新一代開放式智能DCS控制系...
1、系統(tǒng)概述
I/A Series 系統(tǒng)是美國FOXBORO公司推出的新一代開放式智能DCS控制系統(tǒng)，是世界上 種使用開放網(wǎng)絡的工業(yè)控制系統(tǒng)。也是目前使用64位工作站和全冗余的高標準DCS控制系統(tǒng)。I/A Series 已經(jīng)在電力、石化、冶金、建材、輕工、紡織、食品等各個領(lǐng)域都有廣泛應用的系統(tǒng)。
I/A Series的很大特點是開放，在系統(tǒng)與MIS通訊這一層上，不論是51系列還是70系列，都可以非常方便地和工廠信息網(wǎng)進行通訊。
I/A Series采用了標準的通訊協(xié)議，我們可以方便地與管理網(wǎng)以高速率傳送實時和歷史數(shù)據(jù)，以及實時的過程操作畫面。通過這些實時的過程數(shù)據(jù)，為工廠的決策層提供了很好的決策依據(jù)?？梢允构芾碚呙鞔_看出過程的不合理處，進行能耗、質(zhì)量等方面的優(yōu)化改革，使整個工廠的管理現(xiàn)代化上了一個層次。各種信息和數(shù)據(jù)還可以通過以太網(wǎng)和TCP/IP、DECNET、NFS、X.25、 NOVELL/IP等通信協(xié)議與各種不同種類、不同型號的臺式機、便攜機、服務器、工作站以及大型計算機雙向傳送各種數(shù)據(jù)。
I/A Series操作環(huán)境為工廠操作人員提供直接和直觀的訪問方式，訪問對象包括過程信息，質(zhì)量控制信息和其它系統(tǒng)性能反饋。
過程操作人員可以通過操作站調(diào)出過程顯示畫面，觀察過程回路參數(shù)狀態(tài)，實時趨勢，歷史趨勢和報警情況，實現(xiàn)過程回路操作和參數(shù)調(diào)整。
過程工程師可以通過操作站調(diào)出過程組態(tài)畫面進行控制方案組態(tài)，過程流程圖組態(tài)，趨勢畫面組態(tài)和各種報表組態(tài)。
軟件工程師通過操作站系統(tǒng)提供的許多方便、實用及功能強的應用軟件包來開發(fā)軟件，提供與其它網(wǎng)絡的接口功能，也可用C語言開發(fā)用戶應用程序。
系統(tǒng)維護工程師可以通過操作站監(jiān)視系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并可對系統(tǒng)進行診斷。每臺操作站處理機配有獨立的硬盤和鍵盤，放置本身操作系統(tǒng)軟件和流程畫面，可獨立對系統(tǒng)進行實時操作和顯示。
過程控制和過程接口:
I/A Series系統(tǒng)處理機組件通過節(jié)點總線（NODEBUS）相互連接，形成過程管理和控制節(jié)點。每一個組件也可通過一根或多根的通訊鏈路與外圍設備或其它類型的組件相連。節(jié)點總線為I/A Series系統(tǒng)中的各個站（控制處理機，操作站處理機等）之間提供高速，冗余的點到點通訊，具有優(yōu)異的性能和安全性。
與主要設計成處理連續(xù)量，反饋類型的控制回路的DCS不同，I/A Series設計成用來滿足全部測量和控制需求。系統(tǒng)提供的綜合控制組態(tài)軟件包用于處理一個公共的，基于對象的智能測量值和連續(xù)控制，順序控制和梯形邏輯控制。使用久經(jīng)考驗的各種控制功能塊算法。包括為了幫助用戶使很難對付的回路處于控制之下，I/A Series系統(tǒng)使用了 的基于專家系統(tǒng)的EXACT PID參數(shù)自整定和多變量EXACT－MV PID參數(shù)自整定等控制算法．有專用于脈沖/數(shù)字信號控制開關(guān)閥、電動閥和其他執(zhí)行器的控制模塊，還有為了對付在過程中會碰到的長遲滯回路，系統(tǒng)中還提供了SMITH預估算法。過程工程師可按各類控制方案對這些功能塊進行組態(tài)（上述幾個優(yōu)化軟件免費提供于綜合控制組態(tài)軟件包中）。
