DCS系统与调试讲义

全国化工仪表维修工技师、高级技师培训辅导讲义——第七讲：DCS系统结构与调试-61-第七讲DCS系统结构与调试1DCS系统概述1.1DCS系统的概念什么叫DCS？（DistributedComputerSystem–被分散的计算机系统）是以应用微处理器为基础，结合计算机技术、信息处理技术、测量控制技术、通信网络和人机接口技术。实现过程控制和工厂管理的控制系统。实质→利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制。通常DCS系统又称为集散控制系统。1.2DCS系统的发展过程◇1975年美国Honewell公司推出的TDC2000DCS系统是一套具有很多微处理器的分级控制系统，用分散的控制设备来控制分散的过程对象，并将它们通过数据高速公路与基于CRT的操作站相连接，相互协调，一起实现工业过程的控制和监测，它实现了控制系统的功能分散、负荷分散及危险分散。在此期间世界各大公司也相继推出了自己的第一代DCS系统。其代表的DCS系统如：美国Taylor—MOD3、英国Kent—P-4000、德国Siemens—Telepermm、日本YOKOGAWA—CENTUM等。◇20世纪80年代初期，跟随半导体技术、CRT技术、Control技术、communication技术的发展，第二代DCS系统在原有基础上进一步提高了可靠性，新开发的多功能过程控制站、增强型操作站、光纤通信等更加完善了DCS系统。其显著特点是：采用模块化、标准化设计，数据通信向标准化迁移，板级模块化、单元结构化，系统更具有适应性和可扩展性。控制功能更加完善，它能实现过程控制、数据采集、顺序控制和批量控制等功能。其代表的DCS系统如：美国Honewel—TDC3000、美国Taylor-MOD300、美国Bailey—Network90等。◇1987年美国Foxbor公司推出的I/ADCS系统，在通信上进行了极大的改进，标志着第三代DCS系统的出现。其特点表现在实现了更为开放式的系统通信，向上能与MAP和Ethernet接口，或者通过网间联接器与其它网络联接，构成复合管理系统；向下支持现场总线，它使得过程控制或车间得智能变送器、执行器合本地控制器之间实现可靠的实时数据通信。其代表的DCS系统如：美国Honewel—TDC3000（增强型）具有UCN网络、意大利ElsageBaiey＿infin-90，具有Plant-loop、日本YOKOGAWA—CENTUM–XL，具有V-NET网络等。◇20世纪90年代中期，第四代DCS系统跟随计算机和操作系统软件技术的发展，以管控一体化形式出现了。在操作站和上机管理系统上得到了很好的发展，操作界面采用了通用的UNIX和WINDOWS系统平台，管理和操作软件通用性更强、通信更加开放，尤其是以太网技术发展和广泛被应用，完善了信息管理、通信协同处理等综合管理。其代表的DCS系统如：美国Honewell—TPS/PKSGS3000系统、日本YOKOGAWA—CENTUM–CS3000系统、意大利ElsageBaiey＿infin-90OPEN系统等。1.3DCS系统的特点DCS系统在经过短短30年的发展，已经是一套优点非常突出的、广泛被认可的自动化仪表设备。其特点表现为：①自主性组成DCS系统的各个工作站，都是独立自主地完成自己的任务，并且各个工作站的容量可扩展，配套软件可随时加载，每一个工作站都时一个能独立运行的高可靠性的DCS子系统。②协调性组成DCS系统的各个工作站间，用实时可靠的工业控制局部网络接口连接使整个系统信息共享，保证了系统从总体功能及优化处理方面具有充分的协调性。③在线性和实时性全国化工仪表维修工技师、高级技师培训辅导讲义——第七讲：DCS系统结构与调试-62-可通过人机接口和I/O接口，对过程对象的数据进行实时采集、分析、纪录、监视、操作控制，可在线对系统结构、组态软件修改，对系统局部故障在线维修。