集散型控制系统DCS的设计原则探讨

沈家明 薛飞

摘要：现代工业科学技术领域中，DCS控制系统得到广泛的应用，成为工业自动化的重要支柱，从而提高了工厂的技术装备水平；在DCS控制系统的设计过程中，根据工艺生产流程和控制点数、回路数确定控制系统的规模，根据规模选定相应的控制系统，进而确定网络结构、数据库容量、人机接口等配套设施，然后在工程师站上进行编程、组态，下装到操作员站，最后进行综合调试，完成一个完整的DCS系统设计过程。

关键词：集散型控制系统；冗余；人机接口；数据库

中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：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

现代工业科学技术领域中，分散控制，集中管理模式在工业自动化中得到广泛的应用，成为工业自动化的重要支柱，从而提高了工厂装备的技术水平；节约能源，降低消耗，促进了生产的柔化性和集成化，提高了产品质量、劳动生产率以及提升产品的国际竞争能力，因此工业自动化成为适应国内外市场竞争的重要手段，是促进企业现代化大生产的有力工具。

1、DCS控制系统设计规划

集散型控制系统（DCS）顾名思义就是集中管理、分散控制的意思，这就明确了设计时的基本设计框架，集中管理一般是以车间或全厂为单位，在车间控制室或在全厂计控中心设置集中监控室，该监控室主要设置DCS控制系统工程师站、操作员站、UPS电源系统等设施；分散控制是以工段或车间为单位设置控制节点，一般以低压配电室或独立的机柜室为基点，设置分布式控制器，然后通过网络把各工段或各车间控制节点汇集，在工程师站上进行编程、组态，然后通过数据总线网络下载到各操作员站，车间操作工人在操作员站上直观地监控各工段或车间的设备运转情况和各种参数记录。

典型的DCS网络拓扑图如下图所示：

2、DCS控制系统选型原则

DCS控制系统的选型一般采用国内外成熟的系统，并在同类工程中有成功应用的范例。

选用的DCS至少满足下列内容：

（1） DCS必须满足工程中模拟量控制（MCS）、顺序控制（SCS）、安全监控、报警和数据采集（DAS）功能，以满足各种运行工况的要求，确保各装置安全高效运行。

（2） 全厂设备将以三种模式运行：顺序控制、单机集中控制及单机就地控制。当采用顺序控制模式时，所有设备将由DCS监控系统统一安排，按照一定的启停顺序及联锁逻辑来进行自动控制；当使用单机集中控制模式时，设备由操作员在操作员站上进行手动启/停；当设备需要维护、检修时，可转为单机就地控制模式。以顺序控制、单机集中控制模式进行控制时，控制系统提供设备的联锁保护。三种控制方式可实现自由转换。其中单机集中控制模式具有解锁功能。

（3） DCS由过程控制单元、数据通讯系统和人机接口组成。DCS系统的设计采用合适的冗余配置和诊断至模件级的自诊断功能，使其具有高度的可靠性，系统内任一组件发生故障，均不影响整个系统的工作。DCS系统的参数、报警和自诊断功能能高度集中在上位机上显示和在打印机上打印，控制系统尽可能在功能和物理上适当分散。

（4） DCS系统在技术上具备可靠性、先进性和开放性，同时，亦要考虑经济上的合理性。在进行DCS系统设计时，即要满足生产过程对控制系统的要求，又要考虑经济实用，要具备良好的性能价格比。

（5） DCS系统具备良好的扩展性，可在系统工作的情况下进行在线扩展。同时，系统具有高可靠性的结构，它对主控制器、通讯功能、系统与过程的接口，系统与供电之间，都有一个故障裕度。软件上的故障裕度包括系统内的各种程序冗余检查和全局数据库的诊断。

（6） DCS系统是开放性的，它具备数据交换和OPC开放式数据存取功能，能与第三方供货商的网络进行通信。

（7） DCS系统提供丰富的过程I/O模块，通过这些模块将系统与过程连接起来，为每一路I/O信号提供隔离通道。

（8） DCS系统有一个实时的数据库管理单元，实时数据库管理所提供的主要功能包括：模拟、数字及逻辑控制，随机数据存储，数据趋向与检索，数据历史处理，报表生成等。操作者可以快捷方便地获取过程参数，也可随时得到目前和过去任何时候的工艺操作信息以及各种参数，数据档案。

