现场控制站的结构和设备

1、第三章现场控制站的结构和设备 本章介绍现场控制站的硬件结构。将现场来的信号转换成使CPU能读取的数字信号的单元称为输入/输出模件（I/0模件）。I/0模件信号借助节点接口单元(NIU)送至现场控制单元(FCS)，现场控制单元中有一个CPU来进行生产过程控制。本章将确认每种功能，并理解其结构。目 录3.1 关键词条13.2 硬件2安装方式2硬件组态43.3 信号流图63.4 现场控制单元（FCU）73.5 节点接口单元（NIU）83.6 I/O模件93.7 冗余度和可靠性11的冗余度和可靠性11处理器卡的双重化冗余及其高可靠性123.8 FCS的结构133.1 关键词条下列各条为本章中将研究的内

2、容.（1）现场控制单元3.2（2）节点3.2（3）FCU的信号流图3.4（4）输入/输出模件3.6（5）冗余度和可靠性3.7 3.2 硬件有8种形式的硬件可供选择，可从下列各项中选出最佳组合：功能 : 标准的或扩展的组态 : 单机或双重化冗余安装体: 机柜或19机架 安装方式1台FCU和多个节点安装在专用的机柜内，也可安装在通用的19机架上。它们可自由地分开或组合，安装在机柜和机架上。例如：FCU和一些节点安装在机柜内，同时另一些节点安装在地仪表盘上的机架中。（1） 机柜形FCSl 机柜形FCS正面：1台FCU和3个节点(1个节点最多可容纳4个I/O模件插槽)。背面：3个节点（1个节点最多可容

3、纳5个I/O模件插槽）。l 用于安装节点机柜正面和背面总共可安装6个节点（每个节点中最多可安装5个I/O模件插槽）。（2） 19架装FCS组成：FCU安装用机架。 节点安装用机架，每个机架中可安装2个插槽。 I/O扩展形机架，每个可安装3个模件插槽。结构：19机架。安装：仪表盘上；通用机柜中；本地表盘上。l 现场控制单元（FCS）在机架上的安装。图3.2FCS在机架上的安装 硬件组态FCS由一个现场控制单元（FCU），最多可由8个节点组成，由远程输入/输出总线（RIO总线）连接起来，如图3.3所示。l 现场控制单元（FCU） FCU为一个微处理器组件，完成FCS的控制和计算。l 节点（远程I/

4、O单元） 节点为一种信号处理装置，它将现场来的I/O信号经变换后送给FCU，远程输入/输出总线将FCU和节点连接起来。一个节点由一个与现场信号连接的“I/O单元”和一个与FCU通讯的“节点接口单元”（NIU）组成。图3.3FCS的硬件组态l RIO总线远程总线（RIO总线）可组成双重化冗余结构，它为连接FCU和各个节点的通讯母线。双绞线电缆及功率放大器用于短距离传送，中继器和光纤通讯放大器用于长距离传送。远程总线允许在不悬挂FCU控制和中断与其他节点的数据通讯的条件下增加节点或改变节点。表3.1 RIO总线的技术规格项 目规 格传送媒体双绞线电缆或光缆（可以混用）传送方式总线型,多段信息传送冗

5、余方式单线或双重化冗余传送距离0.75KM或20KM可连节点数8个通讯速度2Mbps3.3 信号流图图3.4说明从接收现场信号到向现场输出信号的信号流图。 现场 图3.4FCS信号流图（举例）3.4 现场控制单元（FCU）现场控制单元由三种卡件（处理器卡，节点通讯卡和电源卡）、一个V 网通讯偶合器和RIO总线偶合器组成。在双重化组态的FCU中，每一种卡均成对安装。图4.20为FCU的结构。图3.5 双重化FCU的结构表3.2 FCU的硬件规格 FCU功能类型组成卡件标准型扩展型说 明处理器卡CPURISI处理器主存贮容量8MB16MB带ECC（注1）V net接口 单通道或双重化冗余节点通讯卡

