1、TE 33G1B10-94S3-0第三章第三章现场控制站的结构和设备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。目目录录3.1 关键词条.13.2 硬件.23.2.1安装方式.23.2.2硬件组态.53.3 信号流图.73.4 现场控制单元（FCU）.83.5 节点接口单元（NIU）.93.6 I/O 模件. 103.7 冗余度和可靠性.123
2、.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其高可靠性.133.8 FCS 的结构. 143.现场控制站的结构和设备现场控制站的结构和设备TE 33G1B10-94S3-13.13.1 关键词条关键词条下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.现场控制站的结构和设备现场控制站的结构和设备TE 33G1B10-94S3-23.23.2 硬件硬件有 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
3、装体: 机柜或 19机架3.2.13.2.1 安装方式安装方式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 1） 机柜形机柜形 FCSFCS 机柜形机柜形 FCSFCS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） 。3.现场控
4、制站的结构和设备现场控制站的结构和设备TE 33G1B10-94S3-3（2 2） 1919架装架装 FCSFCS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。3.现场控制站的结构和设备现场控制站的结构和设备TE 33G1B10-94S3-4现场控制单元（FCS）在机架上的安装。图图 3.23.2FCSFCS 在机架上的安装在机架上的安装3.现场控制站的结构和设备现场控制站的结构和设备TE 33G1B10-94S3-53.2.23.2.2 硬件组态硬件组态FCS 由
5、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。 现场控制单元（现场控制单元（FCUFCU）FCU 为一个微处理器组件，完成 FCS 的控制和计算。 节点（远程节点（远程 I/OI/O 单元）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。图图 3.33.3FCSFCS 的硬件组态的硬件组态3.现场控制站的结构和设备现场控制站的结构和设备TE 3
6、3G1B10-94S3-6RIORIO 总线总线远程总线（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。表表 3.13.1RIORIO 总线的技术规格总线的技术规格项项目目规规格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.现场控制站的结构和设备现场控制站的结构和设备TE 33G1B10-
7、94S3-73.33.3 信号流图信号流图图 3.4 说明从接收现场信号到向现场输出信号的信号流图。现场图图 3.43.4FCSFCS 信号流图（举例）信号流图（举例）过程输入现场输入15v DCA/D15v DC数据转换数据转换数据转换数据转换数字数据数字数据D/A隔离器工程单位 数 据工程单位 数 据4-20mA DC4-20mA DC数字I/O模件结点 输入现场现场控制运算顺序控制模 拟 I/O模件3.现场控制站的结构和设备现场控制站的结构和设备TE 33G1B10-94S3-83.43.4 现场控制单元（现场控制单元（FCUFCU）现场控制单元由三种卡件（处理器卡，节点通讯卡和电源卡）
8、 、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。图图 3.53.5双重化双重化 FCUFCU 的结构的结构表表 3.23.2FCUFCU 的硬件规格的硬件规格FCUFCU 功能类型功能类型组成卡件组成卡件标准型标准型扩展型扩展型说说明明处理器卡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（ErrorCorrec
9、ting Code）3.现场控制站的结构和设备现场控制站的结构和设备TE 33G1B10-94S3-93.53.5 节点接口单元（节点接口单元（NIUNIU）（a a）节点接口单元节点接口单元（NIUNIU）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。图图 3.63.6节点在机柜中的安装（双重化节点）节点在机柜中的安装（双重化节点）(b)I/O(b)I/O 单元单元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
10、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.现场控制站的结构和设备现场控制站的结构和设备TE 33G1B10-94S3-103.63.6 I/OI/O 模件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
11、 模件的种类，图3.7 为 I/O 模件和模件卡盒配合示图.表表 3.33.3I/OI/O 模件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,0-10V,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
12、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 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
13、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。3.现场控制站的结构和设备现场控制站的结构和设备TE 33G1B10-94S3-11图图 3.73.7I/OI/O 模件及卡盒模件及卡盒3.现场控制站的结构和设备现场控制站的结构和设备TE 33G1B10-94S3-123.73.7 冗余度和可靠性冗余度和可靠性3.7.13.7.1 FCSFCS 的冗余度和可靠性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均是双重化冗余结构。图图 3.83.8FCSFCS 双重化冗余结构双重化冗余结构3.
14、现场控制站的结构和设备现场控制站的结构和设备TE 33G1B10-94S3-133.7.23.7.2FCSFCS 处理器卡的双重化冗余及其高可靠性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
15、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.现场控制站的结构和设备现场控制站的结构和设备TE 33G1B10-94S3-143.83.8 FCSFCS 的结构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.图图 3.93.9FCSFCS 的结构的结构
