关键词：I/A系统 DCS 锅炉
山西天脊煤化集团公司的锅炉系统是全厂的动力供应系统，设备是从德国进口的。锅炉的工艺系统包括：除氧给水系统、蒸汽及减温水系统、送风系统、制粉系统、除烟系统及燃油系统。该设备原采用Foxboro的第一代集散控制系统Spectrum进行控制，在2001年改为采用Foxboro的I/A Series 51D系列的DCS系统。
一 锅炉DCS系统的两层网络系统的组成
锅炉DCS系统的配置如图1所示。
上层为节点总线(Nodebus)，其通信协议符合IEEE 802.3(Ethernet)的带冲突检测的载波监听多路碰撞(CSMA/CD)协议，采用总线结构、同轴电缆，传输速率10Mb/s。在这一层上挂有1台工程师站(AW51D)、4台操作员站(WP51D)、1台通信处理机(COMMP10)以及3对冗余控制器(CP40BFT)。这3对控制器分别用于A炉、B炉及公用设备部分的控制。
底层是在控制器(CP40BFT)下，通过现场总线挂接现场总线隔离模块(FBI)，每块FBI下面可通过现场总线接入24块输入/输出现场总线组件(FBM)。现场总线采用的协议为IEEE1118，为总线结构形式，信号传送方式是载波监听多路碰撞协议。如果采用双绞线和FBI模块，传输距离为1200m，最大距离可达1800m，数据传输速率268.75kb/s。
二 锅炉DCS系统的硬件
1.AW51D
AW51D具有应用处理机和操作员站处理机的双重功能。它既可作为一个应用处理机承担网络上的服务器功能，同时又可作为一个人机接口。
2.WP51D
WP51D操作站处理机和与它连接的外部设备一起为用户和所有系统功能之间提供一个界面，即作为系统站和操作员之间的接口。
3.控制处理机CP
控制处理机和与它相连的现场总线组件(FBM)一起，按组态好的控制方案对锅炉操作过程进行控制。它可实现连续控制、梯型逻辑控制和顺序控制，以及完成数据采集、检测、报警和传送信息的功能。
4.通信处理机COMMP10
COMMP10提供了使I/A Series的其他站点与VT100终端、打印机以及调制解调器进行通信的功能。它有4个RS-423(与RS-232-C完全兼容)串行接口，其异步传输速率为9.6kb/s，可连接80/132打印机(可选中文打印机)、彩色喷墨打印机、VT100字符终端、调制解调器以及PC机等。
5.过程I/O接口组件FBM
所有的接口硬件，包括接线端子、连接电缆、输入输出卡件以及其他相关设备都安装在主机房的机柜中，机柜符合NEMA12标准。
过程输入/输出卡件提供了现场信号与控制器之间的接口，过程 I/O 卡全部为隔离型，采用过流保护电路，无保险丝，保证了系统的可靠运行。
接口组件FBM有下列几种：
(1)FBM01(4~20mA输入组件)
接收信号: 具有8路0~20mA DC模拟量输入通道，每路通道可接受1个二线制模拟量传感器输入。
(2)FBM02(热电偶/mV输入接口组件)
接收信号: 8 路隔离的热电偶输入通道，以及1路隔离的热电阻(RTD)参考温度补偿通道(作为冷端温度传感器)。每路(热电偶/mV)通道具有断偶全量程指示特性，接收用于各种温度范围的标准热电偶信号。该组件完成热电偶的电气输入信号与冗余的现场总线之间接口的信号转换。
(3)FBM03(热电阻Pt100，0~320Ω)
接收信号: 8路RTD输入通道，每一个通道可接收在0~320Ω范围内二线和四线RTD信号，或三线RTD传感器输入。同一组件内，三线RTD不能与二线或四线RTD混用。
(4)FBM04(4~20mA输入/输出组件)
接收信号：此I/O接口具有4路0~ 20mA DC模拟量输入和4路0~20mA DC模拟量输出通道。每路输出通道可驱动1个外部负载和产生0~20mA 的输出信号。该组件完成现场传感器/现场执行器的电气输入/输出信号与冗余的现场总线之间接口所需的信号转换。
(5)FBM05(冗余的4~20mA输入/输出组件)
有冗余的4路0~20mA DC模拟量输入和4路0~20mA DC模拟量输出通道，由冗余的FBM04卡件组成。
(6)FBM06(脉冲输入及4个0~ 20mA输出接口组件)
