MIS、外围辅控系统等等）的接口。

1.3系统的整体特点

I/ASeries最大的特点是系统软件、硬件和通信系统都采用开放型标准设计。

1.3.1系统开放性

a）硬件：

I/ASeries四代兼容，从CISC技术到RISC技术、从Intel处理机到UltraSPARC处理机，系统硬件与软件可以独立发展，实现了“长寿命结构”的设计思想。

通过系统软件版本升级的方式，已投运的系统可以运行最新的软件版本，以随时吸收最新的技术，融合到现有的系统之中；不同系列的处理机也可以运行在同一网络上。

这样充分地保护了用户的投资，彻底消除了传统的DCS早买早淘汰的弊病。

b）软件：

支持UNIX（Solaris）与WindowsXP操作系统；采用C，FORTRAN等广泛应用的高级编程语言；SQL关系型数据库和InformixLotus1-2-3等商用软件；并提供OPC、API和DDE等接口，以及与SAP、PI等数据库的接口。

c）通讯：

建立于OSI模型上，符合IEEE的标准，如IEEE802.3、IEEE1118、Ethernet。

d）一体化：

通过标准的以太网接口与信息网络连接，可传输实时数据、历史资料、报警信息、以及各种流程画面。

通过智能现场仪表（IFD）接口，实现与各种现场总线仪表的数字集成，从而实现了从生产管理信息网、生产控制网到现场测量的一体化管理。

1.3.2系统可靠性

a）系统可靠性：

冗余的通信网络、冗余的供电系统、互为备用的操作站、容错型控制处理机，以及采用高可靠性的表面安装SMT技术的输入/输出组件，保证了系统连续正常运行。

b）坚固可靠的系统硬件：

I/ASeries硬件具有多层面的环境防护能力。

所有的电子元器件都封装在组件中，无暴露的电子组件增强了硬件抗环境腐蚀和防静电能力组件的工作温度可高达70℃。

远程I/O组件不但提高了信号传输中的抗干扰能力，而且有效地避免现场火灾对控制室的危险，I/ASeries系统全部采用CMOS组件，降低了功耗和发热，提高了可靠性。

金属传导散热和SMT技术减小了电路的尺寸，显著地提高了设备的可靠性。

c）系统自诊断：

所有组件都具有在线和离线自诊断程序，可进行报警提示、报警打印、显示器报警显示、组件状态（红）灯显示。

专用的维护操作软件还可以分析故障位置到每个I/O通道，并对故障进行隔离，无需人工判断。

各种组件可以快速在线更换并自启动，无需人工干预。

d）容错控制器与I/O组件：

控制器采用比冗余更可靠的容错技术，确保每次输出都是正确的；驱动级的控制逻辑可驻留并运行在I/O组件（FBM）内。

这种配置确保了当两个容错的控制器同时发生故障时，驻留在FBM内的控制算法能自动地切换至保持状态，使现场执行机构处于安全的位置。

e）信号隔离：

每个FBM信道都具有单独的A/D和D/A转换器，并且全部为单通道变压器耦合和光电双重隔离，采用限流电路以防止现场短路故障，无需保险丝，提高系统运行时间。

f）矩阵式电源：

I/ASeries系统采用分散布置的矩阵式电源，可分别接受两路独立的220Vac电源。

由于采用适当的配置方式，可以做到任何一路交流电源的故障不会影响I/ASeries系统供电，只有当属于不同的交流电源的两个电源组件同时故障时，才会影响到I/ASeries系统中的一个组件的供电。

