DCS系統(tǒng)選型的主要注意事項

DCS是以計算機技術(shù)、CRT技術(shù)、控制技術(shù)和通信技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的先進控制系統(tǒng)。其大小各異，種類繁多，廣泛應用于化工、冶金、電力、煤炭等各個行業(yè)。我廠采用的DCS主要用于冶練、制氧和硫酸生產(chǎn)，4年多時間的使用證明這套系統(tǒng)完全滿足生產(chǎn)的需要。但是，使用過程中的經(jīng)驗和教訓也值得探討。

理論上，DCS由上述四大技術(shù)組成，但在實際應用中可根據(jù)硬件組成和網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)分成控制部分、通信部分、人機接口三部分。

DCS的選型原則應該是可靠、足夠、適用、先進。

實際選型時切不可片面追求先進性而忽略可靠性。例如我廠DCS的人機接口有兩種類型，其中一類通過長期使用，在可靠性方面無可挑剔;另一類是剛剛推出的產(chǎn)品，盡管它在硬件的性能上，在流程圖畫面編程平臺上比前者先進很多，但新產(chǎn)品未經(jīng)過長期使用的檢驗，在可靠性方面卻略遜于前者。另外，人機接口中的打印機、CRT最好選擇國內(nèi)普遍采用的成熟的有可靠服務保障的產(chǎn)品。筆者甚至認為，用戶應建議DCS制造廠商提供國內(nèi)流行的商用機或工控機作為人機接口，這樣不但方便維修，更換起來價格便宜、交貨期又短。

目前DCS系統(tǒng)的設計理念為高可靠性、高可用性相結(jié)合的設計理念；所有的核

心組件全部支持冗余設計。

總體設計在硬件結(jié)構(gòu)上分為兩個流派：集中板卡式和分散模塊式。

集中板卡式：機柜先安裝機籠，I/O模塊以板卡形式插在機籠中。這種安裝方式的優(yōu)先是抗震性能好，電路板上方便布置多器件，因而通道數(shù)量較多。缺點是受機籠限制，安裝不靈活。因另外需要控制布置接線端子，占用空間大，只能證明布置卡件，反面布置接線端子板，需要采用專門機柜。

分散模塊式：機柜無需機籠，I/O模塊以獨立模塊形式安裝在機柜中。這個安裝方式的優(yōu)點是靈活方便可以在任意空間安裝、占用空間小、散熱良好。缺點抗震性能低于板卡式。因模塊體積小，通道數(shù)量會受限制。

隨著電子元器件的發(fā)展，小型化、智能化是發(fā)展趨勢，模塊式越來越顯示出靈活多變的優(yōu)勢，板卡式初步淘汰。因此YOKOGAWA和Honeywell都完成了由大板卡式向小模塊式的轉(zhuǎn)變， ABB全系列。Emerson的DeltaV、Invensys的I/A、Ovation等都采用分散模塊結(jié)構(gòu)。國內(nèi)的和利時的最新K系列和浙江中控的ECS700都采用分散模塊式結(jié)構(gòu)。

總體設計在軟件結(jié)構(gòu)上分為兩個流派：對等網(wǎng)結(jié)構(gòu)（P/P）和客戶/服務器C/S結(jié)構(gòu)。

對等網(wǎng)結(jié)構(gòu)（P/P）：控制站同操作員站的地位對等，通訊方式點對點。優(yōu)點是通訊不依賴于通訊節(jié)點，危險相對分散。缺點是一個域的系統(tǒng)規(guī)模受限制。數(shù)據(jù)處理量也受限制。難以適合核電等超大規(guī)模系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

客戶/服務器C/S結(jié)構(gòu)：控制器和操作站的通訊通過服務器節(jié)點通訊。優(yōu)點是利于做大型和超大型系統(tǒng)，缺點是通訊依賴于冗余的服務器節(jié)點，對服務器的可靠性要求高。