機柜和操作臺:
I/A Series系統(tǒng)的處理機和現(xiàn)場總線組件都裝在系統(tǒng)專用的機柜中，這些機柜是有涂層的鋼制機柜，具有密封性和通風口，同時具有各種各樣的標準尺寸，安裝配置和接線端子，還有可將處理機和I/O卡放在室外的現(xiàn)場機柜。這種真正的遠方I/O能力將系統(tǒng)智能更為接近地移向過程設備，顯著地減少了用戶現(xiàn)場接線的成本。工業(yè)組合落地式操作臺可安裝各種處理機組件和現(xiàn)場總線組件，通常顯示器和鍵盤等操作設備放置在組合式操作臺上部，操作臺內(nèi)部裝有主機。
2、I/A Series 系統(tǒng)的特點
系統(tǒng)可靠性和安全性:
整個網(wǎng)絡的開放結(jié)構(gòu)使得任何一臺處理機或工作站出現(xiàn)故障，都不會影響到其它工作站的操作功能。這是由網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)決定的。
節(jié)點總線與現(xiàn)場總線均采用冗余結(jié)構(gòu)，提供完善的傳輸出錯檢測技術(shù)，節(jié)點總線接口采用一個32位出錯檢測碼與來自各處理機的信息一同送出，在錯誤檢測方面提供重發(fā)，增強系統(tǒng)安全和可靠性．I/A Series系統(tǒng)網(wǎng)絡對系統(tǒng)的訪問是基于可組態(tài)的口令保護環(huán)境，這些環(huán)境將所有用戶限制在他們工作所需的顯示畫面，應用程序和組態(tài)程序的范圍內(nèi)，而不提供可能引起誤操作的環(huán)境．
FBM（現(xiàn)場輸入/輸出模塊）可以由軟件設置為在通訊故障下的保持狀態(tài)，即使上級控制處理機都已故障，或是雙冗余的通訊電纜都被切斷，甚至所有的上級控制和操作管理站都斷電，F(xiàn)BM采用了冗余電源供應，繼續(xù)保持輸出，直至系統(tǒng)重新恢復后，再由上級控制處理機接管控制。另外，如果發(fā)生整個系統(tǒng)的UPS電源和系統(tǒng)后備電源都被切斷的情況，I/A Series的電源系統(tǒng)中依然提供了電池后備電源，可以對所有FBM中的內(nèi)存繼續(xù)供電，只要系統(tǒng)電源一恢復，F(xiàn)BM將按斷電之前的參數(shù)設置輸出值，以保證過程控制的連續(xù)。
FBM卡件裝有控制軟件可執(zhí)行順序控制、梯形邏輯控制、事故追憶的處理、數(shù)模轉(zhuǎn)換、輸入/輸出信號處理、智能現(xiàn)場信號（智能變送器、智能流量計等）的數(shù)據(jù)通信及處理?？梢蕴岣攥F(xiàn)場控制速度、降低控制處理機負擔。每一模擬量輸入/輸出點都提供有源和無源輸入端子，在現(xiàn)場可自由選擇接入方式。
I/A Series系統(tǒng)采用的CMOS電子組件技術(shù)，非金屬材料傳導冷卻。所有組件均采用表面安裝技術(shù)（SMT），尺寸小，電子組件全密封，有效地將電子器件與污染環(huán)境相隔離，從而大大減少用戶的電能消耗，空調(diào)和空間的需求，保證硬件的高度可靠。全密封的特點在南方潮濕多雨的環(huán)境下更顯優(yōu)勢，卡件是免維護的。
所有的卡件都可以帶電插拔。毋須采取特殊的防靜電措施。
與其它系統(tǒng)不一樣，I/A Series 電源采用矩陣式電源系統(tǒng)，對于重要的處理機采用不停電供電方式，而不是與其它系統(tǒng)一樣采用集中后備供電方式。（I/A Series低功耗處理機使之成為現(xiàn)實）。
