现场控制站的结构和设备

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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/O模件）。I/O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 23.2.1 安装方式 23.2.2 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103.7 冗余度和可靠性 123.7.1 FCS的冗余度和可靠性.123.7.2 FCS处理器卡的双重化冗余及

2、其高可靠性133.8 FCS的结构143.1 关键词条列各条为本章中将研究的内容.(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3.73个节点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3.2.1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FCS机柜形FCS正

3、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个节点最多可容纳5个I/O模件插槽）。 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）。每个节点最寥 可務4个模件毎小节点最鉴 可至5个椁件 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。现场控制单元(FCS)在机架上的安装。3.2.2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（RI

4、0 总线）连接起来，如图3.3所示。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。节点（远程I/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。节点现场控制单元卩HiU 7 ISi节点接单巧 （毎台FCU I 最个刃WA/W出单孑f STHiua.爭汀）3输入/输出节点 19*孔眾笊）RIO总线风输人/输出图 3.3 FCS 的硬件组态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

5、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3.1RIO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3.4 FCS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

6、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。7处理醤卡 节点通讥崔 世虫单示 net餾合器10*机架用、風扃单元图3.5 双重化FCU的结构表3.2 FCU的硬件规格组成卡件FCU功能类型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

7、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： 模拟I/O模件卡盒 高速扫描用模拟I/O模件卡盒如果模拟I/O模件卡盒作高速扫描用，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。 继电器I/O模件卡盒 端子形接点I/O模件和通讯模件用卡盒 连接器形接点I/O模件卡盒3.6 I/

8、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,0T0V, 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,0T0V）116脉冲 输入脉冲输（OTOKHZ, 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1

9、6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 YS

10、80 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。參点组伴缝电黑1/|*小由窣镐九齢i/o（端于形）：jc-D匚卡盒 IE点轴人 1E点輛出 *鸵占辅入 *鸵占辅出o訂DCP昌弓言冒目欖件 1E占辅人 16点辎出殲字I丿口插楼总 1B占辅人 匹点辅出 ?2点辅人 *晚点辅出图3.7 I/O 模件及卡盒逋 IRD 1口口QQ卡盒 K8-232G RS-422 KS-4853.7 冗余度和可靠性3.7.1 FCS的冗余度和可靠性图3.8为FCS的冗余组成

11、结构，图上V net通讯偶合器和内部总线间共享部件均是双重 化冗余结构。3.7.2 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。 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。 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

12、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送给总线接口。（4）检测到运算错误的处理器卡执行一种自诊断功能。当自诊断后没有发现异常时，则认 为运算错误是偶发性的。非正常状态恢复后转为备用状态，备用处理器执行控制运算， 并与控制侧处理器同步。3.8 FCS的结构培训中心使用柜式FCS.模拟I/O模件和数字I/O模件用作输入/输出模件。图3.9为培训中心的FCS结构.冃冃数字辅心締岀、卡倉换型：)0(32点 發心孤麺H辅人號点图3.9 FCS的结构