第1章概论

第一章 InFusion 系统概述

1.I/A Series 智能自动化系列是开放式的 DCS 系统

InFusion 卓越的企业控制系统（ECS）

自七十年代以来，以微机为核心的分布式控制系统（亦称集散控制系统 DCS）将

现代高科技的最新成就，计算机技术、通讯技术、CRT 显示技术和自动控制技术（即

四 C 技术）集为一体，使自动化仪表装置向系统化，分散化，多样化和高性能化的方

向产生了一个质的飞跃。由于分布式控制系统的分散结构的思想替代了计算机集中控制，使得系统的可靠性得以极大的提高；高性能的微机处理能力使系统的功能远远超过了以往任何自动化仪表；高速有效的通讯系统和 CRT 显示技术，为系统资源的共享和集中管理，方便而丰富的人机联系提供了强有力的支持。在这基础上，现代控制理论的实用化成为可能，大大促进了自动控制技术的发展。

早期的 DCS 系统都局限在各个制造商的产品范围内进行发展，它们采用各自的技术规范和标准。如采用自己开发的计算机系统和操作系统，自己的讯号标准等。各个制造商的产品自成体系，其它厂商的产品或软件很难纳入该系统。这是一种封闭式的 DCS 系统，不利于长远的技术发展。系统资源得不到充分的共享，也不便于统一管理和维护。美国福克斯波罗公司着眼于未来，于1987年在世界上第一个推出了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 智能自动化系列。经过十多年的努力，开放的概念已被普遍接受，大多数生产自动化控制设备的厂商开始转向开放式。现在几乎每个厂商都在宣称“开放”，什么样的系统才是真正的开放型工业控制系统呢？

在第一代 DCS 系统推出以后，不同厂商的系统之间的通讯问题就提了出来。为了解决计算机系统的互连，国际标准化组织（ISO）提出了开放系统互连（OSI）参考模型。1980年以美国通用机器公司为首的各制造商和用户一起，共同制定了一个具体解决各制造商生产的计算机、机器人、自动化机器视觉系统等相互通讯的协议。称为制造商自动化协议，简称 MAP。MAP 是按照 OSI 模型制定的。它实质上是装入 OSI 模型框架

中的通讯标准的规范说明书。它规定了可供模型中各通讯层次选用的通讯标准。“开放” 一词的准确含义是指任何两个遵守该模型和有关协议标准的计算机系统均能实现网络

互连其技术的规格是公之于众并可以免费得到的。这不是哪一个厂商能够独享的。在成熟的开放技术中，存在着标准测试以验证是否符合规格说明。这种模式给予了用户灵活的应用和自由的选择，用户可以轻易地从一个厂商改变到另一个厂商。福克斯波罗公司参加了 MAP 协议的制定。并首先在 I/A Series 中全面地采用了 MAP 协议。

I/A Series 率先突破了封闭式发展的制约，广泛地采用国际标准，其产品符合国际

标准化组织（ISO）提出的开放系统互连（OSI）参考模型。这样的系统允许将其它制造厂家的产品纳入自己的系统。也考虑到把将来新开发的设备容纳到 I/A Series 中来。这样随着硬软件技术的发展，I/A Series 必将得到进一步加强。

为了达到开放系统的目的，I/A Series 在硬件、软件和通讯网络的设计上均全面采用国际公认的标准。

?在软件上采用WINDOWS / UNIX 系统平台。

?I/A Series 的应用软件与硬件彼此独立。不会因硬件更新而使现有的软件失效。

?另外与 UNIX 兼容的由第三方开发的软件，可以不作修改或稍作修改即可应用于 I/A Series 中。

?采用 C 和 FORTRAN 等高级编程语言，以便于软件资源的共享。

?I/A Series 是世界上第一个全面采用 IEEE802 标准的工业控制系统。其节点总线一级采用的是 IEEE802.3 标准。在宽带和载波带局域网采用了 IEEE802.4

标准，现场总线采用 IEEE1118 /IEEE802.3标准。

由于 I/A Series 率先采用国际标准的开放系统网络结构，它对其它制造商的标准产品是完全开放的。它是新一代开放工业控制系统的标志，它具有十分广阔的发展前景。

在1992年推出的基于 Sun SPARC 工作站的50系列产品（包括50和51），1996年Foxboro 公司推出了基于 Windows NT 平台的 I/A Series 系统， 1997年推出了 Micro I/A 系统，1999年推出Windows XP操作系统的 I/A Series，2005年I/A 8.0版本使用商业的Mesh网，I/A的开放性达到一个空前的高度。使 I/A Series 继续保持工业控制系统世界领先地位。

