集散型控制系統DCS的設計原則探討

沈家明 薛飛

摘要：現代工業科學技術領域中，DCS控制系統得到廣泛的應用，成為工業自動化的重要支柱，從而提高了工廠的技術裝備水平；在DCS控制系統的設計過程中，根據工藝生產流程和控制點數、回路數確定控制系統的規模，根據規模選定相應的控制系統，進而確定網絡結構、數據庫容量、人機接口等配套設施，然后在工程師站上進行編程、組態，下裝到操作員站，最后進行綜合調試，完成一個完整的DCS系統設計過程。

關鍵詞：集散型控制系統；冗余；人機接口；數據庫

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）04（a）-0000-00

Abstract：In modern times science and technology，DCS control system geted extensive application， It being importat pillar in the automatic industry， thus improve technical equipment level for factory； Duringdesigningprocess of distributed control system （DCS）， To start with， control system is selected according to the control demand， which is based on production process and the amount of control loops. Then network architecture， data-base capacity， man - machine interface and other facilities can be determined.Using engineer station to program， configure and download to operator station.After integrated debugging， a full distributed control system （DCS） design process is completed.

Key words：Distributed Control System （DCS）；redundance；man-machine interface；data-base

0引言

現代工業科學技術領域中，分散控制，集中管理模式在工業自動化中得到廣泛的應用，成為工業自動化的重要支柱，從而提高了工廠裝備的技術水平；節約能源，降低消耗，促進了生產的柔化性和集成化，提高了產品質量、勞動生產率以及提升產品的國際競爭能力，因此工業自動化成為適應國內外市場競爭的重要手段，是促進企業現代化大生產的有力工具。

1、DCS控制系統設計規劃

集散型控制系統（DCS）顧名思義就是集中管理、分散控制的意思，這就明確了設計時的基本設計框架，集中管理一般是以車間或全廠為單位，在車間控制室或在全廠計控中心設置集中監控室，該監控室主要設置DCS控制系統工程師站、操作員站、UPS電源系統等設施；分散控制是以工段或車間為單位設置控制節點，一般以低壓配電室或獨立的機柜室為基點，設置分布式控制器，然后通過網絡把各工段或各車間控制節點匯集，在工程師站上進行編程、組態，然后通過數據總線網絡下載到各操作員站，車間操作工人在操作員站上直觀地監控各工段或車間的設備運轉情況和各種參數記錄。

典型的DCS網絡拓撲圖如下圖所示：

2、DCS控制系統選型原則

DCS控制系統的選型一般采用國內外成熟的系統，并在同類工程中有成功應用的范例。

選用的DCS至少滿足下列內容：

（1） DCS必須滿足工程中模擬量控制（MCS）、順序控制（SCS）、安全監控、報警和數據采集（DAS）功能，以滿足各種運行工況的要求，確保各裝置安全高效運行。

（2） 全廠設備將以三種模式運行：順序控制、單機集中控制及單機就地控制。當采用順序控制模式時，所有設備將由DCS監控系統統一安排，按照一定的啟停順序及聯鎖邏輯來進行自動控制；當使用單機集中控制模式時，設備由操作員在操作員站上進行手動啟/停；當設備需要維護、檢修時，可轉為單機就地控制模式。以順序控制、單機集中控制模式進行控制時，控制系統提供設備的聯鎖保護。三種控制方式可實現自由轉換。其中單機集中控制模式具有解鎖功能。

（3） DCS由過程控制單元、數據通訊系統和人機接口組成。DCS系統的設計采用合適的冗余配置和診斷至模件級的自診斷功能，使其具有高度的可靠性，系統內任一組件發生故障，均不影響整個系統的工作。DCS系統的參數、報警和自診斷功能能高度集中在上位機上顯示和在打印機上打印，控制系統盡可能在功能和物理上適當分散。

（4） DCS系統在技術上具備可靠性、先進性和開放性，同時，亦要考慮經濟上的合理性。在進行DCS系統設計時，即要滿足生產過程對控制系統的要求，又要考慮經濟實用，要具備良好的性能價格比。

（5） DCS系統具備良好的擴展性，可在系統工作的情況下進行在線擴展。同時，系統具有高可靠性的結構，它對主控制器、通訊功能、系統與過程的接口，系統與供電之間，都有一個故障裕度。軟件上的故障裕度包括系統內的各種程序冗余檢查和全局數據庫的診斷。

（6） DCS系統是開放性的，它具備數據交換和OPC開放式數據存取功能，能與第三方供貨商的網絡進行通信。

（7） DCS系統提供豐富的過程I/O模塊，通過這些模塊將系統與過程連接起來，為每一路I/O信號提供隔離通道。

（8） DCS系統有一個實時的數據庫管理單元，實時數據庫管理所提供的主要功能包括：模擬、數字及邏輯控制，隨機數據存儲，數據趨向與檢索，數據歷史處理，報表生成等。操作者可以快捷方便地獲取過程參數，也可隨時得到目前和過去任何時候的工藝操作信息以及各種參數，數據檔案。

