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I/A DCS系统

发布时间 2023-03-23 发布人： admin 浏览次数：924

I/A DCS概况

　　    美国Foxboro公司着眼于未来，在1987年推出了世界上个体现开放概念的超越一般DCS的新一代工业控制系统——I/A Series系统。I/A Series率先突破了封闭式发展的制约，广泛地采用国际标准，其产品符合国际标准化组织(ISO)提出的开放系统互连(OSI)参考模型。这样的系统允许将其它制造厂家的产品纳入自己的系统，也考虑到将未来的新技术容纳到I/A Series中来。这样，随着软硬件技术的不断发展，I/A Series 必将得到进一步加强，这种全新的系统设计概念的已成为工业控制系统的发展方向。为达到开放系统的目的，I/A Series 在硬件、软件和通讯网络等方面均全面采用国际公认的标准。
    I/A Series 是世界上先进的新一代开放工业系统。美国Foxboro公司在1987年推向市场后，很多中国用户就订购了这种先进的控制系统。I/A Series 崭新的设计思想，完全的开放性和可靠的长寿命结构获得了用户的好评。今天，在I/A系统发表后的多年后，美国的许多工业咨询公司，如自动化研究公司(ABC)：和加特恩集团(GartnerGroup)继续认为，在工业自动化方面：I/A系统是具有先进技术的的系统。这是个多年的老的工业自动化系统被评为新的先进的系统。今天I/A系统软件与其它系统的软件相比，可运行在更多的硬件和软件平台上。在工业上，其期望的寿命始终是长的。尤其在我国国内电力行业应用方面，早在1992年，电力部自动化领导小组已将I/A Series列入向国内大型火电机组推荐的DCS之一。从投资的金额和人员组成的规模来看，福克斯波罗中国有限公司是原电力部向国内大型火电机组推荐的八种DCS大的。
美国Foxboro公司进入中国市场二十多年以来，可提供从简单的测量控制需求到完整的全厂的过程控制系统、现场仪表和相关的服务。迄今为止，已经有几千套控制装置广泛地应用于我国电力、石化、冶金、建材、轻纺、食品等行业，缩短了我国仪表行业与国际先进水平的距离。I/A Series系统总的概括具有以下
特点：
■采用与 UNIX SVR4 完全兼容的Solaris操作系统及Windows XP操作系统。
■世界上个采用 IEEE 802 标准的工业控制系统，支持IEEE 802.3u（快速以太网）、802.3z（千兆网）、802.4、RS-485 等标准，支持Ethernet TCP/IP 协议。
■支持 OPC 协议，采用C 和FORTRAN等编程语言，便于软件资源的共享。
■支持 FF、Profibus、HART 等现场总线标准。
■I/A Series 的应用软件与硬件彼此可以独立发展，不会因为软件的更新换代而使现有的硬件失效。
■与 UNIX/Windows XP 兼容的第三方软件或用户开发的应用软件，可以不作修
改或稍作修改即可移植应用于I/A Series中，由于I/A Series 是完全采用国际标准的开放系统，它对第三方的标准产品是完全开放的。它是新一代开放式工业控制系统的标志，具有广阔的发展前景。

I/A Series 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。
■系统开放性
●硬件
I/A Series 四代兼容，从CISC 技术到RISC 技术、从Intel处理机到Ultra SPARC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新的软件版本，以随时吸收新的技术，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。
●软件
支持UNIX(Solaris)与Windows XP 操作系统；采用C，FORTRAN 等广泛应用的编程语言；SQL 关系型数据库和Informix、Lotus 1-2-3 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。
●通讯
建立于OSI 模型上，符合IEEE 的标准，如IEEE 802.3、IEEE 1118、Ethernet。
●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。