这种矩阵式的电源供电方式具有最高级的可靠性。

g）在线维护与修改：

所有I/ASeries组件均可无扰动地在线换，无需切断电源，无需采用防静电措施。

I/ASeries可以在线修改控制组态和应用软件，在线修改不会对系统产生任何扰动。

I/ASeries还可以在线增加FBM卡件，无需系统停车。

1.3.3系统先进性

a）控制器：

具备包括自整定和多变量自整定等复杂计算能力。

采用AMD高性能处理器芯片组，处理能力高达10,000功能块/秒，最快功能块处理周期为50ms。

b）控制软件：

集连续量、顺序量、梯形逻辑和批处理控制功能为一体的综合控制软件。

c）I/O组件：

I/O组件具备最快10msPID调节功能和2ms顺序控制功能，SOE处理速度为1ms。

d）目标管理程序：

目标管理程序是控制访问被称之为目标（Object）的资料单元的子系统，它在应用程序与其所需资料之间充当接口。

I/ASeries系统的资料是面向对象，目标名在系统数据库中是唯一的。

目标管理程序始终监视着目标的位置，这样用户就可编写通过目标名来访问资料的应用程序，而不必关心资料的具体物理位置。

这种全新的、基于客户/服务器的系统结构极大提高了系统的可靠性，降低了系统的工程成本。

特别是在大型的系统配置时，不会造成系统性能的瓶颈，并制约系统的进一步扩展。

e）灵活的离线/在线组态方式：

控制组态和所有应用软件的生成后（例如控制方案、显示画面、趋势、历史数据库和报表组态等）可直接下载到I/ASeries系统上，无需进行编译或转换。

这就为用户的系统调试和运行维护提供了最大的方便，节省了工程成本。

计算机辅助设计工具FoxCAE可用于系统工程设计。

FoxDraw可绘制三维流程图画面。

FoxView可显示三维流程图画面。

f）远程I/O：

I/ASeries系统所有的I/O组件都可以远方安装。

所有的组件都是智能的，具有自诊断能力，其中一些组件可执行就地程序。

具有输入/输出的数字量组件可执行梯形逻辑。

这不仅改善了梯形逻辑执行的速度，对一些重要的设备来说，在两个控制器同时故障时仍可继续安全地运行，并且显著地减少了用户的现场接线成本。

g）汉化：

I/ASeries系统的显示画面和报表都实现汉化，汉字数量与国标二级字库相同。

h）远程诊断：

用于远程系统管理和系统诊断软件包，为维护工程师和客户提供了一个高度安全的远程访问I/ASeries系统的能力。

它允许维护人员在线地对操作员的操作进行不间断地诊断，并利用PC快速地访问过程和组态显示画面、实时和历史资科。

i）先进控制软件（APC）：

Connoisseur先进过程控制软件是Foxboro一体化集成解决方案的重要组成部分，通过采用比常规控制更先进的过程控制方法或手段以达到减小过程波动、降低生产能耗、在线优化操作的目的，从而获取最大的经济效益。

Connoisseur是用于工业过程分析、控制和管理，并具有约束控制/实时优化功能的基于模型的预测控制软件系统。

Connoisseur由离线工厂分析系统和在线工厂实时优化控制系统构成，具有在线自适应、多模型切换、模糊控制和神经元网络等功能，并提供PRBS工厂测试工具、LP实时在线优化器、GUI用户接口、ARE常规与APC安全、无扰动切换接口等软件，构成完整的独立系统。

Connoisseur既可安装在I/ASeries系统中，也可安装在上位机上与其它DCS系统进行通讯。

j）现场总线协议：

支持FF、Profibus、HART、FoxCom等现场总线。

k）与MIS/ERP系统联网：

通过标准的以太网接口，I/ASeries系统可与MIS系统（例如Windows98、NT、2000、XP、Novell等）和ERP系统（例如：

SAP，BAAN）实现实时和历史资料、流程画面的双向传输。

l）接地：

系统要求独立接地，一般场合接地电阻要求＜5Ω。

2.I/ASeries的网络结构

2.1I/ASeries系统的通讯网络是建立在国际标准化组织（ISO）所定义的开放系统互连（OSI）标准基础上的，并符合IEEE的规范，是按照局域概念构造的标准网.