從總體來看，I/A S 的結(jié)構(gòu)上處處都貫徹了安全可靠的思路：工作站與節(jié)點總線之間是冗余配置，節(jié)點總線是冗余的，控制處理機是容錯的，控制處理機與I/O卡件之間的現(xiàn)場總線也是冗余的，而且I/O卡件上的每個模擬量通道都是互相隔離的，開關(guān)量通道都是成對隔離的。這些方面的措施保證了用戶在可靠性方面的要求。
系統(tǒng)易維護:
I/A Series系統(tǒng)各種處理機和I/O卡件均有自診斷程序，由紅色報警指示燈提示，無需人工判斷，可迅速更換。每個系統(tǒng)組件上的字符狀標志，可便捷地為系統(tǒng)軟件迅速識別。
靈活性和可擴展性:
I/A Series的模塊化硬件和軟件設計允許用戶配置一個適合工廠控制和信息需求的系統(tǒng)。各種處理機組件，現(xiàn)場總線組件，外設和機柜均可方便地進行組合。
I/A Series系統(tǒng)的工程組態(tài)工作可在一般個人計算機上進行，可以節(jié)約工程組態(tài)時間并方便操作員和工程師熟悉系統(tǒng)，更可以將過程優(yōu)化調(diào)試工作進行預調(diào)試，然后再投到實際過程中去，大大提高效率和安全性。在一般個人計算機上完成的軟件可以轉(zhuǎn)換到大系統(tǒng)上運行。
長壽命系統(tǒng)結(jié)構(gòu):
I/A Series系統(tǒng)由于它的模塊化結(jié)構(gòu)，基于對象的通訊系統(tǒng)，單一的基于WINDOWS NT的軟件和基于工業(yè)標準的網(wǎng)絡，使I/A Series系統(tǒng)成為固有的長壽命結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)允許更新的技術(shù)與現(xiàn)存的透明地協(xié)同運行，允許用戶方便地將現(xiàn)存的應用軟件升級至這些新技術(shù)，永遠保持優(yōu)勢。
本系統(tǒng)可以在通電運行中裝卸所有輸入/輸出模塊和各種處理器。本系統(tǒng)也可以在通電運行中增加輸入/輸出卡件，在線增加或修改控制回路而不影響其它正常運行的控制。
·硬件-I/A SEeries 四代兼容,從很初的8086處理機到現(xiàn)在的奔騰II處理機,實現(xiàn)了長壽命結(jié)構(gòu)的設計思想。
·軟件-從開始的與UNIX系統(tǒng)兼容的實時多任務VENIX操作系統(tǒng)到現(xiàn)在基于Microsoft Windows NT的操作系統(tǒng)，有各種豐富的控制、計算、統(tǒng)計、管理、優(yōu)化軟件。
·通信-輸入/輸出卡采用現(xiàn)場總線，符合IEEE的標準?？墒怪悄墁F(xiàn)場儀表和傳統(tǒng)的現(xiàn)場儀表遠程傳送，輸入/輸出卡件可安放現(xiàn)場。
·顯示-采用的實時目標管理技術(shù)，這是其它系統(tǒng)所的，采用了Microsoft Windows NT 平臺和標準Windows 顯示技術(shù)，可方便地訪問整個I/A SERIES系列和所連接的信息網(wǎng)絡上的信息。
·發(fā)展-硬件與軟件的發(fā)展可相互獨立發(fā)展。
·網(wǎng)絡-通過提供以太網(wǎng)接口和TCP/IP、DECNET、NFS等多種協(xié)議與信息網(wǎng)絡聯(lián)接。工廠管理網(wǎng)可與I/A系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)、文件、畫面互相調(diào)用。
·漢化-I/A SERIES的顯示畫面和報表都可漢化。
·控制器-已經(jīng)具有包含PID自整定和多變量自整定等各種控制。
