集散型控制系統(tǒng)DCS的設(shè)計(jì)原則探討

沈家明 薛飛

摘要：現(xiàn)代工業(yè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中，DCS控制系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用，成為工業(yè)自動(dòng)化的重要支柱，從而提高了工廠的技術(shù)裝備水平；在DCS控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)工藝生產(chǎn)流程和控制點(diǎn)數(shù)、回路數(shù)確定控制系統(tǒng)的規(guī)模，根據(jù)規(guī)模選定相應(yīng)的控制系統(tǒng)，進(jìn)而確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫容量、人機(jī)接口等配套設(shè)施，然后在工程師站上進(jìn)行編程、組態(tài)，下裝到操作員站，最后進(jìn)行綜合調(diào)試，完成一個(gè)完整的DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程。

關(guān)鍵詞：集散型控制系統(tǒng)；冗余；人機(jī)接口；數(shù)據(jù)庫

中圖分類號：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)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(xiàn)代工業(yè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中，分散控制，集中管理模式在工業(yè)自動(dòng)化中得到廣泛的應(yīng)用，成為工業(yè)自動(dòng)化的重要支柱，從而提高了工廠裝備的技術(shù)水平；節(jié)約能源，降低消耗，促進(jìn)了生產(chǎn)的柔化性和集成化，提高了產(chǎn)品質(zhì)量、勞動(dòng)生產(chǎn)率以及提升產(chǎn)品的國際競爭能力，因此工業(yè)自動(dòng)化成為適應(yīng)國內(nèi)外市場競爭的重要手段，是促進(jìn)企業(yè)現(xiàn)代化大生產(chǎn)的有力工具。

1、DCS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)劃

集散型控制系統(tǒng)（DCS）顧名思義就是集中管理、分散控制的意思，這就明確了設(shè)計(jì)時(shí)的基本設(shè)計(jì)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(jì)控中心設(shè)置集中監(jiān)控室，該監(jiān)控室主要設(shè)置DCS控制系統(tǒng)工程師站、操作員站、UPS電源系統(tǒng)等設(shè)施；分散控制是以工段或車間為單位設(shè)置控制節(jié)點(diǎn)，一般以低壓配電室或獨(dú)立的機(jī)柜室為基點(diǎn)，設(shè)置分布式控制器，然后通過網(wǎng)絡(luò)把各工段或各車間控制節(jié)點(diǎn)匯集，在工程師站上進(jìn)行編程、組態(tài)，然后通過數(shù)據(jù)總線網(wǎng)絡(luò)下載到各操作員站，車間操作工人在操作員站上直觀地監(jiān)控各工段或車間的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況和各種參數(shù)記錄。

典型的DCS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如下圖所示：

2、DCS控制系統(tǒng)選型原則

DCS控制系統(tǒng)的選型一般采用國內(nèi)外成熟的系統(tǒng)，并在同類工程中有成功應(yīng)用的范例。

選用的DCS至少滿足下列內(nèi)容：

（1） DCS必須滿足工程中模擬量控制（MCS）、順序控制（SCS）、安全監(jiān)控、報(bào)警和數(shù)據(jù)采集（DAS）功能，以滿足各種運(yùn)行工況的要求，確保各裝置安全高效運(yùn)行。

（2） 全廠設(shè)備將以三種模式運(yùn)行：順序控制、單機(jī)集中控制及單機(jī)就地控制。當(dāng)采用順序控制模式時(shí)，所有設(shè)備將由DCS監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一安排，按照一定的啟停順序及聯(lián)鎖邏輯來進(jìn)行自動(dòng)控制；當(dāng)使用單機(jī)集中控制模式時(shí)，設(shè)備由操作員在操作員站上進(jìn)行手動(dòng)啟/停；當(dāng)設(shè)備需要維護(hù)、檢修時(shí)，可轉(zhuǎn)為單機(jī)就地控制模式。以順序控制、單機(jī)集中控制模式進(jìn)行控制時(shí)，控制系統(tǒng)提供設(shè)備的聯(lián)鎖保護(hù)。三種控制方式可實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)換。其中單機(jī)集中控制模式具有解鎖功能。

