现场控制站的结构和设备.docx
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现场控制站的结构和设备
第三章
现场控制站的结构和设备
本章介绍现场控制站的硬件结构。
将现场来的信号转换成使CPU能读取的数字信号的单元称为输入/输出模件（I/0模件）。
I/0模件信号借助节点接口单元（NIU）送至现场控制单元（FCS），现场控制单元中有一个CPU来进行生产过程控制。
本章将确认每种功能，并理解其结构。
3.1关键词条
下列各条为本章中将研究的内容.
（1）现场控制单元3.2
（2）节点3.2
（3）FCU的信号流图3.4
（4）输入/输出模件3.6
（5）冗余度和可靠性3.7
3.2硬件
有8种形式的硬件可供选择，可从下列各项中选出最佳组合：
功能:
标准的或扩展的
组态:
单机或双重化冗余
安装体:
机柜或19″机架
3.2.1安装方式
1台FCU和多个节点安装在专用的机柜内，也可安装在通用的19″机架上。
它们可自由地分开或组合，安装在机柜和机架上。
例如：
FCU和一些节点安装在机柜内，同时另一些节点安装在地仪表盘上的机架中。
（1）机柜形FCS
●机柜形FCS
正面：
1台FCU和3个节点（1个节点最多可容纳4个I/O模件插槽）。
背面：
3个节点（1个节点最多可容纳5个I/O模件插槽）。
●用于安装节点机柜
正面和背面总共可安装6个节点（每个节点中最多可安装5个I/O模件插槽）。
（2）19″架装FCS
组成：
FCU安装用机架。
节点安装用机架，每个机架中可安装2个插槽。
I/O扩展形机架，每个可安装3个模件插槽。
结构：
19″机架。
安装：
仪表盘上；通用机柜中；本地表盘上。
●
现场控制单元（FCS）在机架上的安装。
图3.2FCS在机架上的安装
3.2.2硬件组态
FCS由一个现场控制单元（FCU），最多可由8个节点组成，由远程输入/输出总线（RIO总线）连接起来，如图3.3所示。
●现场控制单元（FCU）
FCU为一个微处理器组件，完成FCS的控制和计算。
●节点（远程I/O单元）
节点为一种信号处理装置，它将现场来的I/O信号经变换后送给FCU，远程输入/输出总线将FCU和节点连接起来。
一个节点由一个与现场信号连接的“I/O单元”和一个与FCU通讯的“节点接口单元”（NIU）组成。
图3.3FCS的硬件组态
●RIO总线
远程总线（RIO总线）可组成双重化冗余结构，它为连接FCU和各个节点的通讯母线。
双绞线电缆及功率放大器用于短距离传送，中继器和光纤通讯放大器用于长距离传送。
远程总线允许在不悬挂FCU控制和中断与其他节点的数据通讯的条件下增加节点或改变节点。
表3.1RIO总线的技术规格
项目
规格
传送媒体
双绞线电缆或光缆（可以混用）
传送方式
总线型,多段信息传送
冗余方式
单线或双重化冗余
传送距离
0.75KM或20KM
可连节点数
8个
通讯速度
2Mbps
3.3信号流图
图3.4说明从接收现场信号到向现场输出信号的信号流图。
现场
图3.4FCS信号流图（举例）
3.4现场控制单元（FCU）
现场控制单元由三种卡件（处理器卡，节点通讯卡和电源卡）、一个V网通讯偶合器和RIO总线偶合器组成。
在双重化组态的FCU中，每一种卡均成对安装。
图4.20为FCU的结构。
图3.5双重化FCU的结构
表3.2FCU的硬件规格
FCU功能类型
组成卡件
标准型
扩展型
说明
处理器卡
CPU
RISI处理器
主存贮容量
8MB
16MB
带ECC（注1）
Vnet接口
单通道或双重化冗余
节点通讯卡
RIO总线数
1
冗余方式
单片或双重化冗余
I/O点数
1280模拟信号或4096结点信号
见FCS应用容量
（注1）ECC：
纠错码（ErrorCorrectingCode）
3.5节点接口单元（NIU）
（a）节点接口单元（NIU）
NIU是节点的一部分，它经RIO总线与FCU通讯，这个单元由通讯卡和电源组成，可以制成双重化冗余结构。
1个NIU最多可接5个各种类型的I/O单元。
图3.6节点在机柜中的安装（双重化节点）
（b）I/O单元
I/O单元由输入/输出过程信号的I/O模件及安装这些模件的卡盒组成。
有5种类型的卡盒可供选用：
●模拟I/O模件卡盒
●高速扫描用模拟I/O模件卡盒
如果模拟I/O模件卡盒作高速扫描用，这时只能增加1个其他类型的卡盒。
即在该节点中，I/O单元的最大数量限定为2。
在高速通讯卡槽中的I/O模件为标准技术规格产品。
●继电器I/O模件卡盒
●端子形接点I/O模件和通讯模件用卡盒
●连接器形接点I/O模件卡盒
3.6I/O模件
输入模件将过程模拟输入信号转换成为数字数据以使FCS能够处理它。
输出模件转换FCS的数字数据为模拟信号和接点信号，产生输出数据。
表3.3列出了I/O模件的种类，图3.7为I/O模件和模件卡盒配合示图.