·可靠性-采用表面安裝技術(shù)（SMT）,尺寸小,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單;電子組件采用全密閉結(jié)構(gòu),增強了硬件抗環(huán)鏡腐蝕和防靜電破壞的能力,由于用戶的碳黑粉塵具有導電性，所以本系統(tǒng)卡件的全密封結(jié)構(gòu)特別適用于用戶的防塵要求；控制容錯技術(shù)；通訊冗余技術(shù)和矩陣供電方式，保證了系統(tǒng)運行的可靠性。并符合當今任何國家的 要求。
·功耗-系統(tǒng)功耗極低，大大降低能源的投資，系統(tǒng)功耗只是常規(guī)系統(tǒng)的1/3。
·備件-備件種類大大減少，無需特殊儲存。
·維護-各種處理機和I/O卡都有自診斷程序，發(fā)現(xiàn)故障將進行報警打印，CRT報警顯示，組件紅燈顯示，方便維護人員及早發(fā)現(xiàn)，快速更換，無需人工判斷。
·接地-系統(tǒng)要求獨立接地，接地電阻要求?5W。
·系統(tǒng)擴充-系統(tǒng)可大、可小、易擴充、并可與二百多種系統(tǒng)和設備相連。對以后系統(tǒng)的修改或擴充投入少、使用方便。
例如系統(tǒng)可以把原有的或以后擴充的ABB、MODICON、AB、西門子等PLC系統(tǒng)直接連接到I/A 控制系統(tǒng)上，數(shù)據(jù)可以互相實時通信。I/A控制系統(tǒng)可以直接操作ABB、MODICON、AB、西門子等PLC 系統(tǒng)，ABB、MODICON、AB、西門子等PLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可以在I/A控制系統(tǒng)的流程圖、趨勢圖、控制面板、報警面板上顯示，可以報表、報警打印。ABB、MODICON、AB、西門子等PLC 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)還可以通過I/A系統(tǒng)與工廠管理網(wǎng)雙向傳送。工廠管理人員、技術(shù)人員通過工廠管理網(wǎng)的流程圖、趨勢圖、控制面板、報警面板隨時了解工廠生產(chǎn)狀況，指導工廠生產(chǎn)。
·編程軟件-I/A系統(tǒng)可以使用C、VB等各種語言進行編程開發(fā)。
1.2 I/A Series系統(tǒng)的特點
系統(tǒng)的構(gòu)成包括過程控制站，過程操作站，和工程師工作站/應用計算處理站、信息管理站和通訊系統(tǒng)。
（1） 過程控制站
I/A Series的過程控制站稱為控制處理機（Control Processer），簡稱CP。
CP本身是一個多處理機系統(tǒng)，包括：
網(wǎng)絡通訊處理機
I/O總線通訊處理機
控制處理機
控制處理機使用通電自檢、運行期間和監(jiān)視時鐘檢查、離線診斷三種類型的診斷測試程序來檢測和/或隔離故障?？紤]到過程可靠性的要求，本系統(tǒng)配備的CP40B。
控制處理機通過現(xiàn)場總線來連接各種現(xiàn)場總線組件（FBM）即I/O卡件。
現(xiàn)場總線連接CP和FBM.提供高速容錯的通訊，通訊速率為268.75 KBPS，通訊協(xié)議IEEE1118，采用屏蔽雙絞線，很長距離為1800米。
模擬量現(xiàn)場總線組件（FBM）都是單通道隔離，一對一的A/D轉(zhuǎn)換。每個通道采用電氣隔離和光電隔離技術(shù)，I/O電路采用過流保護技術(shù)，無需使用保險絲，提高了系統(tǒng)的運行可靠性。由于可靠而且長距離的現(xiàn)場總線的采用，使用戶可以將I/O機柜擺放到現(xiàn)場，兩根屏蔽雙絞線就可以代替幾百上千路同樣距離的，昂貴的現(xiàn)場導線，比如溫度補償導線等。I/A Series還具有在對過程毫無影響的情況下進行在線增加或減少FBM卡件的能力。
