IA Series 自动化开放工业控制系统系统版.docx
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IASeries自动化开放工业控制系统系统版
目录
1概述1
1.1开放型工业控制系统1
1.2I/ASeries特点1
2I/ASeries网络4
2.1Mesh控制网络4
2.2输入输出模块与Mesh控制网络的连接4
2.3信息管理网络连接7
3I/ASeries硬件8
3.1控制网络结构8
3.2应用操作站处理机AW8
3.3操作站处理机WP11
3.4控制处理机CP13
3.5现场总线组件FBM15
3.6Modbus通讯接口组件16
3.7FF现场总线接口组件17
3.8PROFIBUS-DP通讯接口组件18
3.9HART通讯接口组件19
4I/ASeries软件20
4.1操作系统软件22
4.2综合控制软件22
4.3人机接口软件24
4.4批量工厂管理软件28
4.5组态软件28
4.6过程报警28
4.7历史数据库管理软件29
4.8操作员操作记录功能29
4.9应用开发环境29
4.10操作安全措施30
4.11先进控制软件APC30
附录一现场总线组件一览表31
附录二现场总线组件性能指标32
I/ASeries中国用户名单59
概述
I/ASeries智能自动化系列是英维思过程控制中Foxboro品牌下的开放式过程控制系统,自八十年代诞生以来,I/A系统秉承持续发展的设计理念,不断融入市场上出现的先进技术,使I/ASeries保持了工业控制系统的世界领先地位。
满足不同用户的各种应用要求。
I/ASeries的推出极大地推动了从分布控制系统向开放型信息系统的转化。
1988年底,第一套I/ASeries系统正式在中国工业现场安装并投入使用。
截止到2004底为止,Foxboro公司已经在全世界销售出约10000套I/ASeries系统,广泛地应用于各种工业领域。
在中国,已经有700多个用户的1000多套装置选择了I/ASeries系统。
I/ASeries系列经过多年的实际运行考验,发展到第八代版本,被世界公认为最成熟的真正的开放型工业系统之一。
1.1开放型工业控制系统
七十年代以来,随着以计算机为核心的集散控制系统的出现,使自动化仪表向系统化、分散化、多样化和高性能化的方向产生了一个质的飞跃。
世界上各自动化仪表制造商争相推出了各自的分布式控制系统。
分布式控制系统所采用的硬件与软件具有相当的灵活性、通用性及易开发性,系统版本不断更新,发展甚为迅速,竞争十分激烈。
美国Foxboro公司着眼于未来,在1987年推出了世界上第一个体现开放概念的超越一般DCS的新一代工业控制系统——I/ASeries系统。
I/ASeries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/ASeries中来。
这样,随着软硬件技术的不断发展,I/ASeries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/ASeries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。
∙采用与UNIXSVR4完全兼容的Solaris操作系统以及WindowsXP操作系统
∙世界上第一个采用IEEE802标准的工业控制系统,支持IEEE802.3、802.4、RS-485等标准,支持EthernetTCP/IP协议
∙支持OPC协议,采用C和FORTRAN等高级编程语言,便于软件资源的共享
∙支持FF、Profibus、HART等现场总线标准
∙I/ASeries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/WindowsXP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/ASeries中
由于I/ASeries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。
1.2I/ASeries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。
系统开放性
∙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。
∙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Informix、Lotus1-2-3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IEEE802.3、IEEE1118、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。
系统可靠性
∙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/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/ASeries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。
∙信号隔离
FBM信道基本采用单独的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。
∙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。
∙在线维护与修改
所有I/ASeries组件均可无扰动地在线更换,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。
系统先进性
∙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,最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。
∙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。
∙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。
∙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。
∙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。
∙
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。
∙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。
∙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/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。
∙接地
系统要求独立接地,一般场合接地电阻要求<5Ω。
I/ASeries网络
2004年初,新一代I/A系统I/ASeriesV8.0正式发布,它秉承了I/ASeries系统一贯的开放式结绝以及持续发展的设计理念,在支持原有产品的同时又推陈出新。
新系统采用了Mesh控制网络,取代了以前的Nodebus/Fieldbus的网络结构
图2-1I/ASeries系统网络结构示意图
1.3Mesh控制网络