表3.3I/O模件
信号类型
模件
每个模件的
I/O点数
现场信号隔离
信号连接方式
卡盒中安装最大单元数
模拟I/O
电流/电压输入
（4-20mV,0-10V,
2线制变送器）
1
隔离
端子型
16
小电信号（mV,热电偶，RTD，电位输入）
1
16
电流/电压输出
（4-20mV,0-10V）
1
16
脉冲输入
脉冲输（0-10KHZ，2线或3线制脉冲输入）
1
隔离
端子型
16
多
路
卡
电压多路输入卡件
16
隔离
（输入信号间必须隔离）
端子型
2
MV多点输入卡件
16
2
热电偶信号多点输入卡件
16
2
RTD多点输入卡件
16
1
两线制变送器多路输入卡
16
1
电流多点输出卡件
16
1
数字输入
/
输出
接点输入
（一般用，晶体管开关输入，30V，100mA）
16
隔离
端子型
2
插接件型
4
32
公用
端子型
2
插接件型
4
接点输出
（一般用，晶体管开关输出，30V，100mA）
16
隔离
端子型
2
插接件型
4
32
公用
端子型
2
插接件型
4
电压输入
（电源功率220VAC的输入）
16
隔离
端子型
2
插接件型
4
继电器输入（注1）
16
公用
端子型
1
继电器输出（接点输出）
16
隔离
1
通讯
RS232-C
RS422
RS485
LCS（用于YS100和YS80的通讯）
1通道
——
插接件形
2
每台FCS最多6个
8通道
注1：
接点信号源电压为24VDC，这适于保护普通接点，并在最坏的大气条件能读接点状态。
注2：
24VDC电压加至信号源以保护普通接点。
图3.7I/O模件及卡盒
3.7冗余度和可靠性
3.7.1FCS的冗余度和可靠性
图3.8为FCS的冗余组成结构，图上Vnet通讯偶合器和内部总线间共享部件均是双重化冗余结构。
图3.8FCS双重化冗余结构
3.7.2FCS处理器卡的双重化冗余及其高可靠性
CENTUMCS系统中,每个FCU处理器卡采用了成对互备互校系统，真正实现了FCU处理器卡的双重化冗余。
这种系统是世界上任何DCS所没有采用的。
正如下面将要介绍的，这种方法给出了常规双重化冗余系统没能解决的若干问题的解决办法。
●如果由于电气干扰或自然辐射而发生短暂运算，校正器通过校对卡上两CPU的计算结果检测到这种错误，并随时地进行备用切换。
●后备处理器卡不停的进行控制运算，并保持与控制侧处理器卡同步，这样做到了控制卡中数据向备用卡的无扰动切换。
两个处理器卡分别装在左右侧，任一侧都可作为控制卡，另一个为备用卡。
下面一段文字将说明处理器如何检测和校正运算错误，如何传递控制权。
（1）每个处理器卡有两个CPU，它们执行同样的控制运算，校正器在每个运算周期校核两个CPU的运算结果，当两CPU的结果一致时，便认为运算正确，数据将送给主存贮单元或总线接口卡。
主存贮单元配有错误校正码（ECC码），它能校正偶发性的位反相差错,以阻止贮存器产生严重差错。
（2）如果两个CPU的计算结果不一致，控制运算将认为是错误的，控制权将交给备用处理器卡。
（3）由于备用处理器卡同步地执行着与控制处理器卡同样的控制运算，所以,它在接到控制权后能立即将控制运算数据送给总线接口。
（4）检测到运算错误的处理器卡执行一种自诊断功能。
当自诊断后没有发现异常时，则认为运算错误是偶发性的。
非正常状态恢复后转为备用状态，备用处理器执行控制运算，并与控制侧处理器同步。
3.8FCS的结构
培训中心使用柜式FCS.
模拟I/O模件和数字I/O模件用作输入/输出模件。
图3.9为培训中心的FCS结构.
图3.9FCS的结构
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