鑒于對等網(wǎng)結(jié)構(gòu)（P/P）和客戶/服務器C/S結(jié)構(gòu)各有優(yōu)勢，最先進的系統(tǒng)是可以混合結(jié)構(gòu)，兩種通訊結(jié)構(gòu)都支持，而且可以同時存在于一套系統(tǒng)中。如Honeywell的PKS-C300系列和和利時的MACS-K系列。既可以危險分散又可適應大規(guī)模。

1）控制器

控制器選擇的考慮因素主要有響應周期、帶模塊能力和擴展能力。運算周期決定用于裝置需要的反應速度；帶模塊能力決定了系統(tǒng)規(guī)模；擴展能力決定了接第三方儀表的能力。

2）響應周期

控制器的響應周期包括采樣周期和運算周期兩部分，采樣周期取決于I/O模塊采樣速度和I/O模塊總線速度。運算周期取決于CPU運算速度。先進的控制器通常具備可設置不同的運算周期以滿足控制的需要。通常為100ms、200ms、500ms、1000ms、2000ms可選，不同的控制對象可以用不同的運算周期，是衡量控制器技術(shù)是否先進的重要標志。

選擇控制器的運算速度不能只看CPU的主頻，因為不同的系統(tǒng)構(gòu)架，系統(tǒng)運算的效率差別較大。目前主要有基于PowerPC、ARM和X86構(gòu)架，其中X86構(gòu)架的CPU雖然主頻很高，但運算效率不一定很高，同樣構(gòu)架下采用RISC（Reduced InstrucTIon-Set Computer）指令相比CISC（complex instrucTIon set computer）指令效率更高。

對于常規(guī)控制回路要求從IO經(jīng)過PID運算，至AO輸出的累積響應周期最快可達到250ms、500ms和1000ms三檔，同時控制器應具備快速控制能力，從IO經(jīng)過PID運算，至AO輸出的累積響應周期最快可達到120ms。

3）帶模塊能力

帶模塊能力決定了單控制站系統(tǒng)規(guī)模，大多數(shù)DCS系統(tǒng)都在60~120個范圍，市面上單模塊點數(shù)在模擬量8/16點，開關(guān)量16/32點。單控制站容量在600-1200點左右。帶模塊能力與控制響應速度是一對矛盾，當響應時間短的控制場合，需要相應減少帶模塊數(shù)量。特別要限制快速控制回路模塊數(shù)量。一般以控制器負荷不大于50%為最終要求。

4）擴展能力

需要現(xiàn)場總線儀表接入的場合，要求控制器具備第三方總線儀表接入的能力，目前是DP總線、PA總線、Modbus總線和FF總線較為普遍。這就要求控制器具備下掛網(wǎng)關(guān)總線模塊的能力。

控制器冗余是DCS選型的必須要求，冗余切換的時間一般要求不大于2ms，這對于現(xiàn)代電子技術(shù)來說很容易，診斷電路的快速和準確性，決定了切換的時間。但軟件的無擾切換直接影響現(xiàn)場設備，因此軟件輸出數(shù)據(jù)的無擾切換是才是衡量控制器冗余技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)。一般要求不大于最小控制周期。因此兩個控制器的數(shù)據(jù)同步技術(shù)是保證無擾切換的關(guān)鍵。DCS控制器冗余原理見圖4-1-2。

圖4-1-2 DCS控制器冗余原理圖

5）通訊網(wǎng)絡

控制器與人機界面操作站之間的通訊網(wǎng)絡一般由以太網(wǎng)構(gòu)成的冗余網(wǎng)絡。通訊速率為100/1000Mbps.控制站與內(nèi)部I/O模塊之間的網(wǎng)絡一般有自定義的冗余總線構(gòu)成，通訊速率為500Kbps到10Mbps不等?？刂破髋cI/O模塊的總線分為并行總線和串行總線兩種，因串行總線在抗干擾，可擴展性要更好，已經(jīng)形成發(fā)展大趨勢。