Foxboro 公司在致力于 I/A Series 发展的同时，始终如一地保护用户的早期投资。I/A Series 可以与 Foxboro 公司的其他产品 Spec200、MICRO、SPECTROM 等有效地结合在一起，使用户可以化很少的投资就可将原有的控制系统升级成最先进的 I/A Series 控制系统。 Foxboro 这一原则给用户带来的好处无需多言，这只有在技术上的先进性才能做到这一点。

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， Invensys/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。

I/A Series 系统经过20多年的实际运行考验，已被实际公认为最成熟的真正的开放型工业系统。

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0~60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，方便了用户维护及备品备件的管理。

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。

InFusion 企业控制系统（ECS）

在2006年 Invensys 推出全球首款超越了工厂及其它工业运营而实现真正企业级视图的工业系统（InFusion）。新的 InFusion 企业控制系统完美结合了 Invensys 各种业界领先的功能以及微软公司和 SAP 公司的高级企业信息和集成技术，能够显著降低集成成本。借助 InFusion 技术，客户能够以极低集成成本在同一系统中集成大多数现有工厂设备层与企业系统。将 Invensys 的 InFusion 系统与系列全新的高性能服务配套工作时，还能帮助工业企业更高效地协调工厂运营与维护部门的业务开展，以优化整体的资产绩效管理。

InFusion 基于 ArchestrA 平台（ArchestrA 是基于 .NET 及其它 Microsoft 技术的Invensys 全工业化软件平台），集成了 Foxboro 分散控制系统 I/A 8.x 与 Wonderware 的 HMI、工厂智能以及设备综合功能。此外，InFusion 还可以根据需要集成更多的Invensys 产品及第三方功能，其中包括：

?Triconex 三重冗余紧急停车系统。

?Foxboro 远程终端单元（RTU）与智能化SCADA。

?SimSci-Esscor 高级控制、仿真及过程优化。

?Avantis 实时条件监控及企业资产管理。

?Foxboro 智能压力、电平、流程及电化学传输器，阀门定位器以及符合FDT标准的高级诊断工具。

2. 网络结构

InFusion 使用 I/A Series 通讯网络，此网络建立在国际标准化组织（ISO）所定义的开放系统互连（OSI）标准基础上的，并符合 IEEE 的规范，是按照局域概念构造的标准网。

InFusion 采用商用交换机组成 Mesh 网。Mesh 控制网络 (Mesh Control Network) 是Invensys Process Systems 根据近年来网络技术的发展而推出的DCS 控制

图 1-1 I/A Series 系统Mesh网络结构简图

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方式连接而成。Mesh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。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。

2.1 Mesh控制网络特点

z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、星形或倒挂树形等网络技术连接各个I/A Series 系统站

z可最多连接 1920 个 I/A Series 系统站

z支持基于IEEE802.3 标准的全双工运行的快速 Ethernet (100Mbps) 和千兆Ethernet (1Gbps)，为网络内的数据通讯提供了智能的数据路由选择z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

z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

z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

z对所管理的交换机可通过就地接口进行网络管理与配置

z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

2.2 Mesh控制网络的网络拓扑结构

Mesh 控制网络有四种基本的网络拓扑结构，它们是

z线形结构

z环形结构

z星形结构

z树形结构

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。

a. 线形结构（图1-2a）

线形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1-2a 线形结构

b．环形结构（图1-2b）

环形结构适用于三至七个交换机组成的网络。从图1-2b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。

图1-2b 环形结构

c．星形结构（图1-2c）

星形结构非常适合于中型和大型系统。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，如此保证单一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。

图1-2c 星形结构

d．树形结构（图1-2d）

树形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，树形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。

图 1-2d 树形结构

InFusion 网络是基于 Mesh 网络的，并做了相应的优化。

InFusion 网络有如下六种形式，其中前三种网络机构，所有的计算机和服务器都连接到 Mesh 网络，通过 Mesh 网络进行数据交换和通讯。第四种结构，InFusion 网络包含了两种网络结构，Mesh 网络负责计算机与控制处理器的数据交换，TCP/IP 网络负责计算机与 Galaxy 服务器数据交换。后两种网络结构，类似于第四种结构，只是 Galaxy

