新一代开放式智能DCS控制系统（FOXBORO）

1、系统概述

　　 I/A Series 系统是美国FOXBORO公司推出的新一代开放式智能DCS控制系统，是世界上第一种使用开放网络的工业控制系统。也是目前使用64位工作站和全冗余的高标准DCS控制系统。I/A Series 已经在全世界电力、石化、冶金、建材、轻工、纺织、食品等各个领域都有广泛应用的系统。 
    I/A Series的最大特点是开放，在系统与MIS通讯这一层上，不论是51系列还是70系列，都可以非常方便地和工厂信息网进行通讯。
    I/A Series采用了标准的通讯协议，我们可以方便地与管理网以高速率传送实时和历史数据，以及实时的过程操作画面。通过这些实时的过程数据，为工厂的决策层提供了最好的决策依据。可以使管理者明确看出过程的不合理处，进行能耗、质量等方面的优化改革，使整个工厂的管理现代化上了一个层次。各种信息和数据还可以通过以太网和TCP/IP、DECNET、NFS、X.25、 NOVELL/IP等通信协议与各种不同种类、不同型号的台式机、便携机、服务器、工作站以及大型计算机双向传送各种数据。
    I/A Series操作环境为工厂操作人员提供直接和直观的访问方式，访问对象包括过程信息，质量控制信息和其它系统性能反馈。
    过程操作人员可以通过操作站调出过程显示画面，观察过程回路参数状态，实时趋势，历史趋势和报警情况，实现过程回路操作和参数调整。
过程工程师可以通过操作站调出过程组态画面进行控制方案组态，过程流程图组态，趋势画面组态和各种报表组态。 
    软件工程师通过操作站系统提供的许多方便、实用及功能强的应用软件包来开发软件，提供与其它网络的接口功能，也可用C语言开发用户应用程序。 
系统维护工程师可以通过操作站监视系统的工作状态，并可对系统进行诊断。每台操作站处理机配有独立的硬盘和键盘，放置本身操作系统软件和流程画面，可独立对系统进行实时操作和显示。 
过程控制和过程接口: 
    I/A Series系统处理机组件通过节点总线（NODEBUS）相互连接，形成过程管理和控制节点。每一个组件也可通过一根或多根的通讯链路与外围设备或其它类型的组件相连。节点总线为I/A Series系统中的各个站（控制处理机，操作站处理机等）之间提供高速，冗余的点到点通讯，具有优异的性能和安全性。 
  与主要设计成处理连续量，反馈类型的控制回路的DCS不同，I/A Series设计成用来满足全部测量和控制需求。系统提供的综合控制组态软件包用于处理一个公共的，基于对象的智能测量值和连续控制，顺序控制和梯形逻辑控制。使用久经考验的各种控制功能块算法。包括为了帮助用户使最难对付的回路处于控制之下，I/A Series系统使用了专利的基于专家系统的EXACT PID参数自整定和多变量EXACT－MV PID参数自整定等先进控制算法．有专用于脉冲/数字信号控制开关阀、电动阀和其他执行器的控制模块，还有为了对付在过程中会碰到的长迟滞回路，系统中还提供了SMITH预估算法。过程工程师可按各类控制方案对这些功能块进行组态（上述几个优化软件免费提供于综合控制组态软件包中）。 
机柜和操作台: 
     I/A Series系统的处理机和现场总线组件都装在系统专用的机柜中，这些机柜是有涂层的钢制机柜，具有密封性和通风口，同时具有各种各样的标准尺寸，安装配置和接线端子，还有可将处理机和I/O卡放在室外的现场机柜。这种真正的远方I/O能力将系统智能更为接近地移向过程设备，显著地减少了用户现场接线的成本。工业组合落地式操作台可安装各种处理机组件和现场总线组件，通常显示器和键盘等操作设备放置在组合式操作台上部，操作台内部装有主机。 

2、I/A Series 系统的特点

系统可靠性和安全性:

    整个网络的开放结构使得任何一台处理机或工作站出现故障，都不会影响到其它工作站的操作功能。这是由网络的拓扑结构决定的。

    节点总线与现场总线均采用冗余结构，提供完善的传输出错检测技术，节点总线接口采用一个32位出错检测码与来自各处理机的信息一同送出，在错误检测方面提供重发，增强系统安全和可靠性．I/A Series系统网络对系统的访问是基于可组态的口令保护环境，这些环境将所有用户限制在他们工作所需的显示画面，应用程序和组态程序的范围内，而不提供可能引起误操作的环境．

