IASeries智能自动化

1、1 I/A Series智能自动化系列是Invensys Process System於司Foxboro品牌下的开放 式过程控制系统。自二十世纪八十年代诞生以来，I/A系统秉承持续发展、向下兼 容的设计理念，在稳定开放的系统结构中不断融入市场上出现的先进技术，保持着 在工业控制DCS领域内的领先地位，为不同用户在各种工业生产中的应用要求提 供了可靠的系统平台，并且极大地推动了从分布控制系统向开放型企业控制系统的 转化过程。1987年，全球第一套I/A系统在美国投入运行，迄今仍在现场运行。 1988年底，第一套I/A Series系统正式在中国工业现场安装并投入使用。截止到 2006底为止，In

2、vensys/Foxboro公司已经在全世界销售出一万多套 I/A Series系 统；在中国，也已经有近千用户的1000多套装置使用了 I/A Series系统。多年的 实际运行实践证明,I/A Series系统是市场上性能可靠、技术领先、并且具有丰富 应用功能软件的开放型工业流程控制系统。目前，I/A Series系统的软件版本为8.x。I/A 8.x系统创造性地采用了交换机拓扑式控制网络结构(Mesh Control Network)作为I/A系统的通讯平台。Mesh网络融合了市场上最先进的交换机技术 和全光纤通讯线缆设计，极大地提高了网络通讯的冗余度和抗电磁干扰的能力。Mesh网络可同

3、时容纳1920个控制站(对)和工作站一起工作，可以在全工厂范围 达到控制信息的互传共享而没有网关网桥的限制。在Mesh网络中，交换机与交换机之间均可以达到1Gb/s的通讯速率；所有设备的接入均可为100Mb/s的通讯速率；并且，网络中的通讯可以并发进行，通讯效率得到了极大的提高。另外， Mesh网络布置灵活方便，可以根据用户工厂的地理分布和控制室集中分散原则给 出相应的网络拓扑。I/A 8.x系统中新一代的控制处理机 FCP270为底板安装形式 的全密封设计，可以满足 G3环境及060摄氏度的现场应用。I/A 8.x对第三方的数 据集成采用了相同硬件FDSI不同驱动软件的方式，方便了用户维护及

4、备品？讣墓芾态？I/A 8.x系统可以与I/A旧版本系统方便地连成一体，实现控制信息的共 享。系统中组态工具，例如流程图绘制(FoxDraw/FoxView )、图形控制组态等均 向下兼容，以保护用户以往的工程组态经验和结果。在Invensys推出的企业控制系统(InFusion)中，I/A 8.x分散控制系统(DCS)作为InFusion的信息资源平台 与企业的工厂信息网络(Plant Information Network)集成一体，并与企业资源规划 系统(例如SAP)实现了实时的规程连接，帮助用户简洁有效地实施对企业的优 化管理及最佳效益目标追求。1.1七十年代以来，随着以计算机为核心的

5、集散控制系统的出现，自动化控制技术向系统化、分散化、多样化和高性能化的方向发生 了质的飞跃。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。Invensys/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/A Series系统。I/A Series率先突破了封闭式发展的制约，在系统中广泛地 采用通用国际标准，产品问世之际即符合国际标准化组织ISO提出的开放系统互连OSI参考模型；系统不仅允许将其它制造厂家的

6、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，I/A Series跟随着市场软硬件技术 的进步不断得到发展。随着时间的推移，这种全新的系统设计概念的已成为工业控制系统的发展主流。 Foxboro 公司 I/A Series 系统简介 为达到系统开放的目的，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。？采用Windows XP专业版操作系统以及与UNIX SVR4完全兼容的Solaris操作系统？ 世界上第一个采用 IEEE 802 标准的工业控制系统，支持IEEE 802.3、 802.4 标准，支持Ethernet TCP/I

7、P协议？支持OPC、Modbus等通用通讯协议 ？采用标准C 编程语言，以便于软件资源的共享。与 UNIX/Windows XP 兼容的第三方软件或用 户开发的应用软件，可以不作或稍作修改即可移植应用于 I/A Series 中 ？ 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独立发 展，软件的更新不会逼迫用户升级现有的硬件设备由于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。1.2 I/A Series I/A Series的特点体现在系统的开放

8、性、可靠性以及技术先进性。？硬件I/A Series硬件向下兼容，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 互相独立发展，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 Windows XP 与 UNIXSolaris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

9、和Informix等商用软件；并提供OPC和DDE等接口，以及与SAP等 企业管理系统的接口。 ？ 通讯 建立于 OSI 模型上，符合IEEE 的标准，如 IEEE802.3、 IEEE 1118、 Ethernet。 ？ 一体化 通过标准的以太网接口与工厂信息网络 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1 Foxboro公司I/A Series 系统简介 多重冗余的通信网络、冗余的供电系统、互为备用的操作站、 容错控制处理机，

10、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，无暴露的电子组件增强了硬件抗环 境腐蚀和防静电能力。现场控制处理机和 I/O 组件可以运行在ISA S71.04 定义的G3或IEC 664-1的污染等级2的环境中。组件的工作环境温度可高达 70CO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

