DCS系統選型的主要注意事項

1、目前 DCS 系統的設計理念為高可靠性、高可用性相結合的設計理念；所有的核心組件全 部支持冗余設計?？傮w設計在硬件結構上分為兩個流派：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

2、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變，ABB 全系列。Emerson 的 DeltaV 、 Invensys 的 I/A、 Ovation 等都采用分散模塊結構。國內的和利時的最新K 系列和浙江中控的ECS700 都采用分散模塊式結構?？傮w設計在軟件結構上分為兩個流派：對等網結構（P/P ）和客戶/服務器C/S 結構。對等網結構（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

3、規(guī)模受限制。數據處理量也受限制。難以適合核電等超大規(guī)模系統結構?？蛻?服務器C/S 結構： 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，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。鑒于對等網結構（ P/P ） 和客戶/服務器C/S 結構各有優(yōu)勢，最先進的系統是可以混合結構，兩種通訊結構都支持，而且可以同時存在于一套系統中。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。硬件選型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

4、定了系統規(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，因為不同的系統構架，系統運算的效率差別較大。目前主要有基于PowerPC 、 ARM 和 X86 構架，其中X86 構架的 CPU 雖然主

5、頻很高， 但運算效率不一定很高，同樣構架下采用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規(guī)模，大多數 DCS 系統都在60120 個范圍， 市面上單模塊點數在模擬量8

6、/16 點，開關量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量。特別要限制快速控制回路模塊數量。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關總線模塊的能力?？刂破魅哂嗍荄CS 選型的必須要求，冗余切換的時間一般要求不大于2ms ，這對于現代電子技術來說很容易，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

7、場設備，因此軟件輸出數據的無擾切換是才是衡量控制器冗余技術的關鍵技術。一般要求不大于最小控制周期。因此兩個控制器的數據同步技術是保證無擾切換的關鍵。 DCS 控制器冗余原理見圖4-1-2。4-1-2 DCS 控制器冗余原理圖5）通訊網絡控制器與人機界面操作站之間的通訊網絡一般由以太網構成的冗余網絡。通訊速率為100/1000Mbps. 控制站與內部I/O 模塊之間的網絡一般有自定義的冗余總線構成，通訊速率為 500Kbps 到 10Mbps 不等。控制器與I/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，已經形成發(fā)展大趨勢。網絡具有物理層和協議層雙重隔離，通訊負

8、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字部分電源兩大部分供電，要求系統自帶電源將模擬部分和數字部分隔離供電。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場儀表設備的供電要求與DCS 系統隔離供電。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故障，系統電源模塊故障次數不大于2 次 /年。7） IO 模塊選型IO 設計從開始推出時的單

9、點卡，到后期的多點卡，高密度卡；系統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，系統中I/O 模塊故障次數不大于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。聯鎖用DI/DO 卡應 1 ： 1 冗余配置。監(jiān)測用 AI/TC/RTD 通道數不超過32 點。監(jiān)測用脈沖通道數不超過16 點。DI 點通道數不超過16 點，來

10、自電氣的DI 必須采用繼電器隔離。DO 點聯鎖時卡件通道數不超過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 。有防腐需要時系統防腐蝕能力滿足ISAS71.04 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?？刂?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

11、為代表采用并聯冗余機制，原理是將電流信號通過同一個250 歐姆電阻，轉換為電壓信號，再并聯兩個測電壓模塊同時測量，同時送控制器，由控制器挑選品質好的模塊運算。并聯式冗余示意圖如圖4-1-3 。4-1-3 I/O 模塊并聯式冗余示意圖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藏切換開關，只有主模塊開關才接通，備用模塊開關不接通。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式冗余和切換式冗余各有利弊：并聯式冗余優(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

12、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，時間比并聯式長?，F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-Interfa

13、ce ，工廠自動化主流現場總線?，F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。軟件選型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，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

14、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，系統數據庫、圖形組態(tài)、系統配置等各項組態(tài)內容，都可以做到現場不停車無擾下裝與修改，大大提高系統的可維護性以及可用性。組態(tài)軟件需關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)控系統面向操作者，以模擬流程圖、棒狀圖、數值表、趨勢曲線、報表、按鈕、對話框等方式為用戶提供數據，執(zhí)行操作指令并發(fā)送至現場控制站。監(jiān)控系統面向操作者，以模擬流程圖、棒狀圖、數值表、趨勢曲線、報表、按鈕、對話框等方式為用戶提供數據，執(zhí)行操作指令并發(fā)送至現場控制站。在線允許軟件需關注支持的系統規(guī)模、人機界面優(yōu)化性、報警診斷完善、操作質量下發(fā)指令實時性、畫面響應時間、歷史存儲數量和時間等參數。通過監(jiān)控系統，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 等網絡將畫面和數據提供給