淺談DCS系統設計及維護

【摘要】DCS是繼1969年PLC問世后，由HONEYWELL公司在1975年首先推出的系統。由于DCS系統對于對象的定制性很強，與對象的工藝結合密切。在DCS市場中，方案的設計、抗干擾設計以及客戶的運行維護也非常重要。

【關鍵詞】集散控制系統DCS；抗干擾；維護

一、DCS系統簡介

DCS分散控制系統，國內一般習慣稱之為集散控制系統。DCS是一個由過程控制級和過程監控級組成，以通信網絡為橋梁的多級控制系統，綜合了計算機、通信、顯示和控制等技術，其基本特點是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組態方便。

（1）DCS的特點。一是可靠性高：由于DCS將系統控制功能分散在各臺獨立的電腦上實現，系統架構采用容錯設計。二是開放性：DCS采用開放式、標準化、模塊化和系列化設計，系統中各臺計算機采用網絡方式通信，實現信息傳輸，當需要改變或擴充系統功能時，可將新增計算機方便地連入系統通信網絡或從網絡中卸下，幾乎不影響系統其他計算機的工作。三是靈活性：通過組態軟件進行軟硬件組態，方便地構成所需的控制系統。四是易于維護：使用功能單一的小型或微型專用計算機，具有維護簡單、方便的特點。五是協調性：各工作站之間通過局域網絡傳送各種數據，系統信息共享，協調工作，完成控制系統的總體功能和數據優化處理。六是控制功能齊全：組態軟件中所含控制算法豐富，集連續控制、順序控制和批處理控制于一體，可實現串級、前饋等先進控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。（2）DCS的控制等級：一是過程控制級；二是控制管理級；三是生產管理級；四是經營管理級。

二、DCS系統設計原則

（1）四個基本原則。一是完整性原則；保證dcs系統的完整性、可工作性。二是冗余原則：所有與控制回路有關的部件(如I/O卡件、控制器、電源、通訊總線等)都按1：1冗余配置。三是負荷原則：所有的子系統，包括控制站、操作站、工程師站、通訊系統、電源系統等，其設計負荷和實際運行最大負荷都不應超過其硬件、軟件能力的百分之六十。四是備件原則：系統中所有可能發生損壞的部件，如控制器，I/O卡件按系統配置數量的15%的原則留出備件裕度。（2）抗干擾設計。抑制干擾源、切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑、提高裝置和系統的抗干擾能力，這種措施也是抑制電磁干擾的基本方法。一是要重視DCS系統設備選型。要提高DCS系統的整體抗干擾性，首先要選擇有較強抗干擾能力的系統設備，包括電磁兼容性（EMC），尤其是抗外部干擾能力。二是采用綜合抗干擾設計，主要考慮來自系統外部的幾種抑制干擾措施：一是采用性能優良的電源，抑制電網引入的干擾；二是選用合適的電纜進行敷設。（3）正確選擇接地點，完善接地系統。接地的目的通常有兩個，其一為了安全，其二是為了抑制干擾。（4）采用硬件濾波及軟件抗干擾措施。常用的一些措施：數字濾波和工頻整形采樣、定時校正參考點電位，并采用動態零點；采用信息冗余技術，設計相應的軟件標志位；采用間接跳轉，設置軟件陷阱等提高軟件結構可靠性。

三、DCS系統安全風險

（1）DCS網絡接口。DCS控制系統網絡在運行期間必須保證一條通訊環路正常。由于更換端子板時雙網電纜都必須更改接線，且網絡通信恢復需要時間，一旦操作出錯就會引起環形網絡中斷，系統將失去監控，在故障處理過程中首先必須了解其特性方可操作，以免故障擴大。（2）DCS機柜電源監視模件。DCS機柜電源監視模件可以有效抑止了信號誤發，但是使其成為系統故障的集中點。當電源監視模塊發生故障，PCU將停止工作，這會給整個DCS系統運行帶來很大影響。著力分析DCS機柜電源監視模件故障原因、采取適當保護措施是十份必要的，是DCS系統安全運行的保障。（3）控制單元之間的重要信號傳輸存在風險。由于PCU控制功能相對獨立，在PCU故障、環路通信故障等緊急情況下能夠保證一定自轉能力。為了進一步加強系統穩定性，必須對PCU之間的信號傳輸進行適當管理，才能降低信號傳輸帶來的風險。（4）重要信號采集。DCS控制系統采集了大量重要信號用來控制工藝過程或保護重要設備及系統。受到系統容量、硬件配置等限制，同一塊模件上重要信號過多或同一系統信號過于集中對系統維護帶來很大風險。（5）DCS信號強制功能。DCS信號強制途徑眾多，通常手段有修改定值、強制手動、在線修改、端子拆線或短接等。每一種強制手段都存在著自身的優勢及缺點，信號強制手段對系統運行干預程度各不相同，具體情況下需要仔細斟酌，選擇最佳方案實施才能把風險降到最低。（6）DCS組態在線修改。在系統正常運行期間，執行異動報告或消缺項目等情況下必須進行組態在線修改操作。理論上分析，在DCS控制器等運行都正常時是允許在線組態的，但是風險還是較大。

據以上分析，可見DCS系統的設計和維護是一個系統工程。首先要求制造單位設計生產出具有較強抗干擾能力的產品；其次有賴于使用部門在工程設計、安裝施工和運行維護中予以全面考慮，采取合理有效的抗干擾措施，完善系統的接地；隨著工業控制自動化技術的發展和應用，工業生產自動化程度越來越高，這對儀控維護人員提出了更高的要求。