I/A网络结构

    美国福克斯波罗公司的DCS——IA系统采用世界先进的Mesh网络。
    Mesh 控制网络 (Mesh Control Network) 是 Invenssys IPS根据近年来网络技术的发展而推出的DCS控制网络，。它基于IEEE802.3u （快速以太网）和IEEE802.3z（千兆网）技术，由一组以太网交换机以各种网状拓扑方式连接而成。Mesh控制络的设计思想是在网络中任意二个设备之间提供多重通讯途径，从而使得通讯不受单点乃至多点故障的影响，极大地提高了通讯的冗余性能。Mesh 网络的可利用性非常高，网络结构简单明了，便于维护。Mesh网络的通讯线缆，极大地提高了通讯中的抗干扰能力。
    Mesh 控制网络将控制站、输入输出模块和各种工作站集中在了一个100Mb/1Gb 的太网络中。这些控制站、输入输出模块和工作站通过Mesh 控制网络连接在一起，为过程系统匠监测、控制和工厂信息管理提供了一个规模灵活的过程控制系统、高速、多冗余以及点的网络通讯性为控制系统的高性能和安全性提供了基础。每个控制站、输入输出模块和工作站可以使用冗余连接与Mesh 网上的其他控制站、输入输出模块和工作站进行通讯。
Mesh控制网络的特点：
􀂾 «系统具有强大的易伸缩性，通过以太网交换机的互联，可运用线形、环形、星形或倒挂树等网络技术连接各个I/A Series 系统站；
􀂾 «基于 IEEE802.3 标准上的全双工通讯；
􀂾 «可多连接 1920 个I/A Series 系统站；
􀂾 «支持基于 IEEE802.3 标准的全双工运行的快速Ethernet (100Mbps) 和千兆Ethernet (1Gbps)，为网络内的数据通讯提供了智能的数据路由选择；
􀂾 «每个系统站所运行的软件都可管理冗余Ethernet 接口，以便对网络错误做出及时的响应；
􀂾 «应用高速生成树协议(RSTP)管理冗余路径，防止通讯回路，并为网络提供快速的收敛时间；
􀂾 «具有快速响应网络和系统站错误的能力，提供了高可靠性的冗余网络；
􀂾 «对所管理的交换机可通过就地接口进行网络管理与配置；
􀂾 «系统管理软件可监视 Mesh 控制网络的状态，并管理系统内的所有设备。

Mesh 控制网络有四种基本的网络拓扑结构，它们是：
􀂾 线性结构
􀂾 环形结构
􀂾 星形结构
􀂾 倒挂树结构
其他拓扑结构均由这四种基本结构组成。用户可以根据现场情况和工厂需要选用和构造。

« 线性结构

线性结构由二台交换机组成，适用于小型系统。不过，如果选用的交换机有上百个通讯口的话，也可以应用于较大的系统。

« 环形结构

环形结构适用于三至七个交换机组成的网络。从图2-3 可以看出，每个交换机都与邻近的交换机相连，其中主、备根交换机必须相邻。环形结构中的交换机数量多只能有7台，这是因为网络使用的RSTP（RapidSpanning Tree Protocol）中规定了任何二台设备通讯之间的交换机数量不能超过这一数字。

« 星形结构

星形结构非常适合于中型和大型系统。星形结构的中心由二台根交换机组成，彼此互联。其它交换机均称为边际交换机，它们与二个根交换机分别相连，如此保证单一设备的失效不影响整个网络的工作性能。如果交换机之间使用1Gb 速率的话，边际交换机的数量多可达38 台。

« 倒挂树结构

倒挂树结构倒挂树结构适合于大型系统。该机构中，所有交换机都按层排列，其中根交换机位于顶层。由于RSTP 协议的限制，倒挂树结构中的层数多只有四层。任何一台交换机都与上一层中的二台交换机相连以保证通讯的冗余性。

输入输出模块与 Mesh 控制网络的连接

输入输出模块可以通过现场通讯组件与Mesh 控制网络直接相连，达到100Mb/s的通讯速率。

信息管理网络连接
I/A Series 系统与信息管理网络(例如Novell，Windows 98、NT、2000、XP，NPS)通讯，连接方式：
« Ethernet 接口——I/A Series 系统可通过标准Ethernet 接口采用OPC协议直接与信息管理网络连接。

可靠性与先进性

■系统的可靠性

●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。
●坚固可靠的系统硬件
I/A Series 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，所有组件全部合金外壳，无暴露的电子组件增强了硬件抗环境腐蚀和防静电能力。组件的工作环境温度可高达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/A Series系统全部采用先进的电路设计，降低了组件功耗和发热，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。
●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。
●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。