图1－1I/ASeries系统网络结构简图

2.2I/ASeries的通讯网络结构

I/ASeries的通讯网络结构分为四个层次：

宽带局域网（BROADBANDLAN）；载波带局域网（CARRIERBANDLAN）；节点总线（NODEBUS）；现场总线（FIELDBUS）。

.这些通讯标准的低层通讯（物理层和逻辑层）均与制造商自动化协议（MAP）兼容。

出于通讯的安全考虑，节点总线是冗余的，载波带可选冗余。

图1－1是四层网络的示意图。

2.2.1宽带（BROADBANDLAN-BASEBANDLOCALAREANETWORK）：

a）通讯规程符合:

IEEE802.4标准（MAP）。

b）结构形式：

总线结构。

c）信号传送方式：

TOKENPASSING（令牌传送）。

d）数据传输速率：

10Mb/s

e）通讯传送介质：

同轴电缆15km。

f）可下挂64个载波带

2.2.2载波带（CARRIERBANDLAN-CARRIERBANDLOCALAREANETWORK）：

a）通讯规程符合：

IEEE802.4标准（MAP）。

b）结构形式：

总线结构。

c）信号传送方式：

TOKENPASSING（令牌传送）。

d）数据传输速率：

5Mb/s

e）通讯传送介质：

同轴电缆1.2km、光缆10km。

f）可下挂64个节点总线

2.2.3节点总线（NODEBUS）：

a）通讯规程符合：

IEEE802.3（Ethernet以太网）。

b）结构形式：

总线结构。

c）信号传送方式：

CarrierSenseMultipleAccessWithCollisionDetection。

带冲突检测的多路送取争用总线。

d）数据传输速率：

10Mb/s

e）通讯传送介质：

同轴电缆30m（不带扩展组件）。

用扩展组件每次300m，可用二次。

f）可下挂64个站组件

2.2.4现场总线（FIELDBUS）：

a）通讯规程符合：

IEEE1118

b）结构形式：

总线结构。

c）信号传送方式：

CarrierSenseMultipleAccessWithCollisionDetection带冲突检测的多路送取争用总线。

d）数据传输速率：

268.75Kb/s

e）通讯传送介质：

双绞线10m（就地方式）；或1200m（远程方式）要使用FBI（现场总线隔离组件）作信号和电器隔离，FBI可串接使用多次，总距离可达1800m。

若采用光纤，每一对调制解调器4000m，可串接5次，达20km

f）在使用就地总线时每个CP最多可挂24个FBM。

如使用远程现场总线FBM经过现场总线隔离器（FBI）挂在总线上，每一隔离器下最多可挂24个FBM，每个CP最多可挂64个FBM。

3I/ASeries硬件结构

3.1控制网络的构成

控制网络连同与其相连的各个站构成一个独立的通讯网络，其主要的处理机如下：

3.1.1应用操作站处理机（App1icationWorkstationProcessor，简称AW）——与大容量存贮器相连，存储系统信息和过程控制方案与数据；以及可选地与信息网络（MIS）相连，提供双向的信息和图像的交换。

3.1.2操作站处理机（WorkstationProcessor，简称WP）——与显示器、工程师键盘、操作员键盘和其它操作站设备相连，并可选地与信息网络相连，提供与其相连计算机上的X-window显示画面。

3.1.3控制处理机（Contro1Processor简称CP）——可与I/ASeries现场总线组件和设备相连，完成用户定制的控制方案。

3.2应用操作站处理机AW

应用操作站处理机具有应用处理机与操作站处理机的双重功能。

3.2.1应用处理机功能

a）系统和网络管理功能：

应用处理机实现系统管理功能，包括收集系统性能统计；实现系统站资料的重新下载；存储过程操作信息、实时数据、历史数据；提供报文广播；处理所有站的报警与报文，并在所有站中保持时间和日期的同步。