（3） DCS由過程控制單元、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)和人機(jī)接口組成。DCS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(tǒng)內(nèi)任一組件發(fā)生故障，均不影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。DCS系統(tǒng)的參數(shù)、報(bào)警和自診斷功能能高度集中在上位機(jī)上顯示和在打印機(jī)上打印，控制系統(tǒng)盡可能在功能和物理上適當(dāng)分散。

（4） DCS系統(tǒng)在技術(shù)上具備可靠性、先進(jìn)性和開放性，同時(shí)，亦要考慮經(jīng)濟(jì)上的合理性。在進(jìn)行DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，即要滿足生產(chǎn)過程對控制系統(tǒng)的要求，又要考慮經(jīng)濟(jì)實(shí)用，要具備良好的性能價(jià)格比。

（5） DCS系統(tǒng)具備良好的擴(kuò)展性，可在系統(tǒng)工作的情況下進(jìn)行在線擴(kuò)展。同時(shí)，系統(tǒng)具有高可靠性的結(jié)構(gòu)，它對主控制器、通訊功能、系統(tǒng)與過程的接口，系統(tǒng)與供電之間，都有一個(gè)故障裕度。軟件上的故障裕度包括系統(tǒng)內(nèi)的各種程序冗余檢查和全局?jǐn)?shù)據(jù)庫的診斷。

（6） DCS系統(tǒng)是開放性的，它具備數(shù)據(jù)交換和OPC開放式數(shù)據(jù)存取功能，能與第三方供貨商的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

（7） DCS系統(tǒng)提供豐富的過程I/O模塊，通過這些模塊將系統(tǒng)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(tǒng)有一個(gè)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)庫管理單元，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫管理所提供的主要功能包括：模擬、數(shù)字及邏輯控制，隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)趨向與檢索，數(shù)據(jù)歷史處理，報(bào)表生成等。操作者可以快捷方便地獲取過程參數(shù)，也可隨時(shí)得到目前和過去任何時(shí)候的工藝操作信息以及各種參數(shù)，數(shù)據(jù)檔案。

（9） 操作員站具有良好交互性的友好的人機(jī)界面，它具有信息顯示的功能和分配系統(tǒng)信息以及收到發(fā)往任何生產(chǎn)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(jìn)行操作任務(wù)的分配，使得操作任務(wù)共同承擔(dān)。如果任一個(gè)操作員站出現(xiàn)故障，另外的操作員站會自動(dòng)承擔(dān)其任務(wù)。用戶指令（操作）鍵盤和軌跡球（光標(biāo)）是構(gòu)成操作員站的組成部分，操作顯示來自各工藝過程的詳細(xì)顯示，每個(gè)參數(shù)的狀態(tài)及數(shù)值，發(fā)出各種控制指令。

3、DCS控制系統(tǒng)配置

（1）服務(wù)器/工程師站配置：

服務(wù)器/工程師站設(shè)置在中央控制室或主機(jī)柜室（儀表技術(shù)室），服務(wù)器采用冗余數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，服務(wù)器單獨(dú)成柜，主要用于各系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)的存儲和服務(wù)管理，服務(wù)器可兼做工程師站，也可獨(dú)立當(dāng)數(shù)據(jù)庫使用。

工程師站也可單獨(dú)配置，可根據(jù)需要采用臺式機(jī)或筆記本，編程、組態(tài)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(dāng)操作員站使用。

（2）操作員站配置：

在中央控制室操作臺上設(shè)置操作員站，如果操作員站數(shù)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(shí)也方便操作員切換各個(gè)畫面，操縱不同畫面的設(shè)備。