    FBM（现场输入/输出模块）可以由软件设置为在通讯故障下的保持状态，即使上级控制处理机都已故障，或是双冗余的通讯电缆都被切断，甚至所有的上级控制和操作管理站都断电，FBM采用了冗余电源供应，继续保持输出，直至系统重新恢复后，再由上级控制处理机接管控制。另外，如果发生整个系统的UPS电源和系统后备电源都被切断的情况，I/A Series的电源系统中依然提供了电池后备电源，可以对所有FBM中的内存继续供电，只要系统电源一恢复，FBM将按断电之前的参数设置输出值，以保证过程控制的连续。

    FBM卡件装有控制软件可执行顺序控制、梯形逻辑控制、事故追忆的处理、数模转换、输入/输出信号处理、智能现场信号（智能变送器、智能流量计等）的数据通信及处理。可以提高现场控制速度、降低控制处理机负担。每一模拟量输入/输出点都提供有源和无源输入端子，在现场可自由选择接入方式。

    I/A Series系统采用先进的CMOS电子组件技术，非金属材料传导冷却。所有组件均采用表面安装技术（SMT），尺寸小，电子组件全密封，有效地将电子器件与污染环境相隔离，从而大大减少用户的电能消耗，空调和空间的需求，保证硬件的高度可靠。全密封的特点在南方潮湿多雨的环境下更显优势，卡件完全是免维护的。

    所有的卡件都可以带电插拔。毋须采取特殊的防静电措施。

    与其它系统不一样，I/A Series 电源采用矩阵式电源系统，对于重要的处理机采用不停电供电方式，而不是与其它系统一样采用集中后备供电方式。（I/A Series低功耗处理机使之成为现实）。

    从总体来看，I/A S 的结构上处处都贯彻了安全可靠的思路：工作站与节点总线之间是冗余配置，节点总线是冗余的，控制处理机是容错的，控制处理机与I/O卡件之间的现场总线也是冗余的，而且I/O卡件上的每个模拟量通道都是互相隔离的，开关量通道都是成对隔离的。这些方面的措施保证了用户在可靠性方面的要求。

系统易维护:

    I/A Series系统各种处理机和I/O卡件均有自诊断程序，由红色报警指示灯提示，无需人工判断，可迅速更换。每个系统组件上的字符状标志，可便捷地为系统软件迅速识别。

灵活性和可扩展性:

    I/A Series的模块化硬件和软件设计允许用户配置一个完全适合工厂控制和信息需求的系统。各种处理机组件，现场总线组件，外设和机柜均可方便地进行组合。

    I/A Series系统的工程组态工作可在一般个人计算机上进行，可以节约工程组态时间并方便操作员和工程师熟悉系统，更可以将过程优化调试工作进行预调试，然后再投到实际过程中去，大大提高效率和安全性。在一般个人计算机上完成的软件可以转换到大系统上运行。

长寿命系统结构:

    I/A Series系统由于它的模块化结构，基于对象的通讯系统，单一的基于WINDOWS NT的软件和基于工业标准的网络，使I/A Series系统成为固有的长寿命结构，其结构允许更新的技术与现存的透明地协同运行，允许用户方便地将现存的应用软件升级至这些新技术，永远保持优势。

本系统可以在通电运行中装卸所有输入/输出模块和各种处理器。本系统也可以在通电运行中增加输入/输出卡件，在线增加或修改控制回路而不影响其它正常运行的控制。

    ·硬件-I/A SEeries 四代兼容,从最初的8086处理机到现在的奔腾II处理机,实现了长寿命结构的设计思想。

    ·软件-从开始的与UNIX系统兼容的实时多任务VENIX操作系统到现在基于Microsoft Windows NT的操作系统，有各种丰富的控制、计算、统计、管理、优化软件。

   ·通信-输入/输出卡采用现场总线，符合IEEE的标准。可使智能现场仪表和传统的现场仪表远程传送，输入/输出卡件可安放现场。

   ·显示-采用先进的实时目标管理技术，这是其它系统所无法比拟的，采用了Microsoft Windows NT 平台和标准Windows 显示技术，可方便地访问整个I/A SERIES系列和所连接的信息网络上的信息。