应用处理机还支持系统组态功能（系统组态、控制组态、显示组态、报警组态、历史组态等），为需要更多资源和更高性能的应用功能的开发和执行提供应用环境。

应用处理机还可提供更为可靠的系统备份工作模式，并完成网络管理功能，包括涉及网络的系统管理功能。

b）数据库管理：

数据库管理包括存储、操作和检索包含系统接收和/或由系统产生的数据文件。

应用处理机采用工业标准INFORMIX-SQL关系型数据库管理系统。

c）文件请求：

每个应用处理机包含一个文件管理器，用于管理与应用处理机所连接的大容量存储器有关的所有文件请求。

每个应用处理机亦支持一个远程文件系统，该系统允许某个站中的任务存取到另一个站中的文件中去。

d）历史数据：

应用处理机可组态成包括历史数据库管理软件功能。

它可保持应用报文、连续值及断续值的历史数据，这些值可以代表任何参数，如测量值、给定值、输出值和状态转换。

系统站将收集系统数据，并将其送入历史数据库中。

另外历史数据库管理软件计算和存储平均值、最大值、最小值以及其它导出值的历史数据。

这些信息可用于显示画面、报表，并供应用程序进行存取。

历史数据文件还可保存在软盘、光盘和磁带上。

应用处理机可组态为保存错误、报警状态以及选择的操作员操作动作的历史。

通过向一个或多个应用处理机发出定义文件的报文，可以存储其它站发生的错误、报警及其他文件（以便以后查阅和分析）。

e）控制功能：

应用处理机可通过控制处理机提供过程输入/输出能力，一起实现控制功能。

所有输入/输出都是应用处理机与其它系统站之间可连续的参数。

应用处理机可协调装置控制功能，并将其它装置和生产控制的功能进行合理地分配。

f）图形显示支持：

应用处理机通过显示格式的储存和检索，提供对应用处理机中存储目标的存取，以及存储在操作站处理机中执行的任务等来支持图形显示，应用处理机不仅存储信息并为显示画面作文件管理，而且亦执行实现显示画面和趋势服务的程序。

g）生产控制软件：

生产控制软件代表需要各种应用处理机资源的大量软件包，这些软件包有：

1）数据库管理系统

2）历史数据库管理软件

3）数据验证软件

4）电子表格

5）过程优化软件

6）物理性能库

7）数学库

8）工厂生产模型

9）批量工厂管理程序

h）组态：

这里所指的组态是输入或选择参数以定义一个软件包做些什么或定义软件包环境的过程。

应用处理机利用提供组态参数的大容量存储器，以及执行一些组态程序来支持组态功能。

i）支持功能：

支持软件包括操作员“帮助”和电子文件资科。

操作员帮助（Help）提供了有关Foxboro设备和软件包的在线信息,电子文件资料提供在线阅读，类似于传统的使用说明书中信息的能力。

j）应用开发功能：

应用开发工具用于建立所有系统站的程序。

这些工具包括文件编辑、输入、解释、翻译、连接、测试，以及使用编程语言编写的维护程序；对所有站（操作站处理机，控制处理机等）的程序开发均由应用处理机来支持。

汇编语言、FORTRAN和C语言程序可应用于使用标准操作系统的应用处理机。

这些工具包括文本编辑、调试程序、连接和编译程序以及执行统计功能。

k）用户应用程序执行：

应用处理机还执行用户的应用程序。

这些可以是应用程序包，如特殊优化、测试数据收集、性能计算、专门数据整理程序或用户已经开发的其它程序等。

供用户使用的资源分配将随每台应用处理机而异。

l）诊断：

应用处理机采用三种诊断方式以检测和/或查出故障。

1）通电自检

2）运行时间和监视时钟检查

3）离线诊断

当应用处理机接通电源时，通电自检即自动启动。

这些检查是对应用处理机的各个功能部件按顺序进行测试。

在应用处理组件前端的红色和绿色指示灯LED将指出应用处理机启动顺序的各个阶段的成功与否。

在通电自捡过程中检测到的任何故障信息，都将由终端和打印机来显示和打印。

运行时间和监视时钟检查用于正常系统运行期间连续监视应用处理机运行功能。

借助于打印和显示的系统报文，操作员可得知故障情况。

离线诊断是临时装入系统，用于对各系统站和设备进行全面的测试和检查。

使用离线诊断，应用处理机中的一些可疑的故障能被查出并被确定。

3.2.2应用操作站处理机AW51F的主要性能指标

a）采用SUN工作站，处理机芯片为UltraSPARCIIERISC64位处理机，主频650MHz

b）内存为256MB，可扩展至2GB

c）80GB硬盘

d）644MBCD-ROM

e）提供USB、SCSI-3、并行和串行接口，可联结打印机、键盘等外围设备

f）可联接两台19”LCD或21”CRT，分辨率为1600X1280

g）支持X-Window和OpenLook功能

h）可选的40GB数字磁带机

i）可选的CD-RW

j）可选的Ethernet/10Base-T接口，与MIS网联接

3.3操作站处理机WP

3.3.1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讯号，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。