（2） 工程師站與操作站
工程師站與操作站操作站選用SUN公司的64位工作站。它支持工業(yè)標準通訊協(xié)議，例如TCP/IP和DECNET等，可以非常方便的和工廠信息網(wǎng)連接。
I/A使用了SPARC技術(shù)。X-Window System 作為操作平臺，在網(wǎng)絡上，凡是任何運行WINDOWS的計算機，其應用程序都可以從這一臺計算機去訪問或者到另一臺計算機上去遠程運行，從而合理的利用網(wǎng)絡上的各種資源。X-WINDOWS系統(tǒng)，從一開始就是為網(wǎng)絡而設計的，每個系統(tǒng)都一貫支持工業(yè)標準Ethernet。為了實現(xiàn)與大、小型機和網(wǎng)絡的連接，還支持如TCP/IP、OSI 和DECNET等多種協(xié)議。在50系列上，也可以與INTERNET直接相連。
工作站特性：
CPU 處理機為 SUN 公司 64 位 UltraSPARC RISC, CPU頻率400MHz
內(nèi)存為 128MB
一個 1.44MB 軟驅(qū)
一個 8.4 GB 硬盤
一個 10/100Mbs SCSI以太網(wǎng)卡
一個 24X 644MB CDROM
一臺 21" 彩色 CRT, 分辨率為1280 x1024 , 直角平面
一個鼠標
一個工程師鍵盤
輸入電壓 220Vac, 熱耗 120W
在一臺AW50上，可以裝入從40臺控制處理機來的信息，也可以裝入96000個位號，流程圖和報表的數(shù)量僅僅受硬盤容量的限制（現(xiàn)在為20GB，每幅流程圖的大小平均為0.06MB左右，而每個報表的大小平均為0.05MB左右）。
（3） 通訊系統(tǒng)
通訊系統(tǒng)為1：1冗余的高速節(jié)點總線，為I/A Series系統(tǒng)中的各個站（應用處理站，控制處理機，操作站處理機等）之間，提供高速，冗余點到點的通訊，具有優(yōu)異的性能和安全性。
在很繁忙的情況下，系統(tǒng)估算負載都不超過可用資源的40％。
（4） 過程I/O接口
所有的接口硬件包括接線端子、連接電纜、輸入輸出卡件等及相關(guān)設備都安裝在主機房的機柜中，機柜的標準符合NEMA12標準。
（5） 過程I/O卡件
過程 I/O 卡全部為光電隔離和變壓器隔離型， 采用過流保護電路，無保險絲，保證系統(tǒng)的可靠運行。可執(zhí)行PLC、和編程控制、事故追憶等控制，掃描周期為1ms。I/A Series 系統(tǒng)現(xiàn)場總組件（FBM）的特性如下:
1.2.3控制器和檢測器的配置
系統(tǒng)配置3個控制處理機（CP40B）
功能說明如下:
與主要設計成處理連續(xù)量,反饋類型的控制回路的DCS不同，I/ASERIES設計成用來滿足全部測量和控制需求。本系統(tǒng)提供的綜合控制軟件包用于處理連續(xù)控制,順序量和梯形邏輯控制.使用久經(jīng)考驗的各種控制功能塊算法，包括為了幫助用戶使很難對付的回路處于控制之下,I/ASERIES系統(tǒng)使用了 的基于專家系統(tǒng)的EXACTPID參數(shù)自整定和多變量EXACT－MVPID參數(shù)自整定等控制算法.過程工程師可按各類控制方案對這些功能塊進行組態(tài)。控制軟件還包括馬達控制模塊、順序控制模塊和PLB模塊，可以方便地完成對馬達等各種控制要求，控制處理機與FBM還可按MODICON的梯形邏輯圖控制組態(tài)方式進行各種控制組態(tài)。（上述控制軟件免費提供于綜合控制軟件包）。