（9） 操作員站具有良好交互性的友好的人機界面，它具有信息顯示的功能和分配系統信息以及收到發往任何生產過程的操作指令。所有操作員站均具有同樣的顯示工藝流程或控制操作能力，亦可對各操作員站進行操作任務的分配，使得操作任務共同承擔。如果任一個操作員站出現故障，另外的操作員站會自動承擔其任務。用戶指令（操作）鍵盤和軌跡球（光標）是構成操作員站的組成部分，操作顯示來自各工藝過程的詳細顯示，每個參數的狀態及數值，發出各種控制指令。

3、DCS控制系統配置

（1）服務器/工程師站配置：

服務器/工程師站設置在中央控制室或主機柜室（儀表技術室），服務器采用冗余數據庫服務器，服務器單獨成柜，主要用于各系統歷史數據的存儲和服務管理，服務器可兼做工程師站，也可獨立當數據庫使用。

工程師站也可單獨配置，可根據需要采用臺式機或筆記本，編程、組態完后把畫面、曲線、趨勢圖等下裝給操作員站，然后采用口令封閉編程接口，封閉接口后可當操作員站使用。

（2）操作員站配置：

在中央控制室操作臺上設置操作員站，如果操作員站數量多也可采用弧形配置，操作員站顯示屏一般采用雙屏配置，雙屏配置更能直觀、全面地顯示流程各種畫面，同時也方便操作員切換各個畫面，操縱不同畫面的設備。

（3）控制器（CPU）配置：

控制器一般設置在主機柜室（儀表技術室），DCS系統配置冗余控制器，配套冗余電源模塊和冗余網絡模塊，大型的控制系統控制器單獨成柜，柜內可放置網絡交換機。

（4）輸入/輸出模塊：

在主機柜室或遠程機柜室（或與電氣低壓配電室合用）設置輸入/輸出（I/O）模塊，輸入/輸出模塊通過冗余網絡與控制器（CPU）模塊相連，下掛的I/O模塊通道數量不超過控制器容量的60%，輸入輸出模塊點數一般按總量10～15%的備用量考慮。

（5）打印機：

打印機和人機接口設備（工程師站、操作員站）配套配置，一般設置雙打印機，一臺為針型打印機（可打印A3以上的紙張），一臺為噴墨打印機（主要打印A4紙張），工程師站配置針型打印機，主要打印工藝主流程的大型畫面，操作員站配置噴墨打印機，主要供操作員打印各種報表如工作日志、歷史曲線、報警記錄等。

（6）不間斷電源系統：

DCS控制系統供電要求在控制室或機柜室內設計獨立的供電系統，低壓配電室引來兩路來自不同母線的相對獨立三相380VAC交流電，一路經變壓、穩壓后供給控制系統作為控制系統的副電源及現場常規儀表；一路經UPS后供給控制系統作為控制系統的主電源及特殊儀表（如可燃氣體和有毒、有害氣體檢測分析系統等）；控制系統的工程師站、操作員站、數據庫服務器等采用雙電源切換方式供電，即穩壓電源和UPS電源通過電源切換裝置，由電源切換裝置提供一路輸出給受電設備，其目的是保證工程師站、操作員站、數據庫等重要設備在任何一路電源丟失后能正常工作。

（7）數據通訊系統：

數據通訊系統通過交換機將數據庫、控制器、輸入/輸出模塊及人機接口和第三方控制系統連接起來，為保證可靠和高效的系統通訊。通訊網絡一般采用冗余配置，采用千兆工業級交換機，冗余通訊系統保證連接到數據網絡上的任一系統或設備發生故障，都不會導致通訊系統癱瘓或影響其他聯網系統和設備的工作。掛在數據通訊總路線上的所有站，都能接受數據通訊總線上的數據，并可向數據總線傳送數據，通訊系統也可和廣域Internet連接，采用口令權限，方便領導出差也能隨時掌握工廠的生產情況。

當數據通訊系統中出現某個差錯時，系統能自動要求重發該數據，或由硬件告知軟件，再由軟件判別并采取相應的措施。如經過多次補救無效，系統能夠采取安全的措施，如切除故障設備或切換至冗余的裝置等。

室外網絡連接一般鎧裝硬光纜，室內采用軟光纜，光纜單獨敷設，避免強電干擾。

4、總結

DCS控制系統設計是一個繁瑣、復雜的過程，以上的DCS控制系統的設計配置具有通用性、一般性，在具體的設計過程中，各種配置還可優化和細化，限于篇幅，不再過多熬述，僅此，希望起到拋磚引玉的效果。

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