11、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 多数 I/O

12、组件通道采用单独的 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。 ? 电源 I/A Series 系统采用分散布置的冗余电源布置，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/A Series 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/A Series 系统中的一个组件的供电。冗余电源供电方式为系统运行提供了可靠的保障。 ? 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

13、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/A Series还可以在线增加FBM卡件，无需系统停车。？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 10000 功能块/秒，最快功能块处理周期为50ms。 ？ 控制软件 集连续量、数字量、顺序控制、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拓扑式结构交换机控制网络，极大地提高了系统的通讯带宽，增强了通讯线路的效率；全光纤通讯设备的选用亦消除了了系统通讯受现场电磁干扰的可能。 2 ？ 目标管

14、理程序（Object Manager） Foxboro公司I/A Series系统简介 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目标信息之间充当接口。 I/A Series 系统采用面向对象的数据集合方式，目标名在系统数据库中保持唯一，目标管理程序保持目标的位置记录。用户可直接通过目标名来访问所需的目标信息，而不必关心目标所在的具体物理位置。 这种并发点对点式征询/响应的数据通讯方式极大提高了通讯效率，降低了通讯的成本开销。更突出的是，在配置大型系统时，不会造成影响系统性能的通讯瓶颈，不会制约系统规模的进一步扩展。 ？ 灵活的离线/在线组态方式 控

15、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最大的方便，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

16、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。它允许维护人员对系统进行远程在线诊断，并快速访问过程和组态显示画面、实时和历史数据资料。 ？ 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系统可与工厂信息系统（MIS）实现实时和历史数据的双向传输，流程画面远程调用；可以和企业的 ERP 系统（如SAP）实时共享控制信息。？先进控制软件APC Connoisseur先进过程控制软件是Fo

17、xboro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/A Serie

18、s系统中，也可安装在上位机上与其它 DCS 系统进行通讯。 3 Foxboro公司I/A Series系统简介 2 I/A Series 2004年初，I/A Series V8.x版本系统正式发布，它秉承了 I/A Series系统一贯的开放式结构以及持 续发展的设计理念，在支持原有I/A产品的同时又推陈出新。新版本系统在 DCS 网络通讯结构中采用了 Mesh控制网络。图2-1 I/A Series系统网络结构示意图2.1 Mesh Mesh 控制网络 Mesh Control Network 是 Invensys Process Systems艮据 近年来网络技术的发展而推出的 DCS控

19、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？绞搅佣 伞 esh控制网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网络的全光纤通讯线缆的布置极大地提高了系统通讯中的抗电磁干扰能力。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的交换机以太网络中。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，为过程系统的监测、控制和工厂

20、信息管理提供了一个规模灵活的控制系统网络平台，它的 高速、多冗余以及点对点的网络通讯性能为控制系统的高性能和安全性提供了可靠 的基础。4 Foxboro公司I/A Series系统简介 每对控制站、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系统具有强大的可伸缩性，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系统站可最多连接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 1Gbp§

21、;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自身站上的冗余Ethernet接口，以便设备对网络错误做出及时的响应应用高速展开树协议RSTP管理冗余路径，防止产生通讯环路，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通讯错误的能力，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 况和工厂需要灵活加以选用和设计。（见图2-2）

22、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5 Foxboro公司I/A Series系统简介 图2-3环形结构 （见图2-3）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，这是因为为了保证网络通讯的快速响应，网络使用的RSTP （Rapid Spanning 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。 （见图2-4）星形结构非常适合于中型和大型系统。

23、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，以此保证单一通讯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。6 Foxboro公司I/A Series系统简介 图2-4星型结构（见图2-5）倒挂树结构最适合于大型系统。该结构中，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 机必须与上一层中的二台交换机相连以保证通讯的冗余性。 7 Foxboro 公司 I/A Series系统简介图2-5倒挂树结构2.2 I

24、/A Series系统与工厂信息管理网络 Plant Information Network 的通讯采用以太网连接方式 I/A Series 系统可通过标准Ethernet接口及各种通讯协议（如 OPC）直接与工厂信息管理网络连接，实现控制 信息的共享。 8 Foxboro公司I/A Series系统简介 3 I/A Series 9 Foxboro公司I/ASeries系统简介3.1 I/A I/A系统中主要的处理机设备如下：工作站及其外设：工作站是实现系统功能的设计、管理和操作平台。它支持控制处理机的工作，是应用 程序的工作平台，是人机对话的界面，并可以实现系统直接与现场设备以及工厂信 息

25、网络的数据连接 网络通讯设备: 主要为各种交换机设备，以各种拓扑结构实现I/A Mesh控制网络控制处理机Contro1 Process。简称CP:可与I/A Series现场总线组件和设备相连，完成生产过程所需的监测和控制功能。 现场总线组件（ Fieldbus Module 简称 FBM ）：各种 I/O 组件 3.2 工作站具有应用处理机与操作站处理机的双重功能。 作为应用处理机计算机站，完成了大量的计算和管理。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 W

26、P 和 CP 协调工作，提供了数据库输入/输出和工程师接口的主要手段。一个较小的 I/A Series 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。 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

27、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。 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关系型数据库管理系统。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。 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

28、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10 Foxboro公司I/A Series系统简介 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。 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。 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