控制處理機使用通電自檢、運行期間和監(jiān)視時鐘檢查、離線診斷三種類型的診斷測試程序來檢測和/或隔離故障?？刂铺幚頇C之間及與工程師站、操作員站之間通過冗余的節(jié)點總線（NODEBUS，10MB的以太網(wǎng)）來連接?？刂铺幚頇C通過冗余的現(xiàn)場總線（FIELDBUS,標準IEEE1118）來連接各種現(xiàn)場總線組件（FBM）即I/O卡件。
CP40控制處理機使用32位字長AMD DX4 CPU，4MB內(nèi)存，時鐘頻率為133MHz。執(zhí)行周期從0.1秒到60分鐘可調(diào)。奇偶校驗為對每一個字節(jié)提供單比特錯誤檢測。CP40B每秒可以處理2000個模塊。
1.2.3控制器和檢測器的配置
系統(tǒng)配置3個控制處理機（CP40B）
功能說明如下:
與主要設計成處理連續(xù)量,反饋類型的控制回路的DCS不同，I/ASERIES設計成用來滿足全部測量和控制需求。本系統(tǒng)提供的綜合控制軟件包用于處理連續(xù)控制,順序量和梯形邏輯控制.使用久經(jīng)考驗的各種控制功能塊算法，包括為了幫助用戶使很難對付的回路處于控制之下,I/ASERIES系統(tǒng)使用了 的基于專家系統(tǒng)的EXACTPID參數(shù)自整定和多變量EXACT－MVPID參數(shù)自整定等控制算法.過程工程師可按各類控制方案對這些功能塊進行組態(tài)?？刂栖浖€包括馬達控制模塊、順序控制模塊和PLB模塊，可以方便地完成對馬達等各種控制要求，控制處理機與FBM還可按MODICON的梯形邏輯圖控制組態(tài)方式進行各種控制組態(tài)。（上述控制軟件免費提供于綜合控制軟件包）。
控制處理機使用通電自檢、運行期間和監(jiān)視時鐘檢查、離線診斷三種類型的診斷測試程序來檢測和/或隔離故障?？刂铺幚頇C之間及與工程師站、操作員站之間通過冗余的節(jié)點總線（NODEBUS，10MB的以太網(wǎng)）來連接。控制處理機通過冗余的現(xiàn)場總線（FIELDBUS,標準IEEE1118）來連接各種現(xiàn)場總線組件（FBM）即I/O卡件。
CP40控制處理機使用32位字長AMD DX4 CPU，4MB內(nèi)存，時鐘頻率為133MHz。執(zhí)行周期從0.1秒到60分鐘可調(diào)。奇偶校驗為對每一個字節(jié)提供單比特錯誤檢測。CP40B每秒可以處理2000個模塊。
I/A 系統(tǒng)輸入輸出組件的種類
型號 說明 輸入/輸出點數(shù)
FBM01 0-20MA輸入 8AI
FBM02 熱電偶/毫伏輸入 8AI
FBM03 熱電阻輸入（三線/四線制） 8AI
FBM04 0-20MA 輸入/輸出 4AI/4AO
FBM05 冗余0-20MA輸入/輸出 4AI/4AO
FBM06 頻率輸入/0-20MA輸出 4PI/4AO
FBM07/12 觸點/直流電壓輸入 16DI
FBM08/13 120VAC 交流狀態(tài)輸入 16DI
FBM09/14 觸點/直流電壓輸入/觸點輸出 8DI/8DO
FBM10/15 120VAC交流狀態(tài)輸入/觸點輸出（2A） 8DI/8DO
FBM11/16 240VAC交流狀態(tài)輸入/觸點輸出（1A） 8DI/8DO
FBM17 0-10V 直流電壓/觸點輸入/輸出 4AI/2AO4DI/4DO
FBM18 智能變送器輸入 8AI
FBM20/21 240VAC 交流狀態(tài)輸入 16DI
FBM22 手自動操作站接口 1AI/1AO
FBM24/25 觸點/125V直流電壓輸入 16DI
FBM26/27 觸點/125V直流電壓輸入/輸出 8DI/8DO
FBM39 智能變送器輸入/0-20MA輸出 4AI/4AO
FBM41/42 觸點輸入/觸點輸出（2.25A） 8DI/8DO
FBM46 冗余智能變送器輸入/0-20MA輸出 4AI/4AO