（9） 操作员站具有良好交互性的友好的人机界面，它具有信息显示的功能和分配系统信息以及收到发往任何生产过程的操作指令。所有操作员站均具有同样的显示工艺流程或控制操作能力，亦可对各操作员站进行操作任务的分配，使得操作任务共同承担。如果任一个操作员站出现故障，另外的操作员站会自动承担其任务。用户指令（操作）键盘和轨迹球（光标）是构成操作员站的组成部分，操作显示来自各工艺过程的详细显示，每个参数的状态及数值，发出各种控制指令。

3、DCS控制系统配置

（1）服务器/工程师站配置：

服务器/工程师站设置在中央控制室或主机柜室（仪表技术室），服务器采用冗余数据库服务器，服务器单独成柜，主要用于各系统历史数据的存储和服务管理，服务器可兼做工程师站，也可独立当数据库使用。

工程师站也可单独配置，可根据需要采用台式机或笔记本，编程、组态完后把画面、曲线、趋势图等下装给操作员站，然后采用口令封闭编程接口，封闭接口后可当操作员站使用。

（2）操作员站配置：

在中央控制室操作台上设置操作员站，如果操作员站数量多也可采用弧形配置，操作员站显示屏一般采用双屏配置，双屏配置更能直观、全面地显示流程各种画面，同时也方便操作员切换各个画面，操纵不同画面的设备。

（3）控制器（CPU）配置：

控制器一般设置在主机柜室（仪表技术室），DCS系统配置冗余控制器，配套冗余电源模块和冗余网络模块，大型的控制系统控制器单独成柜，柜内可放置网络交换机。

（4）输入/输出模块：

在主机柜室或远程机柜室（或与电气低压配电室合用）设置输入/输出（I/O）模块，输入/输出模块通过冗余网络与控制器（CPU）模块相连，下挂的I/O模块通道数量不超过控制器容量的60%，输入输出模块点数一般按总量10～15%的备用量考虑。

（5）打印机：

打印机和人机接口设备（工程师站、操作员站）配套配置，一般设置双打印机，一台为针型打印机（可打印A3以上的纸张），一台为喷墨打印机（主要打印A4纸张），工程师站配置针型打印机，主要打印工艺主流程的大型画面，操作员站配置喷墨打印机，主要供操作员打印各种报表如工作日志、历史曲线、报警记录等。

（6）不间断电源系统：

DCS控制系统供电要求在控制室或机柜室内设计独立的供电系统，低压配电室引来两路来自不同母线的相对独立三相380VAC交流电，一路经变压、稳压后供给控制系统作为控制系统的副电源及现场常规仪表；一路经UPS后供给控制系统作为控制系统的主电源及特殊仪表（如可燃气体和有毒、有害气体检测分析系统等）；控制系统的工程师站、操作员站、数据库服务器等采用双电源切换方式供电，即稳压电源和UPS电源通过电源切换装置，由电源切换装置提供一路输出给受电设备，其目的是保证工程师站、操作员站、数据库等重要设备在任何一路电源丢失后能正常工作。

（7）数据通讯系统：

数据通讯系统通过交换机将数据库、控制器、输入/输出模块及人机接口和第三方控制系统连接起来，为保证可靠和高效的系统通讯。通讯网络一般采用冗余配置，采用千兆工业级交换机，冗余通讯系统保证连接到数据网络上的任一系统或设备发生故障，都不会导致通讯系统瘫痪或影响其他联网系统和设备的工作。挂在数据通讯总路线上的所有站，都能接受数据通讯总线上的数据，并可向数据总线传送数据，通讯系统也可和广域Internet连接，采用口令权限，方便领导出差也能随时掌握工厂的生产情况。

当数据通讯系统中出现某个差错时，系统能自动要求重发该数据，或由硬件告知软件，再由软件判别并采取相应的措施。如经过多次补救无效，系统能够采取安全的措施，如切除故障设备或切换至冗余的装置等。

室外网络连接一般铠装硬光缆，室内采用软光缆，光缆单独敷设，避免强电干扰。

4、总结

DCS控制系统设计是一个繁琐、复杂的过程，以上的DCS控制系统的设计配置具有通用性、一般性，在具体的设计过程中，各种配置还可优化和细化，限于篇幅，不再过多熬述，仅此，希望起到抛砖引玉的效果。

参考文献：

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