（3）控制器（CPU）配置：

控制器一般設(shè)置在主機(jī)柜室（儀表技術(shù)室），DCS系統(tǒng)配置冗余控制器，配套冗余電源模塊和冗余網(wǎng)絡(luò)模塊，大型的控制系統(tǒng)控制器單獨(dú)成柜，柜內(nèi)可放置網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。

（4）輸入/輸出模塊：

在主機(jī)柜室或遠(yuǎn)程機(jī)柜室（或與電氣低壓配電室合用）設(shè)置輸入/輸出（I/O）模塊，輸入/輸出模塊通過冗余網(wǎng)絡(luò)與控制器（CPU）模塊相連，下掛的I/O模塊通道數(shù)量不超過控制器容量的60%，輸入輸出模塊點(diǎn)數(shù)一般按總量10～15%的備用量考慮。

（5）打印機(jī)：

打印機(jī)和人機(jī)接口設(shè)備（工程師站、操作員站）配套配置，一般設(shè)置雙打印機(jī)，一臺為針型打印機(jī)（可打印A3以上的紙張），一臺為噴墨打印機(jī)（主要打印A4紙張），工程師站配置針型打印機(jī)，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(jī)，主要供操作員打印各種報(bào)表如工作日志、歷史曲線、報(bào)警記錄等。

（6）不間斷電源系統(tǒng)：

DCS控制系統(tǒng)供電要求在控制室或機(jī)柜室內(nèi)設(shè)計(jì)獨(dú)立的供電系統(tǒng)，低壓配電室引來兩路來自不同母線的相對獨(dú)立三相380VAC交流電，一路經(jīng)變壓、穩(wěn)壓后供給控制系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)的副電源及現(xiàn)場常規(guī)儀表；一路經(jīng)UPS后供給控制系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)的主電源及特殊儀表（如可燃?xì)怏w和有毒、有害氣體檢測分析系統(tǒng)等）；控制系統(tǒng)的工程師站、操作員站、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等采用雙電源切換方式供電，即穩(wěn)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(shè)備，其目的是保證工程師站、操作員站、數(shù)據(jù)庫等重要設(shè)備在任何一路電源丟失后能正常工作。

（7）數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)：

數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)通過交換機(jī)將數(shù)據(jù)庫、控制器、輸入/輸出模塊及人機(jī)接口和第三方控制系統(tǒng)連接起來，為保證可靠和高效的系統(tǒng)通訊。通訊網(wǎng)絡(luò)一般采用冗余配置，采用千兆工業(yè)級交換機(jī)，冗余通訊系統(tǒng)保證連接到數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)上的任一系統(tǒng)或設(shè)備發(fā)生故障，都不會導(dǎo)致通訊系統(tǒng)癱瘓或影響其他聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和設(shè)備的工作。掛在數(shù)據(jù)通訊總路線上的所有站，都能接受數(shù)據(jù)通訊總線上的數(shù)據(jù)，并可向數(shù)據(jù)總線傳送數(shù)據(jù)，通訊系統(tǒng)也可和廣域Internet連接，采用口令權(quán)限，方便領(lǐng)導(dǎo)出差也能隨時(shí)掌握工廠的生產(chǎn)情況。

當(dāng)數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)中出現(xiàn)某個(gè)差錯(cuò)時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)要求重發(fā)該數(shù)據(jù)，或由硬件告知軟件，再由軟件判別并采取相應(yīng)的措施。如經(jīng)過多次補(bǔ)救無效，系統(tǒng)能夠采取安全的措施，如切除故障設(shè)備或切換至冗余的裝置等。

室外網(wǎng)絡(luò)連接一般鎧裝硬光纜，室內(nèi)采用軟光纜，光纜單獨(dú)敷設(shè)，避免強(qiáng)電干擾。

4、總結(jié)

DCS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)繁瑣、復(fù)雜的過程，以上的DCS控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)配置具有通用性、一般性，在具體的設(shè)計(jì)過程中，各種配置還可優(yōu)化和細(xì)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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