例如：

a）过程操作人员通过WP以调出过程显示画出，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；

b）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；

c）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；

d）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；

e）工厂管理人员通过WP可以运行生产管理方面的软件。

3.3.2操作站处理机外设

a）工程师键盘：

每当要将新的文本输入到系统中时，就需要使用工程师键盘。

该键盘由按标准QWERTY格局布置的全套字符数字键、全部标点符号键和特殊记号键，以及一个数字输入小键盘（带光标控制）等部分组成。

b）组合键盘（操作员键盘）：

每个组合键盘可安装告示键和数字键。

告示键——它具有用户可自定义的插片（插片上标明该键的功能）和发光二极管（LED）。

这是一个LED键开关的阵列，每个LED可在操作站处理机软件的控制下，按过程的状态呈现ON（闪亮）/OFF（熄灭），或者闪烁发光。

告示键上的LED与基本单元上的音响告示器连用，可产生提醒操作员把注意力转向系统的某些特殊区域上去的效果。

与每一LED相关的聚酯薄膜键开关可被用于调用预先组态好的专门画面或者系统功能。

数字键——它适于将数字数据输入系统，其功能与字母数字键盘上的数字输入小键盘（带光标控制）相同。

数字键包括若干数字输入键、一个Enter（键入）键和一个带LED状态灯的数字LOCK（闭锁）键。

c）21英寸CRT/19英寸LCD：

操作站显示器有两种规格：

21英寸CRT与19英寸LCD。

21英寸CRT是支持超高分辨率应用的模拟阴极射线管彩色监视器。

该监视器适于安装在操作站或桌面上。

它支持鼠标/球标工程师键盘和组合键盘。

它还有一个报警喇叭和一个可俯仰调节左右转动的基座。

19英寸LCD是需要超高分辨率应用的支持多窗口显示的彩色监视器。

LCD与传统的CRT相比具有重量轻、功耗低的特点，并具备与21英寸CRT相应的屏幕显示尺寸。

LCD可提供广宽的视角，并且没有弯曲度造成反光。

它还有一个报警喇叭和一个可俯仰调节左右转动的基座。

d）鼠标：

鼠标是一种桌面光标操作控制设备。

它将其物理的移动转换成数字信号，这些数字信号被选择，并在CRT/LCD显示器上形成一反映鼠标移动的光标，鼠标上的按扭开关使用户对屏幕上被光标指定的区域做出选认。

3.3.3操作站处理机WP51F主要性能指标

a）采用SUN工作站，处理机芯片为UltraSPARCIIERISC64位处理机，主频650MHz

􀁺b）内存为256MB，可扩展至2GB􀁺80GB硬盘

􀁺c）644MBCD-ROM

􀁺d）提供USB、SCSI-3、并行和串行接口，可联结打印机、键盘等外围设备

􀁺e）可联接两台19”LCD或21”CRT，分辨率为1600X1280

􀁺f）支持X-Window和OpenLook功能

􀁺g）可选的CD-RW

􀁺h）可选的Ethernet/10Base-T接口，与MIS网联接

3.4控制处理机CP

3.4.1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。

3.4.2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。

3.4.3控制器最快的功能块处理周期为0.05秒，其它组态的控制周期有0.1,0.2，0.5，1，2，5，10，30，60秒等，这些控制周期可任意组合。

实现常规调节控制的模块约有一百多种，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模块有16种。

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

3.4.4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。

3.4.5控制处理机CP60技术特性

a）的CPU采用AMDDX5微处理机（运行于133MHz上）

b）内存为8MB

c）可最多带120块FBM卡件

d）控制功能块执行速度为3,400个功能块/秒

e）可组态多达4,000个控制模块

f）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

g）支持10/100Mbps控制网络

3.5现场总线组件FBM

3.5.1I/ASeries现场总线组件（FBM），可连接到运行I/ASeries综合控制软件的控制处理机或个人计算机上。

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，对各类类型的热电偶和毫伏信号只需要一种组件。

3.5.2FBM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。

在控制处理机通讯或FBM发生故障