■系统的先进性

●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，快功能块处理周期为50ms。
●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。
●Mesh 控制网络
系统的通讯网络采用了先进的交换机控制网络，极大地提高了系统的通讯带宽，增强了通讯线路的可比性，全光纤通讯设备的选用亦增强了系统通讯抗电磁干扰的能力。
Mesh控制网络的特点：
◊系统具有强大的易伸缩性，通过以太网交换机的互联，可运用线形、环形、星形或倒挂树等网络技术连接各个I/ASeries 系统站；
◊多连接 1920 个I/A Series 系统站；
◊支持基于全双工运行的IEEE802.3u （快速以太网）和IEEE802.3z（千兆网）技术，为网络内的数据通讯提供了智能的数据路由选择；
◊每个系统站所运行的软件都可管理冗余Ethernet 接口，以便对网络错误做出及时的响应；
◊应用高速生成树协议(RSTP)管理冗余路径，防止通讯回路，并为网络提供快速的收敛时间；
◊具有快速响应网络和系统站错误的能力，提供了高可靠性的冗余网络；
◊对所管理的交换机可通过就地接口进行网络管理与配置；
◊系统管理软件可监视 Mesh 控制网络的状态，并管理系统内的所有设备。
●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/A Series系统的资料是面向对象,目标名在系统数据库中是的。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、基于客户端/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，更不会制约系统的进一步扩展。
●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/A Series 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大的方便，节省了工程成本。
●远程 I/O
I/A Series 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。
●汉化
I/A Series 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。
●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/A Series 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。
●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/A Series 系统中，也可安装在上位机上与其它DCS 系统进行通讯。
●现场总线协议
支持FF、Profibus、HART、FoxCom 等现场总线。
●与 MIS/ERP 系统联网
通过标准的以太网接口，I/A Series 系统可与MIS 系统（例如Windows 98、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。
●接地
系统要求独立接地，一般场合接地电阻,要求＜5Ω。

常用组件一览

特殊组件介绍

控制处理机（Contro1 Processor，简称CP）

类型：ZCP270、FCP270、CP60

Z型控制处理机ZCP270 技术特性
« ZCP270 的CPU 采用具有存储程序功能的基于AMD Elan SC520 微处理机(运行于100MHz 上)；

« ZCP270 采用16MB SDRAM 内存，32MB 闪存；
« ZCP270 可多带120 块FBM 卡件；
« ZCP270 控制功能块执行速度为10,000 个功能块/秒；
« ZCP270可组态多达4,000 个控制模块；
« ZCP270 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；
« ZCP270 支持100Mbps 控制网络。

现场控制处理机 FCP270 技术特性
« FCP270 的CPU 采用具有存储程序功能的基于AMD Elan SC520 微处理机(运行于100MHz 上)；

« FCP270 采用16MB SDRAM 内存，32MB 闪存；
« FCP270 可多带32 块FBM 卡件；
« FCP270 控制功能块执行速度为10,000 个功能块/秒；
« FCP270 可组态多达4,000 个控制模块；
« FCP270 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；
« FCP270 支持100Mbps 控制网络。

控制处理机CP60技术特性（该产品已停产）
« CP60 的CPU 采用AMD DX5 微处理机(运行于133MHz 上)；
« CP60 内存为8MB；
« CP60 可多带120 块FBM 卡件；
« CP60 控制功能块执行速度为3,400 个功能块/秒；
« CP60 可组态多达4,000 个控制模块；
« CP60 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；
« CP60 支持10/100Mbps 控制网络。

现场总线组件（FieldBus Modules，简称FBM）

FBM201

0~20mA 通道隔离输入接口组件(FBM201)具有八路20mA DC 模拟量输入通道。每个通道可接受一个二线制模拟量传感器输入，例如4~20mA 变送器或者一个自供电的20mA信号源。每个模拟量输入与其它通道和地完全隔离。

FBM201 采用密集型设计，具有牢固的一次成型铝合金外壳，以此作为电子线路的保护层。机柜是特殊设计的，能提供各类环境保护，以及由ISA 标准S71.04 定义的危险场合的FBM 安装。

该组件完成现场传感器来的电气输入信号与可选冗余的现场总线间的接口所需的信号转换。

该组件也可执行模拟量输入应用程序，该程序提供的组态选项为模拟量输入的转换时间和分辨率限制。

为提高精度该组件在每个通道都包含了SIGMA DELTA 数据转换，它提供一个模拟量输入通道，每25MS 采样一次，并可组态通道过滤器以减少过程噪声和电源线性频率。