6、RIO总线数1冗余方式单片或双重化冗余I/O点数1280模拟信号或4096结点信号见FCS应用容量（注1）ECC：纠错码（Error Correcting Code）3.5 节点接口单元（NIU）（a） 节点接口单元（NIU）NIU是节点的一部分，它经RIO总线与FCU通讯，这个单元由通讯卡和电源组成，可以制成双重化冗余结构。1个NIU最多可接5个各种类型的I/O单元。 图3.6节点在机柜中的安装（双重化节点）(b)I/O单元I/O单元由输入/输出过程信号的I/O模件及安装这些模件的卡盒组成。 有5种类型的卡盒可供选用：l 模拟I/O模件卡盒l 高速扫描用模拟I/O模件卡盒如果模拟I/O模件卡

7、盒作高速扫描用，这时只能增加1个其他类型的卡盒。即在该节点中，I/O单元的最大数量限定为2。在高速通讯卡槽中的I/O模件为标准技术规格产品。l 继电器I/O模件卡盒l 端子形接点I/O模件和通讯模件用卡盒l 连接器形接点I/O模件卡盒 3.6 I/O模件输入模件将过程模拟输入信号转换成为数字数据以使FCS能够处理它。输出模件转换FCS的数字数据为模拟信号和接点信号，产生输出数据。表3.3列出了 I/O模件的种类，图3.7为I/O模件和模件卡盒配合示图.表3.3 I/O模件信号类型模 件每个模件的I/O点数现场信号隔离信号连接方式卡盒中安装最大单元数模拟I/O电流/电压输入（4-20mV,0-1

8、0V,2线制变送器）1隔 离端 子 型16小电信号（mV,热电偶，RTD，电位输入）116电流/电压输出(4-20mV,0-10V)116脉冲输入脉冲输（0-10KHZ，2线或3线制脉冲输入）1隔 离端 子 型16多路卡电压多路输入卡件16隔 离(输入信号间必须隔离)端 子 型2MV多点输入卡件162热电偶信号多点输入卡件162RTD多点输入卡件161两线制变送器多路输入卡161电流多点输出卡件161数字输入/输出接点输入（一般用，晶体管开关输入，30V，100mA）16隔 离端 子 型2插接件型432公 用端 子 型2插接件型4接点输出（一般用，晶体管开关输出，30V，100mA）16隔 离

9、端 子 型2插接件型432公 用端 子 型2插接件型4电压输入(电源功率220V AC的输入)16隔 离端 子型2插接件型4继电器输入（注1）16公 用端 子 型1继电器输出（接点输出）16隔 离1通讯RS232-CRS422RS485LCS(用于YS100和YS80的通讯)1通道插接件形2每台FCS最多6个8通道注1：接点信号源电压为24V DC，这适于保护普通接点，并在最坏的大气条件能读接点状态。注2：24VDC 电压加至信号源以保护普通接点。图3.7 I/O模件及卡盒3.7 冗余度和可靠性 FCS的冗余度和可靠性图3.8为FCS的冗余组成结构，图上V net通讯偶合器和内部总线间共享部件

10、均是双重化冗余结构。图3.8FCS双重化冗余结构 FCS处理器卡的双重化冗余及其高可靠性CENTUM CS系统中, 每个FCU处理器卡采用了成对互备互校系统，真正实现了FCU处理器卡的双重化冗余。这种系统是世界上任何DCS所没有采用的。正如下面将要介绍的，这种方法给出了常规双重化冗余系统没能解决的若干问题的解决办法。l 如果由于电气干扰或自然辐射而发生短暂运算，校正器通过校对卡上两CPU的计算结果检测到这种错误，并随时地进行备用切换。l 后备处理器卡不停的进行控制运算，并保持与控制侧处理器卡同步，这样做到了控制卡中数据向备用卡的无扰动切换。两个处理器卡分别装在左右侧，任一侧都可作为控制卡，另一个为备用卡。下面一段文字将说明处理器如何检测和校正运算错误，如何传递控制权。（1） 每个处理器卡有两个CPU，它们执行同样的控制运算，校正器在每个运算周期校核两个CPU的运算结果，当两CPU的结果一致时，便认为运算正确，数据将送给主存贮单元或总线接口卡。主存贮单元配有错误校正码（ECC码），它能校正偶发性的位反相差错,以阻止贮存器产生严重差错。（2） 如果两个CPU的计算结果不一致，控制运算将认为是错误的，控制权将交给备用处理器卡。（3） 由于备用处理器卡同步地执行着与控制处理器卡同样的控制运算，所以,它在接到控制权后能立即将控制运算数据