網(wǎng)絡具有物理層和協(xié)議層雙重隔離，通訊負荷要求不超過40%。

6）電源設計

DCS電源交流為AC220V為主，電源輸入穩(wěn)定度要求不大于10%，頻率輸入穩(wěn)定度不大于2%。DC24V電壓輸出波動不大于5%，DC48V電壓輸出波動不大于10%。

DCS實際分為模擬部分電源和數(shù)字部分電源兩大部分供電，要求系統(tǒng)自帶電源將模擬部分和數(shù)字部分隔離供電。電源也要求冗余供電，且要求只剩單個電源時，負載不超過額定功率的70%?，F(xiàn)場儀表設備的供電要求與DCS系統(tǒng)隔離供電。電源要求有自保護功能，局部誤接入高壓或外部設備短路，不會造成控制站電源系統(tǒng)故障，系統(tǒng)電源模塊故障次數(shù)不大于2次/年。

7）IO模塊選型

IO設計從開始推出時的單點卡，到后期的多點卡，高密度卡；系統(tǒng)的模塊采用背板插裝方式，到目前逐步采用獨立模塊設計；系統(tǒng)的整體設計可靠性提升，且最大便利提供用戶的易維護性。任意模塊故障不影響其他模塊，任意通道故障不影響其他通道，系統(tǒng)中I/O模塊故障次數(shù)不大于4次/年。

模塊類型應該滿足目前國際上通用的信號采樣標準：

AI、AO、DI、DO、PI（脈沖輸入）、SOE、

RTD、TC等。

I/O卡配置原則：

控制用AI/AO卡應1：1冗余配置。

聯(lián)鎖用DI/DO卡應1：1冗余配置。

監(jiān)測用AI/TC/RTD通道數(shù)不超過32點。

監(jiān)測用脈沖通道數(shù)不超過16點。

DI點通道數(shù)不超過16點，來自電氣的DI必須采用繼電器隔離。

DO點聯(lián)鎖時卡件通道數(shù)不超過16點，必須采用繼電器隔離。

危險氣體監(jiān)測卡需要單獨設置卡件。

系統(tǒng)一般預留20%的備用卡件，同時預留15%的擴展空間。

全部I/O卡基于惡劣的工業(yè)環(huán)境設計，符合EMC的設計規(guī)范，應帶電磁隔離或光電隔離，抗干擾性符合工業(yè)環(huán)境下的國際標準IEC61000。有防腐需要時系統(tǒng)防腐蝕能力滿足ISA S71.04標準G3等級要求。I/O模塊需要有斷線、短路、超量程、通訊等報警功能。

需要防爆的場合，需要選配安全柵或帶本安防爆的卡件。

控制I/O模塊要求冗余配置，常用的是AI冗余有兩種原理，以Honeywell C300硬件為代表采用并聯(lián)冗余機制，原理是將電流信號通過同一個250歐姆電阻，轉(zhuǎn)換為電壓信號，再并聯(lián)兩個測電壓模塊同時測量，同時送控制器，由控制器挑選品質(zhì)好的模塊運算。并聯(lián)式冗余示意圖如圖4-1-3。

圖4-1-3 I/O模塊并聯(lián)式冗余示意圖

以Yokogawa CS3000、Emerson DeltaV為代表的采用切換式冗余機制，原理是冗余的模塊內(nèi)藏切換開關(guān)，只有主模塊開關(guān)才接通，備用模塊開關(guān)不接通。切換式冗余示意圖如下：

圖4-1-4 I/O模塊切換式冗余示意圖

并聯(lián)式冗余和切換式冗余各有利弊：并聯(lián)式冗余優(yōu)點是不存在切換后重新建立穩(wěn)態(tài)的時間，響應速度快，缺點是共用一個取樣電阻，危險集中，一旦該電阻損壞，兩個模塊都不起作用了。另外取樣電阻同模塊分離，精度和穩(wěn)定性控制難度大。切換式冗余優(yōu)點是危險分散，沒有共用器件。取樣在模塊內(nèi)部一體化，精度和穩(wěn)定性高。缺點是切換后需要重新建立穩(wěn)態(tài)工作環(huán)境，時間比并聯(lián)式長。