该脉冲输入及0~20mA输出接口组件具有4个可组态的脉冲输入和4个0~20mA DC模拟量输出通道。每个输入通道可接收最高速率为12.5kHz的脉冲输入。这些输入设备包括：旋涡流量计、涡轮流量计、固态或机电触点以及其他具有类似脉冲输出的传感器。
(7)FBM07 (触点/DC输入接口组件)、FBM12(触点/DC扩展输入D组件)
触点/DC输入接口组件FBM07和触点/DC扩展输入接口组件FBM12，可分别作为16路通道触点传感器或16路通道DC电压监视器的接口。滤波时间可组态选项(4、8、16或32ms)。
(8)FBM41、FBM42
大功率触点/DC输入/输出接口组件FBM41和触点/DC扩展输入/输出接口组件FBM42，在各自输出通道上具有提供大电流的能力，并以每个通道为基础进行电气隔离。
6.输入信号
8路通道，滤波时间(4、8、16或32ms)可组态。 触点传感器开路电压24V DC(±20%)，短路电流5mA(最大值)，ON状态内阻1kΩ(最大值)，OFF状态内阻100kΩ(最小值)。电压监视器ON状态电压15~60V DC，OFF状态电压0~ 5V DC，ON状态电流2~6mA。信号源内阻限制：ON状态电压20V DC时，1kΩ(最大值)；OFF状态电压60V dc时，100kΩ(最小值)。
7.输出信号
8路通道，施加电压60V DC(最大值)。负载电流：稳态时，每一通道2.25A DC(最大值)，每个组件12A DC(最大值)，浪涌时，每一通道10A DC(最大值)，最大持续时间20ms。负载短路持续时间不定(过载时额定切换开关1s内关闭)。电感性负载，在负载上需跨接保护二级管，二级管必须有耐最大可能的负载电流的能力，并耐压大于1.3倍的供电电压。
8.电气特性
各类输入输出卡件的电气特性为每路通道独立电气隔离，对模拟量输入/输出信号采用变压器耦合与光电隔离，且每路A/D和D/A转换独立。
所有进出系统的输入输出信号能达到ANSI 37.90抗冲击测试的要求。
9.现场仪表的直流供电
系统可以对所有的现场变送器供电，电压在24~42V之间可调并稳压。因为是通过FBM的端子向现场变送器供电，所以不需要额外增加任何的电源。
FBM卡件的带负载能力特别强，通道的输入阻抗只有50Ω，在实际应用中，可以拖带超过1100Ω的负载。在扣除变送器负载和安全栅负载以及导线电阴后，还有很大富余，增强了信号抗干扰的能力。
三 锅炉DCS系统中使用的Foxboro I/A控制组态模块
Foxboro I/A系统控制软件是在控制处理机CP中进行组态和运行控制的，其中包括如下诸多模块。
(1)ACCUM积算模块：用于计算模拟型输入信号(流量或脉冲数)的累计值，可以串接起来使用。其中MTRFAC是输入信号要转换成输出累计值时所需乘上的一个“倍率因子”，使得输入信号的单位与输出的积算值单位匹配。参数PCNTOP被组态为1时，模块作为一个计数器，可积算输入脉冲信号的脉冲数。
(2)AIN模拟信号输入模块：用于处理FBM的输入信号，同时提供对输入信号修正、滤波，输出保持上次正常值，标度输出到所要求的工程单位，输入通道故障报警，超量程及高/低绝对值报警等功能。
(3)AINR冗余的模拟信号输入模块：用于处理来自冗余的模拟量输入类型的现场总线I/O组件FBM的输入信号，其他功能与AIN模块相同。
(4)AOUT模拟信号输出模块：用于将一个单点模拟输出信号送往模拟量输出类型的现场总线I/O组件的某个通道，同时提供带偏置的手/自动操作功能，输出信号限制以及输出通道故障报警。
(5)AOUTR冗余的模拟信号输出模块。
(6)CIN开关信号输入模块：对来自数字型FBM、FBC的一个单点的开关接点信号提供送往CP控制器的一个接口，同时提供输入反相、输入接点状态报警和输入通道故障报警信号。
(7)COUT开关信号输出模块：为其他模块输出的开关/逻辑信号送往数字型FBM组件提供一个接口，输出可以是静态的开/关式或脉冲式信号，用户可以定义脉冲宽度。