④高可靠性→从结构上系统采用了容错设计，使得在任一单元故障的情况下，仍然保持系统的完整性。→从硬件上看，系统的所有硬件均可冗余配置，电源、操作站、控制站、通信链路均采用双重化配置。→从软件上，采用程序分段与模块化设计、积木式结构、采用程序卷回或指令复执的容错设计。→电磁兼容性设计，具有抗干扰、相互隔离。→系统自诊断和冗余切换，保证系统在线快速故障判断和故障排除设计。⑤适应性、灵活性和可扩展性硬件和软件采用开放式、标准化设计，系统积木式机构，具有灵活的配置可适应不同用户的需要。用户工厂的任何参数、控制方案、点、回路增减，能方便的修改扩展。⑥友好性DCS软件面向工业控制、工艺、生产技术人员，采用亲切友好、简捷直观的人机界面。高分辩CRT交互图形显示，复合窗口技术，使得画面丰富。控制、显示、趋势、流程图、报表、报警等具有实时性。2DCS系统构成2.1DCS系统的硬件结构DCS的结构是一个分布式系统。它采用标准化、模块化和系统化设计，从整体逻辑结构上看：是一个以通信网络为纽带的集中显示、操作、管理，过程控制相对分散，具有配置灵活、组态便捷的多级计算机控制系统。如图所示：一般DCS系统的硬件结构示意图硬件结构主要可分为三大部分。（伴随数据采集站和上位监控计算机的加入，硬件结构又加入两部分被分为五大部分，但本质上说：DCS系统硬件结构还是分为三大部分为准确）2.1.1控制站◇控制站是直接与现场的传感器、变送器、执行器相连，完成过程参数的直接采集和控制，接收和提供与操作站通讯准备。现场控制站一般由模块化卡件构成，它们又可分为公共部件卡和I/O卡件两大部分。①公共部件卡：是指构成一套DCS系统都必需有的电源部件卡、主控制部件卡、通讯部件卡等。②I/O卡件卡：是指DCS系统与现场过程参数连接的接口，如：模拟量输入输出部件卡、数字量输入输出部件卡、热电欧/热电组输入部件卡、脉冲量输入输出部件卡等。◇现场控制站是一套可独立运行的计算机监测和控制系统，由于其设计是针对过程控制，其机柜、电全国化工仪表维修工技师、高级技师培训辅导讲义——第七讲：DCS系统结构与调试-63-源、控制计算机、I/O接口有别于普通计算机。2.1.2操作站（CRT）和工程师站：◇DCS的操作监测和管理系统，它承担系统与外界联系的界面任务，它的组成部分是操作站（ProcessOperatorStation或者Operatorstation），一个DCS系统操作站它通常由一个CRT、一个操作键盘/鼠标、一台控制计算机组成。但多数DCS系统操作站是由两台以上的操作站相互冗余配置。◇工程师站和操作站在硬件上并无更多区别(指现在的DCS系统)，大多情况下直接用操作站来替代工程师站。◇操作站和工程师站的功能，操作站具有过程显示和操作、现场数据的收集和恢复显示、数据通信、系统诊断、系统配置和组态、仿真调试等功能。◇操作站具有过程显示和操作通常有：总貌和流程画面显示、状态显示、操作组显示、趋势实时/历史显示、报警/报表显示等。◇作为工程师站和操作站具有多种组态功能，包括数据库生成、历史纪录/趋势/报表/报警组创建、流程画面生成、操作组生成、控制系统回路组态、逻辑组态、硬件定义等组态。2.1.3DCS通信系统DCS通信系统它是实现DCS集中管理和分散控制的关键，是整个DCS系统的信息传输纽带，是一种高性能的工业控制局部网络。它实现了DCS系统中操作站（工程师站）、控制站等设备间信息、命令和数据的传输和发送以及DCS系统与外界系统的交互。DCS通信系统具有如下特点：◇快速实时响应能力一般办工自动化网络响应时间是几秒钟，DCS系统工业控制局部网络响应时间是0.01~0.5秒钟（现在大多能达到50毫秒）。◇高可靠性DCS系统工业控制局部网络采用1:1冗余配置。◇环境适应性采用信号调制技术、光电隔离技术等，能有效抗击工业环境中各种干扰。适应恶劣的工业现场环境工况。◇开放系统互连可操作性现有的DCS系统不同厂家大多采用了开放系统互连标准，2.1.4数据采集站数据采集站与控制站具有同一构成级，它将现场过程采集，打包、自由竞争、点对点等方式传通过数据传输公路传输给上位计算机，数据采集站是上位计算机与现场的接口。