服务器不连接到 Mesh 网络上，也不安装 I/A Series 软件，只作为数据库使用。

图1-2e InFusion with InFusion View

图1-2f InFusion with Terminal Server

图1-2g InFusion with FoxView/FoxDraw

图1-2h Medium InFusion System

图1-2j Large InFusion System

图1-2k Large InFusion System

3. 硬件介绍

InFusion 系统的基本硬件有如下几种：Station、FBM 和 Switch 。

Station

P92 工作站

P92 工作站可以作为 InFusion 系统的 Client

P92 工作站具有应用处理机站和操作员处理机站的双重功能。

P92 作为应用处理机，实现如下功能：

?系统和网络管理功能

实现系统管理功能，包括收集系统性能统计、对从属的站重新装载、存储过程

操作信息、实时数据、历史数据、提供报文广播、处理所有站的报警和报文，

并在所有系统站中，维护一致的时间和日期。还支持各种组态功能（系统组态、显示组态、报警组态、历史组态等等），运行应用软件。还完成网络管理功能，包括涉及网络的系统管理功能的那一部分。

?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。

?文件请求

每台计算机包含一个文件管理器，它用于管理与其连接的大容量存储器有关的

所有文件请求，同时支持一个远方文件系统，这一系统允许一个站中的任务可

存放另一个站中的文件。

?历史数据

可组态成包括历史数据库管理软件功能，连续量值或离散量的历史数据。这些

值可以代表任何参数，如测量值，给定值，输出值和状态转换，这些站被组态

成收集数据并把它们送到历史数据库中。另外，历史数据库管理软件计算和存

储平均值，最大值、最小值以及其他统计算法的历史数据。这些信息可用于显

示画面、报表以及供应用程序存取。历史数据文件可以保存在软盘片和磁带上。

应用处理机能组态作保存错误、报警状态以及选择的操作员的操作动作的历史。

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）。

?生产控制软件

生产控制软件代表需要各种应用处理机资源的大量软件包，这些软件包有：

?数据验证软件

?电子表格

?过程最优化软件

?物理性能库

?工厂生产模型

?批量工厂管理程序

生产控制软件的运行和性能由组态决定。

?组态

这里所用的组态是指系统提供的可对应用软件作修改的工具软件。

?用户应用程序执行

执行用户的应用程序。执行可以是应用程序包，如特殊优化、测试数据收集、

专门数据整理程序或用户已经开发的其它程序等。供用户应用的资源分配随每

台应用处理机而异。

?诊断

采用三种诊断方式，以检测和/或查出故障。

?通电自检

?运行时间和监视时钟检查

?离线诊断

当接上电源时，通电自检即自己启动。这些检查是对应用处理机的各个功能部

件按顺序进行测试。在通电自检过程中检测到的任何故障信息，由与其连接的

终端和打印机来显示和打印。离线诊断是临时装入系统的，用于对各系统站和

设备进行全面的测试和检查。离线诊断，用于处理机中的一些可疑的故障检查

和确定。

运行时间和监视时钟检查用于正常系统运行期间连续监视用于处理机功能。借

助于打印和显示的系统报文操作员可得知故障情况。

P92 作为操作员处理机时，与它连接的外部设备一起，在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。

除视频监视器外，连到操作员处理机设备还可以包括触摸屏幕，鼠标，工程师键盘和组合键盘。这些可任意选择的鼠标提供作为命令和数据输入，显示选择和报警管理的系统。

?过程显示画面可从本身硬盘读出。

?工程师键盘－类似于标准的计算机键盘。

?组合键盘－又称操作员键盘，每个 CRT 最多可带二个操作员键盘，每个操作员键盘由三块告示小键盘或二块告示小键盘加一块数字小键盘组成，二个操作员键盘中最多只能有一块数字小键盘，告示小键盘上有 16 个带发光二极管的按键，在工作站处理机软件的控制下按过程的状态呈现发光，不发光或闪烁发光，提醒操作员把注意力转向系统的某些特定区域上去。每个按键的功能可通过报警组态指定。操作员键盘上也有报警确认键和蜂鸣器。

P92 计算机要求至少 2GB 内存。

P92 可选外设

z工程师键盘

每当要将新的文本输入到系统中时，就需要使用工程师键盘。该键盘由按标准QWERTY格局布置的全套字符数字键、全部标点符号键和特殊记号键，以及一个数字输入小键盘(带光标控制)等部分组成。

z组合键盘(操作员键盘)

每个组合键盘可安装告示键和数字键。

告示键——它具有用户可自定义的插片(插片上标明该键的功能)和发光二极管

(LED)。这是一个LED键开关的阵列，每个LED可在操作站处理机软件的控制下，按过程的状态呈现ON(闪亮)/OFF(熄灭)，或者闪烁发光。告示键上的LED与基本单元上的音响告示器连用，可产生提醒操作员把注意力转向系统的某些特殊区域上去的效果。与每一LED相关的聚酯薄膜键开关可被用于调用预先组态好的专门画面或者系统功能。