現(xiàn)場總線通訊模塊主要包括：

1）Serial Card串行通訊模塊，主要用于Modbus等協(xié)議通訊。

2）FoundaTIon FieldBus Card FF總線通訊模塊。

3）ProfiBus DP/PA Card ，用于DP/PA總線通訊。

4）Wireless CommunicaTIon Card，用于無線儀表通訊。

5）DeviceNet和AS-Interface，工廠自動化主流現(xiàn)場總線。

現(xiàn)場總線模塊需要同第三方總線設備進行兼容性測試通過后，才能選型具體總線儀表，否則將有通訊不兼容風險。同傳統(tǒng)儀表不同，總線儀表在使用過程中，與通訊模塊的配合升級將難以避免。因此維護工作需要較高的水平。

1）組態(tài)管理軟件

組態(tài)軟件用來配置、部署和管理整個DCS系統(tǒng)，承擔組態(tài)流程中主要的組態(tài)過程。離線組態(tài)軟件包括工程總控、圖形編輯、控制邏輯組態(tài)軟件、報表組態(tài)軟件等，以及完成工程的編譯、下裝、項目管理、工程管理等功能。組態(tài)管理軟件應該符合IEC61131-3的控制算法編程軟件，支持CFC、SFC、LD、ST組態(tài)語言，支持用戶自定義各類功能塊和腳本語言。任何組態(tài)修改均可在線完成，包括對控制算法、硬件配置的增加、刪除、修改，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、圖形組態(tài)、系統(tǒng)配置等各項組態(tài)內(nèi)容，都可以做到現(xiàn)場不停車無擾下裝與修改，大大提高系統(tǒng)的可維護性以及可用性。組態(tài)軟件需關(guān)注控制功能的完善程度，如報警診斷、自定義、自整定、優(yōu)化算法、復雜算法、行業(yè)應用包等。

2）在線運行軟件

監(jiān)控系統(tǒng)面向操作者，以模擬流程圖、棒狀圖、數(shù)值表、趨勢曲線、報表、按鈕、對話框等方式為用戶提供數(shù)據(jù)，執(zhí)行操作指令并發(fā)送至現(xiàn)場控制站。監(jiān)控系統(tǒng)面向操作者，以模擬流程圖、棒狀圖、數(shù)值表、趨勢曲線、報表、按鈕、對話框等方式為用戶提供數(shù)據(jù)，執(zhí)行操作指令并發(fā)送至現(xiàn)場控制站。在線允許軟件需關(guān)注支持的系統(tǒng)規(guī)模、人機界面優(yōu)化性、報警診斷完善、操作質(zhì)量下發(fā)指令實時性、畫面響應時間、歷史存儲數(shù)量和時間等參數(shù)。

通過監(jiān)控系統(tǒng)，操作者和工程師可以完成：監(jiān)控自動控制過程，實時人工干預，自動打印或者按需求打印工作報表等任何所需資料，還可以通過廠級監(jiān)控的MIS等網(wǎng)絡將畫面和數(shù)據(jù)提供給管理者?？梢酝瓿蓪崟r數(shù)據(jù)采集、動態(tài)數(shù)據(jù)顯示、過程自動控制、順序控制、高級控制、報警和日志檢測、監(jiān)視、操作，可以對數(shù)據(jù)進行記錄、統(tǒng)計、顯示、打印等處理。

3）控制器軟件

用來完成現(xiàn)場信號采集、工程單位變換、控制和聯(lián)鎖控制算法、控制輸出、通過系統(tǒng)網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)和診斷結(jié)果傳送到操作員站等功能。

4）輔助軟件

用于完成DCS系統(tǒng)的一些輔助組態(tài)和系統(tǒng)查詢、管理功能，包括：OPC通訊軟件、歷史離線查詢工具、系統(tǒng)升級工具、軟件版本管理工具、系統(tǒng)仿真軟件、授權(quán)管理工具等。