   ·发展-硬件与软件的发展可相互独立发展。

   ·网络-通过提供以太网接口和TCP/IP、DECNET、NFS等多种协议与信息网络联接。工厂管理网可与I/A系统进行数据、文件、画面互相调用。

   ·汉化-I/A SERIES的显示画面和报表都可汉化。

   ·控制器-已经具有包含PID自整定和多变量自整定等各种先进控制。

   ·可靠性-采用表面安装技术（SMT）,尺寸小,系统结构简单;电子组件采用全密闭结构,增强了硬件抗环镜腐蚀和防静电破坏的能力,由于用户的碳黑粉尘具有导电性，所以本系统卡件的全密封结构特别适用于用户的防尘要求；控制容错技术；通讯冗余技术和矩阵供电方式，保证了系统运行的可靠性。并符合当今任何国家的环保要求。

   ·功耗-系统功耗极低，大大降低能源的投资，系统功耗只是常规系统的1/3。

   ·备件-备件种类大大减少，无需特殊储存。

   ·维护-各种处理机和I/O卡都有自诊断程序，发现故障将进行报警打印，CRT报警显示，组件红灯显示，方便维护人员及早发现，快速更换，无需人工判断。

   ·接地-系统要求独立接地，接地电阻要求?5W。

   ·系统扩充-系统可大、可小、易扩充、并可与二百多种系统和设备相连。对以后系统的修改或扩充投入少、使用方便。

    例如系统可以把原有的或以后扩充的ABB、MODICON、AB、西门子等PLC系统直接连接到I/A 控制系统上，数据可以互相实时通信。I/A控制系统可以直接操作ABB、MODICON、AB、西门子等PLC 系统，ABB、MODICON、AB、西门子等PLC系统的数据可以在I/A控制系统的流程图、趋势图、控制面板、报警面板上显示，可以报表、报警打印。ABB、MODICON、AB、西门子等PLC 系统的数据还可以通过I/A系统与工厂管理网双向传送。工厂管理人员、技术人员通过工厂管理网的流程图、趋势图、控制面板、报警面板随时了解工厂生产状况，指导工厂生产。

   ·编程软件-I/A系统可以使用C、VB等各种语言进行编程开发。

1.2  I/A Series系统的特点

    系统的构成包括过程控制站，过程操作站，和工程师工作站/应用计算处理站、信息管理站和通讯系统。

（1） 过程控制站

I/A Series的过程控制站称为控制处理机（Control Processer），简称CP。

CP本身是一个多处理机系统，包括：

    网络通讯处理机

    I/O总线通讯处理机

    控制处理机

    控制处理机使用通电自检、运行期间和监视时钟检查、离线诊断三种类型的诊断测试程序来检测和/或隔离故障。考虑到过程可靠性的要求，本系统配备的CP40B。

    控制处理机通过现场总线来连接各种现场总线组件（FBM）即I/O卡件。

现场总线连接CP和FBM.提供高速容错的通讯，通讯速率为268.75 KBPS，通讯协议IEEE1118，采用屏蔽双绞线，最长距离为1800米。

   模拟量现场总线组件（FBM）都是单通道隔离，一对一的A/D转换。每个通道采用电气隔离和光电隔离技术，I/O电路采用过流保护技术，无需使用保险丝，提高了系统的运行可靠性。由于可靠而且长距离的现场总线的采用，使用户可以将I/O机柜摆放到现场，两根屏蔽双绞线就可以代替几百上千路同样距离的，昂贵的现场导线，比如温度补偿导线等。I/A Series还具有在对过程毫无影响的情况下进行在线增加或减少FBM卡件的能力。

（2） 工程师站与操作站

 

    工程师站与操作站操作站选用SUN公司的64位工作站。它支持工业标准通讯协议，例如TCP/IP和DECNET等，可以非常方便的和工厂信息网连接。

 

   I/A使用了SPARC技术。X-Window System 作为操作平台，在网络上，凡是任何运行WINDOWS的计算机，其应用程序都可以从这一台计算机去访问或者到另一台计算机上去远程运行，从而合理的利用网络上的各种资源。X-WINDOWS系统，从一开始就是为网络而设计的，每个系统都一贯支持工业标准Ethernet。为了实现与大、小型机和网络的连接，还支持如TCP/IP、OSI 和DECNET等多种协议。在50系列上，也可以与INTERNET直接相连。

 

工作站特性：

 

    CPU 处理机为 SUN 公司 64 位 UltraSPARC RISC, CPU频率400MHz

 

    内存为 128MB

 

   一个  1.44MB 软驱

 

    一个 8.4 GB 硬盘

 

    一个 10/100Mbs SCSI以太网卡

 

    一个  24X 644MB CDROM

 

    一台 21" 彩色 CRT, 分辨率为1280 x1024 , 直角平面

 