2.1.5上位监控计算机上位监控计算机，它是DCS系统的主计算机(工厂调度管理计算机)，它综合监视管理全工厂各DCS系统的信息。一般都能进行大型的、复杂的计算和一些优化控制。具有多输入/输出控制功能，实现管控一体化。2.2DCS系统的软件DCS系统的软件由实时多任务操作系统、数据库管理系统、数据通信软件、组态软件和各种应用软件组成。实时多任务操作系统、数据库管理系统、数据通信软件一般被统称为系统软件，组态软件和各种应用软件（仿真软件）一般被统称为过程控制软件。2.2.1DCS系统软件系统软件由DCS厂商提供的、通用的、面向计算机的软件，系统软件是具有支持开发、生成、测试、运行、诊断和程序维护（编辑修改）功能的工具软件。2.2.2DCS组态软件组态软件是由用户根据需要现场编写和生成的，它可以分为DCS系统硬件组态和DCS系统软件组态。◇DCS系统硬件组态组是根据现场的使用要求来确定硬件的模块化配置，如：操作站的选择、控制站的配置、电源的选择（内部/外部供电方式）、相关卡件地址、通讯速率设置、冗余配置状况等。◇DCS系统软件组态它比硬件组态要多得多，它包括：数据库生成、历史纪录、图形生成、报表生成、回路控制组态、顺序逻辑组态等。全国化工仪表维修工技师、高级技师培训辅导讲义——第七讲：DCS系统结构与调试-64-A、确定输入信号B、确定I/O卡件类型C、确定通道D、确定电源方式E、确定系统离线F、通道组态添加（PCU）G、PCU功能块添加组态H、数据库添加组态I、历史纪录添加组态J、操作画面添加组态K、DCS系统硬件组态、检查L、组态软件下装M、组态软件运行N、软件调试O、DCS系统投运3DCS系统调试DCS系统调试是确保DCS系统安全稳定、准确可靠运行至关重要的一步工作。它是在DCS系统机柜现场安装完毕，按照设计图纸、电缆表全部接线完成，DCS系统软件组态和硬件组态初步完成，系统准备上电开始的，直至DCS系统全部正常运行所进行的工作。调试包括：技术资料、器具准备、硬件检查、软件下装、功能试验、精度、量程、零点、信号报警、通道检查、试验、抗干扰接地、静态回路试验、记录整理等工作。对于一般DCS系统调试来说，大体可简单分为4个步骤进行：系统调试前的常规检查、系统调试和回路联调、系统状态调试、记录整理。在这里系统调试是指DCS系统调试，而回路联调是指DCS系统与现场在线仪表连接调试。3.1系统调试前的常规检查①环境检查：检查主控室、现场控制站空调、照明系统，温度、湿度是否达到DCS系统使用环境要求。②系统接线检查：系统接线检查可分为DCS系统硬件设备机柜查线、机柜内部硬件间查线、现场仪表至控制室查线3步进行。要求准确无误，接线牢靠。对系统供电单元查线应专项进行。③系统接地电阻检查：用接地电阻测定仪检查本质安全接地、系统工作接地、安全保护接地等3类接地系统，要求符合《分散型控制系统工程设计规范HG/T20573-95》或DCS厂家给出的要求(一般不得大于4Ω)。通常DCS系统接地是需要单独做接地级，不应该与工厂接地系统搞在一起。④导线屏蔽检查：现场到控制室控制导线应该采用屏蔽电缆，导线的屏蔽层的引出线应确保是单端（现场侧或控制室侧）接地。⑤本质安全接线路中绝缘强度检查：应采用50Hz交流电压，进行1分钟绝缘强度试验，不被击穿。本质安全线路对地为本质安全线路工作电压的两倍;本质安全线路与非本质安全线路之间为本质安全线路工作电压与非本质安全线路工作电压之和的两倍加1000v。⑥导线绝缘电阻检查：将导线与设备断开悬空，用500VMΩ表进行对地检查，信号线路不小于2MΩ，补偿导线不小于0.5MΩ，低于4Vdc线路不小于0.1MΩ，系统电源带电部分于外壳不小于5MΩ。⑦供电单元检查：系统供电单元需做熔断容量检查和负载性能（带假负荷）试验，结果应符合硬件设备指标和工程设计技术要求。对UPS电源应检查自动