(8)PID控制模块：执行传统的PID调节功能，可组态成纯比例、纯积分、比例加微分、比例加积分和比例加积分加微分5种工作方式。具有手/自动控制、手/自动锁定、本地/远方控制及锁定、外部积分反馈、防止闭环运行时积分饱和、模块的无扰动切换至自动、输出偏置、输出嵌位、设定值跟踪、自动进行串接处理等功能。
(9)PIDA带附加功能的PID模块：本模块在常规的PID模块功能上，可以附加FBTUNE或FFTUNE模块功能，执行反馈自整定或前馈自整定控制。
(10)PIDE带自整定功能的PID控制模块：本模块在常规的PID模块功能上增加了P、I、D 3个参数的自整定功能，模块可以处于手工整定、预整定和自整定3种不同的工作方式。
(11)PIDX带扩展功能的PID控制模块：本模块在常规的PID模块功能上增加了非线性增益补偿、采样工作方式、批量控制以及输出跟踪的功能。
(12)CALC计算模块：提供50步顺序执行的算术和逻辑运算，采用类似于汇编的指令来编写应用程序，当50步语句不够时，可串接CASLC模块。
每个计算块提供：
(a)8个实型输入；16个布尔型输入；2个整型输入；2个长整型输入；4个实型输出；8个布尔型输出；6个整型输出；2个长整型输出；M01~M24；24个中间存储器。
(b)算术运算包括：ADD加、SUB减、MUL乘、DIV除、SQRT开方、SQR平方、AVG平均、ABS绝对值、MAX最大、MIN最小、LOG对数、ALOG反对数、LN对数、ALN反对数、EXP指数、SIN正弦、COS余弦、TAN正切、ASIN反正弦、ACOS反余弦、ATAN反正切、IDIV整除、IMOD模除、RAND随机数、MEDN中选、POP出栈、CHS改变正负号、RND取整、四舍五入法、TRC取整、截尾法。
(c)布尔运算包括：AND与、OR或、NOT非(~)、NAND与非、NOR或非、XOR异或、NXOR非异或。
(d)编程语句为：IN输入、OUT输出、CST清堆栈、END程序结束。
(e)中间存储器操作指令为：STM操作数送存储器、LAC读存储器数据到堆栈、CLM清指定存储器中的数据、CLA清所有存储器中的数据、SET置布尔量为真、CLR置布尔量为假、INC变量加1、DEC变量减1。
(f)其他指令包括：
OSP产生脉冲信号，脉冲宽度为0.5~32767s(大约9.1h)；
DON逻辑延迟开信号，最大延迟时间为32767s(大约9.1h)，缺省延迟时间为0.5s；
DOF逻辑延迟关信号，延迟时间为0.5~32767s(大约9.1h)；
FF为RS触发器、MRS为RS触发器。
Foxboro I/A提供两种逻辑运算的组态实现方法，一是梯型控制逻辑的组态方法，另一种是使用CALC计算模块来编写逻辑运算的执行程序。天脊煤化公司的锅炉系统采用后者。
梯型控制逻辑是在控制机CP中对PLB模块进行组态，并将梯型逻辑图进行编译，然后下载到指定的FBM中。梯型控制逻辑是在FBM中运行的，它是通过CP中的PLB模块同控制器连接从而进行通信的。一个FBM中最多可以组态8个独立的梯形逻辑图，总行数不能大于98行，最多390个元素。多个梯形逻辑在同一FBM之中的运行次序遵循安装的先后次序。
因为梯型控制逻辑是在FBM中运行的，所以采用梯型逻辑图组态方式可以使得响应速度更快，且不占用CP资源，可脱离CP独立运行。而用CALC计算模块来编写的逻辑运算执行程序则是在CP中运行的，占用CP的资源。但CALC计算模块提供一些特殊指令(如FF和MRS的RS触发器指令)，使得逻辑组态易于实现，且组态后更改逻辑控制算法简单方便。
四 小结
Foxboro的I/A 50系列的特点是开放性。它的应用控制软件包是运行在SUN公司Solaris 2.x的UNIX操作系统平台上，并使用商业化的Informix-SQL大型关系型数据库系统，作为I/A Series中的历史数据库应用软件包。
网络通信协议均采用标准的IEEE802.3和IEE1118协议。开发工具使用C、FORTRAN等高级语言编程，开发和扩展应用功能。另外51系列还采用X-Window和Open Look技术，可方便地访问整个I/A Series和所连接的网络上的信息。
Foxdraw软件提供三维空间的显示画面，人机界面更加友好。