发光二极管指示灯LEDS，安装在该组件的正面用于提供现场总线组件功能的运行状态指示。

该组件可以被任意插拔/更换，而不需移动现场设备的接线端子电缆或电源及通讯电缆。

« 现场总线通讯

与主控制站相通讯的是通过可选冗余的10Mbps 的以太网总线。现场总线通讯组件（FCMs）用来连接符合2Mbps 通讯规程的FBMs 组件和符合10Mbps通讯规程的以太网现场总线。FBM201 接受的通讯信息来自于冗余的以太网现场总线上任何路径（A或B），一旦某一条路径失败或被系统切换，组件能在执行的路径上继续通讯。

« 基板组件安装

组件安装采用DIN 导轨基板式安装，该基板多可容纳8个现场总线组件。基板可以选用D型导轨或支架安装，并可以安装冗余现场总线信号连接器，独立的冗余DC 电源和端子电缆。

FBM223

PROFIBUS-DP 通讯接口组件(FBM223)为 PROFIBUS-DP 从站设备(例如 PLC、I/O组件和现场 I/O设备)与 I/A Series 系统之间提供通讯接口。

PROFIBUS 是一个广泛应用于过程自动化和制造业领域的独立于供货商的开放式的现场总线标准。 PROFIBUS 现场总线标准 EN50170 规定了串行传输总线的功能、电气和机械特征。PROFIBUS-DP 的物理接线符合 EIA RS-485 标准。
FBM223组件的主要特点包括：
« 遵守 PROFIBUS-DP 现场总线规范；
« 对所有的设备变量与诊断信息提供完全的支持；
« 将 PROFIBUS-DP 从站数据集成到 I/A Series控制数据库中；
« FBM223 及其接线端子适于安装在Class 1 Division 2 和 Zone 2 级环境；
« FBM223 组件与 PROFIBUS-DP I/O 设备以主站/从站方式进行通讯
« FBM223 初始化每次数据通讯交换。
« 从站设备仅能接收消息，或需要时发送信息至主站。

FBM230

通讯接口组件(FBM230，替换原有FBM224)为Modbus从站设备(例如ESD、ITCC、PLC和现场I/O设备)与I/A Series系统控制处理机之间提供通讯接口。它接收从其它设备那里传来的需要的数据，并且把这些数据送入I/A Series 系统网络和实时数据库，同时也把自己数据库里面的数据传给其它智能设备。这些智能设备包括 SCADA、SIS、ITCC、PLC、ESD现场分析仪等MODBUS通讯设备或是其它的系统。该通讯模块有4个MODBUS通迅口，可实现冗余通信。

FBM230可以对64个设备进行数据读写。从I/A Series系统到FBM230所连的设备，可对多达2000个分布式控制接口（DCI）数据进行连接以实现读和写功能。

I/A Series控制处理器通过FBM230就可以访问多达2000个模拟量I/O点或是多达64000个数字量I/O点，或是模拟量与数字量的混合。FBM230从现场设备采集所需数据进行转换，然后将转换后的数据存储到数据库中，融入到I/A Series系统管理功能和操作员显示界面中。数据也可以从I/A Series系统写到现场设备中。

FBM230组件的主要特点包括：

« 冗余支持与现场设备间9,600、19,200BPS传输速率；

« 可与多达64个现场设备通讯；

« 多达2000个DCI功能块连接；

« 通过Modbus连接将现场设备的数据集成到I/A Series控制数据库；

« 现场安装；

« 符合G3（苛刻）的环境标准；

« 遵守Modbus规范；

« 提供RS-232、RS-422、RS-485多种通讯接口标准；

« 将Modbus从站设备数据集成到I/A Series控制数据库中。

Triconex系统通过TCM通信模块和I/A Series DCS的通讯模块连接，二个系统之间实现双向、可靠、安全和高性能的数据通信，实现DCS与SIS系统的网络连接，传输速率100MBPS，通信采用IEEE 802.3u标准，TSAA协议。I/A系列的DCS将Triconex SIS系统设定为DCS网络上一个节点（SIS系统的控制器相当于DCS的一个控制器），通过操作站上的操作管理软件，SIS系统中的应用数据、系统信息、诊断数据、状态信息等可以在I/A系列DCS系统的任何地方使用。