Mesh控制网络(MeshControlNetwork)是InvenssysIPS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:
Ø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
Ø基于IEEE802.3标准上的全双工通讯
Ø可最多连接1920个I/ASeries系统站
Ø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
Ø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
Ø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
Ø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
Ø对所管理的交换机可通过就地接口进行网络管理与配置
Ø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
Ø线性结构
Ø环形结构
Ø星形结构
Ø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(见图2-2)
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。
图2-2线性结构
环形结构(见图2-3)
图2-3环形结构
图2-3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最多只能有7台,这是因为网络使用的RSTP(RapidSpanningTreeProtocol)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(见图2-4)
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,边际交换机的数量最多可达38台。
图2-4星型结构
倒挂树结构(见图2-5)
图2-5倒挂树结构
倒挂树结构最适合于大型系统。
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最多只有四层。
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。
1.4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(见图2-6)。
图2-6典型ZCP270/FCM/FBM连接示意图
1.5信息管理网络连接
I/ASeries系统与信息管理网络(例如Novell,Windows98、NT、2000、XP,NPS)通讯,连接方式:
Ethernet接口——I/ASeries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
2I/ASeries硬件
2.1控制网络结构
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:
Ø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。
Ø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。
Ø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。
2.2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。
应用处理机的基本功能:
Ø作为应用处理机(计算机)站,完成了大量的计算和管理。
Ø作为文件服务器站,处理来自文件服务器站本身或其他站的文件请求。
用于应用处理机的大容量存储设备,包括软盘驱动器、硬盘驱动器、光盘驱动器和磁带驱动器。
应用处理机和其他系统站(例如WP和CP)协调工作,提供了数据输入/输出和操作员接口的主要手段。
一个较小的I/ASeries系列可以使用单个应用处理机,而一个较大的系统可以由几个应用处理机组成,每个应用处理机可组态实现专门的功能。
某些功能可以由各个应用处理机分别完成,而其它的功能可以由同一个网络中的二个或多个应用处理机共同来完成。
应用处理机功能
Ø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。
Ø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。
Ø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。
Ø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)。
Ø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。
Ø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。
Ø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:
∙数据库管理系统
∙历史数据库管理软件
∙数据验证软件
∙电子表格
∙过程优化软件
∙物理性能库
∙数学库
∙工厂生产模型
∙批量工厂管理程序
生产控制软件的运行和性能是由应用处理机组态来决定的。
Ø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。
Ø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。
Ø
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。
Ø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。
Ø诊断
应用处理机采用三种诊断方式以检测和/或查出故障。
∙通电自检
∙运行时间和监视时钟检查
∙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。
应用操作站处理机AW
应用操作站处理机目前主要有两个系列产品:
AW70(WindowsXP操作系统)与AW51F(Unix操作系统)。
应用操作站处理机具有很高的性能和大容量存储设备的能力。
对每种型号的应用处理机,其应用范围从小型功能组(例如内存映像存储、报警事件和历史数据)到大规模应用(例如数据库管理和程序开发)。
(1)主要功能
AW执行与显示、生产控制、用户应用程序、诊断和组态等有关的应用功能。
AW具有开发和执行需要扩展的数据处理和文件服务能力的应用功能(Foxboro和第三方)。
AW处理本身或来自其它站的任务所需的大容量存储文件申请。
AW与一个或多个存储设备(例如:
硬盘驱动器)一起使用,用于对其它站进行下载。
执行生产控制任务,例如电子表格和性能计算。
提供支持功能,如操作员HELP和电子文件。
另外还提供应用开发环境,例如编译软件、连接软件和文本编辑软件。
AW同时运行历史数据库管理软件和报表软件等应用软件。
AW设计有SCSI与USB接口,提供了工业标准总线支持具有SCSI/USB兼容控制器的外部设备(例如:
大容量硬盘、读/写光盘等)。
相连的硬盘可组态成矩阵形式,以达到最大的系统安全性和数据的可用性。
(2)主要性能指标
AW70:
●采用DELLPC工作站,处理机芯片为Pentium4处理机,
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