数字键——它适于将数字数据输入系统，其功能与字母数字键盘上的数字输入小键盘(带光标控制)相同。数字键包括若干数字输入键、一个Enter(键入)键和一个带LED 状态灯的数字LOCK(闭锁)键

z鼠标

鼠标是一种桌面光标操作控制设备。它将其物理的移动转换成数字信号，这些数字信号被选择，并在CRT/LCD显示器上形成一反映鼠标移动的光标，鼠标上的按扭开关使用户对屏幕上被光标指定的区域做出选认。

z CRT/ LCD

操作站显示器有两种规格： CRT 与 LCD。

CRT是支持超高分辨率应用的模拟阴极射线管彩色监视器。该监视器适于安装在操作站或桌面上。它支持鼠标/球标，工程师键盘和组合键盘。它还有一个报警喇叭和一个可俯仰调节左右转动的基座。

LCD是需要超高分辨率应用的支持多窗口显示的彩色监视器。LCD与传统的CRT相比具有重量轻、功耗低的特点，并具备与21英寸CRT相应的屏幕显示尺寸。LCD可提供广宽的视角，并且没有弯曲度造成反光。它还有一个报警喇叭和一个可俯仰调节左右转动的基座。

z操作台

I/A Series有多种操作台可供用户选择使用。

P91 服务器

P91 服务器可以作为 InFusion 系统的 Server。

在安装 InFusion 过程中，根据计算机的不同，InFusion 可分别安装 Client 和Server 两种版本，P91 安装 Server 版本、P92 安装 Client 版本。在 InFusion 网络上需要至少有一台计算机P91安装 InFusion Server ，InFusion Server包含有 Galaxy 数据库（所有的控制组态方案保存在 Galaxy 数据库中），所以我们称 InFusion Server 为Galaxy Repository（GR）。InFusion Client 中没有 Galaxy，只能通过 Mesh 网络连接到Server 的 Galaxy 进行组态。

除了服务器功能外，P91 服务器可以实现 P92 工作站的所有功能，并且可选择使

用 P92 所有外设设备。

P91 服务器要求至少 4GB 内存。

控制处理机 CP

控制处理机是一个可选的容错站，和与它相连的现场总线组件（FBM）一起，可按组态好的控制方案对过程进行控制。它可实现连续控制、梯型逻辑控制和顺序控制等功能。完成数据采集、检测、报警和传送信息的功能。

使用久经考验的算法（执行特定功能的数字计算）控制工业过程的变量，包括EXACT（专家自适应控制整定算法）和 EXACT MV （EXACT 多变量控制）系列算法。这些算法包含在功能控制块（简称模块）中，现场工程师可对它们进行组态以完成要求的控制方案。

CP的处理能力因芯片的型号而异。基本处理周期(BPC=Basic Process Cycle) 指 CP 再次处理同一个模块间隔的时间，最快可定义为 0.05 秒（在系统组态时定义）。CP 从第一个模块开始从上往下逐个运行模块，当一个 BPC 到了它就回到第一个模块再依次运行一遍，而不管上一次是否还有来不及运行的模块。实现常规调节控制的模块有51 种，包括：输入/输出控制，信号处理，计算和转换以及报警和限幅等五大类。实现梯形逻辑和顺序控制的模块有 6 种。任何 CP 中的任意模块的参数均可连接到其它任何CP 中的任意模块上去，以构成用户所要求的控制方案。

CP 在电源接通时进行自检，而在工作期间执行运行时检查和监视时钟功能，在容

错式控制处理机中，当检测到一个错误时，两个组件运行内部自诊断测试，以确定哪个组件故障。

CP 的负载能力由三个方面决定，一、最多可挂FBM数量；二、最多可装载的模块数量；三、每秒可运行的模块的数量。最多可运行模块的能力与硬件型号、软件版本有关。

CP类型：FCP270、ZCP270

z FCP270

技术特性

z FCP270的CPU采用具有存储程序功能的基于AMD Elan SC520芯片组(运行于100MHz上)

z FCP270采用16MB SDRAM内存，32MB 闪存

z FCP270可最多带32块 FBM 卡件（通过 FEM100 扩展卡，最多可扩展到128块 FBM 卡件）

z FCP270控制功能块执行速度为10,000个功能块/秒

z FCP270可组态多达4,000个控制模块

z FCP270可组态的功能块扫描周期有0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 0.6, 1, 2, 5, 6, 10, 30秒，1、

10、60分

z FCP270支持100Mbps控制网络

z FCP可在G3环境下工作

z FCP耗电量仅为8.3瓦

z FCP具有与FBM一样的底板安装结构和电源供应方式

图1-3 FCP270

FCP270 连接到 Mesh 网详细连接方式

图1-4 FCP270 网络结构