    一个鼠标

 

    一个工程师键盘

 

    输入电压 220Vac, 热耗 120W

 

    在一台AW50上，可以装入从40台控制处理机来的信息，也可以装入96000个位号，流程图和报表的数量仅仅受硬盘容量的限制（现在为20GB，每幅流程图的大小平均为0.06MB左右，而每个报表的大小平均为0.05MB左右）。

 

（3） 通讯系统

 

    通讯系统为1：1冗余的高速节点总线，为I/A Series系统中的各个站（应用处理站，控制处理机，操作站处理机等）之间，提供高速，冗余点到点的通讯，具有优异的性能和安全性。

 

在最繁忙的情况下，系统估算负载都不超过可用资源的40％。

 

（4） 过程I/O接口

 

    所有的接口硬件包括接线端子、连接电缆、输入输出卡件等及相关设备都安装在主机房的机柜中，机柜的标准符合NEMA12标准。

 

（5） 过程I/O卡件

 

    过程 I/O 卡全部为光电隔离和变压器隔离型， 采用过流保护电路，无保险丝，保证系统的可靠运行。可执行PLC、和编程控制、事故追忆等控制，扫描周期为1ms。I/A Series 系统现场总组件（FBM）的特性如下:

 

1.2.3控制器和检测器的配置

 

  系统配置3个控制处理机（CP40B）

 

功能说明如下:

 

与主要设计成处理连续量,反馈类型的控制回路的DCS不同，I/ASERIES设计成用来满足全部测量和控制需求。本系统提供的综合控制软件包用于处理连续控制,顺序量和梯形逻辑控制.使用久经考验的各种控制功能块算法，包括为了帮助用户使最难对付的回路处于控制之下,I/ASERIES系统使用了专利的基于专家系统的EXACTPID参数自整定和多变量EXACT－MVPID参数自整定等先进控制算法.过程工程师可按各类控制方案对这些功能块进行组态。控制软件还包括马达控制模块、顺序控制模块和PLB模块，可以方便地完成对马达等各种控制要求，控制处理机与FBM还可按MODICON的梯形逻辑图控制组态方式进行各种控制组态。（上述控制软件免费提供于综合控制软件包）。

 

控制处理机使用通电自检、运行期间和监视时钟检查、离线诊断三种类型的诊断测试程序来检测和/或隔离故障。控制处理机之间及与工程师站、操作员站之间通过冗余的节点总线（NODEBUS，10MB的以太网）来连接。控制处理机通过冗余的现场总线（FIELDBUS,标准IEEE1118）来连接各种现场总线组件（FBM）即I/O卡件。

 

     CP40控制处理机使用32位字长AMD DX4 CPU，4MB内存，时钟频率为133MHz。执行周期从0.1秒到60分钟可调。奇偶校验为对每一个字节提供单比特错误检测。CP40B每秒可以处理2000个模块。

 

1.2.3控制器和检测器的配置

 

  系统配置3个控制处理机（CP40B）

 

功能说明如下:

 

与主要设计成处理连续量,反馈类型的控制回路的DCS不同，I/ASERIES设计成用来满足全部测量和控制需求。本系统提供的综合控制软件包用于处理连续控制,顺序量和梯形逻辑控制.使用久经考验的各种控制功能块算法，包括为了帮助用户使最难对付的回路处于控制之下,I/ASERIES系统使用了专利的基于专家系统的EXACTPID参数自整定和多变量EXACT－MVPID参数自整定等先进控制算法.过程工程师可按各类控制方案对这些功能块进行组态。控制软件还包括马达控制模块、顺序控制模块和PLB模块，可以方便地完成对马达等各种控制要求，控制处理机与FBM还可按MODICON的梯形逻辑图控制组态方式进行各种控制组态。（上述控制软件免费提供于综合控制软件包）。

 

控制处理机使用通电自检、运行期间和监视时钟检查、离线诊断三种类型的诊断测试程序来检测和/或隔离故障。控制处理机之间及与工程师站、操作员站之间通过冗余的节点总线（NODEBUS，10MB的以太网）来连接。控制处理机通过冗余的现场总线（FIELDBUS,标准IEEE1118）来连接各种现场总线组件（FBM）即I/O卡件。

     CP40控制处理机使用32位字长AMD DX4 CPU，4MB内存，时钟频率为133MHz。执行周期从0.1秒到60分钟可调。奇偶校验为对每一个字节提供单比特错误检测。CP40B每秒可以处理2000个模块。