1、目前 DCS 系统的设计理念为高可靠性、高可用性相结合的设计理念；所有的核心组件全部支持冗余设计。总体设计在硬件结构上分为两个流派：集中板卡式和分散模块式。集中板卡式：机柜先安装机笼，I/O 模块以板卡形式插在机笼中。这种安装方式的优先是抗震性能好，电路板上方便布置多器件，因而通道数量较多。缺点是受机笼限制，安装不灵活。因另外需要控制布置接线端子，占用空间大，只能证明布置卡件，反面布置接线端子板，需要采用专门机柜。分散模块式：机柜无需机笼，I/O 模块以独立模块形式安装在机柜中。这个安装方式的优点是灵活方便可以在任意空间安装、占用空间小、散热良好。缺点抗震性能低于板卡式。因模块体积小，通道数量
2、会受限制。随着电子元器件的发展，小型化、智能化是发展趋势，模块式越来越显示出灵活多变的优势，板卡式初步淘汰。因此 YOKOGAWA 和 Honeywell 都完成了由大板卡式向小模块式的转变， ABB 全系列。Emerson 的 DeltaV、Invensys 的 I/A、Ovation 等都采用分散模块结构。国内的和利时的最新 K 系列和浙江中控的 ECS700 都采用分散模块式结构。总体设计在软件结构上分为两个流派：对等网结构（P/P）和客户/服务器 C/S 结构。对等网结构（P/P ）：控制站同操作员站的地位对等，通讯方式点对点。优点是通讯不依赖于通讯节点，危险相对分散。缺点是一个域的系
3、统规模受限制。数据处理量也受限制。难以适合核电等超大规模系统结构。客户/服务器 C/S 结构：控制器和操作站的通讯通过服务器节点通讯。优点是利于做大型和超大型系统，缺点是通讯依赖于冗余的服务器节点，对服务器的可靠性要求高。鉴于对等网结构（P/P ）和客户 /服务器 C/S 结构各有优势，最先进的系统是可以混合结构，两种通讯结构都支持，而且可以同时存在于一套系统中。如 Honeywell 的 PKS-C300 系列和和利时的 MACS-K 系列。既可以危险分散又可适应大规模。硬件选型1）控制器控制器选择的考虑因素主要有响应周期、带模块能力和扩展能力。运算周期决定用于装置需要的反应速度；带模块能力
4、决定了系统规模；扩展能力决定了接第三方仪表的能力。2）响应周期控制器的响应周期包括采样周期和运算周期两部分，采样周期取决于 I/O 模块采样速度和I/O 模块总线速度。运算周期取决于 CPU 运算速度。先进的控制器通常具备可设置不同的运算周期以满足控制的需要。通常为 100ms、200ms、500ms 、1000ms 、2000ms 可选，不同的控制对象可以用不同的运算周期，是衡量控制器技术是否先进的重要标志。选择控制器的运算速度不能只看 CPU 的主频，因为不同的系统构架，系统运算的效率差别较大。目前主要有基于 PowerPC、ARM 和 X86 构架，其中 X86 构架的 CPU 虽然主频
5、很高，但运算效率不一定很高，同样构架下采用 RISC（Reduced Instruction-Set Computer）指令相比 CISC（complex instruction set computer）指令效率更高。对于常规控制回路要求从 IO 经过 PID 运算，至 AO 输出的累积响应周期最快可达到250ms、500ms 和 1000ms 三档，同时控制器应具备快速控制能力，从 IO 经过 PID 运算，至 AO 输出的累积响应周期最快可达到 120ms。3）带模块能力带模块能力决定了单控制站系统规模，大多数 DCS 系统都在 60120 个范围，市面上单模块点数在模拟量 8/16 点
6、，开关量 16/32 点。单控制站容量在 600-1200 点左右。带模块能力与控制响应速度是一对矛盾，当响应时间短的控制场合，需要相应减少带模块数量。特别要限制快速控制回路模块数量。一般以控制器负荷不大于 50%为最终要求。4）扩展能力需要现场总线仪表接入的场合，要求控制器具备第三方总线仪表接入的能力，目前是 DP总线、PA 总线、Modbus 总线和 FF 总线较为普遍。这就要求控制器具备下挂网关总线模块的能力。控制器冗余是 DCS 选型的必须要求，冗余切换的时间一般要求不大于 2ms，这对于现代电子技术来说很容易，诊断电路的快速和准确性，决定了切换的时间。但软件的无扰切换直接影响现场设备
7、，因此软件输出数据的无扰切换是才是衡量控制器冗余技术的关键技术。一般要求不大于最小控制周期。因此两个控制器的数据同步技术是保证无扰切换的关键。DCS 控制器冗余原理见图 4-1-2。图 4-1-2 DCS 控制器冗余原理图5）通讯网络控制器与人机界面操作站之间的通讯网络一般由以太网构成的冗余网络。通讯速率为100/1000Mbps.控制站与内部 I/O 模块之间的网络一般有自定义的冗余总线构成，通讯速率为 500Kbps 到 10Mbps 不等。控制器与 I/O 模块的总线分为并行总线和串行总线两种，因串行总线在抗干扰，可扩展性要更好，已经形成发展大趋势。网络具有物理层和协议层双重隔离，通讯负
8、荷要求不超过 40%。6）电源设计DCS 电源交流为 AC220V 为主，电源输入稳定度要求不大于 10%，频率输入稳定度不大于 2%。 DC24V 电压输出波动不大于 5%，DC48V 电压输出波动不大于 10%。DCS 实际分为模拟部分电源和数字部分电源两大部分供电，要求系统自带电源将模拟部分和数字部分隔离供电。电源也要求冗余供电，且要求只剩单个电源时，负载不超过额定功率的 70%。现场仪表设备的供电要求与 DCS 系统隔离供电。电源要求有自保护功能，局部误接入高压或外部设备短路，不会造成控制站电源系统故障，系统电源模块故障次数不大于 2 次/年。7）IO 模块选型IO 设计从开始推出时的
9、单点卡，到后期的多点卡，高密度卡；系统的模块采用背板插装方式，到目前逐步采用独立模块设计；系统的整体设计可靠性提升，且最大便利提供用户的易维护性。任意模块故障不影响其他模块，任意通道故障不影响其他通道，系统中I/O 模块故障次数不大于 4 次 /年。模块类型应该满足目前国际上通用的信号采样标准：AI、AO、DI、 DO、PI（脉冲输入）、SOE、RTD、 TC 等。I/O 卡配置原则:控制用 AI/AO 卡应 1：1 冗余配置。联锁用 DI/DO 卡应 1：1 冗余配置。监测用 AI/TC/RTD 通道数不超过 32 点。监测用脉冲通道数不超过 16 点。DI 点通道数不超过 16 点，来自电
10、气的 DI 必须采用继电器隔离。DO 点联锁时卡件通道数不超过 16 点，必须采用继电器隔离。危险气体监测卡需要单独设置卡件。系统一般预留 20%的备用卡件，同时预留 15%的扩展空间。全部 I/O 卡基于恶劣的工业环境设计，符合 EMC 的设计规范，应带电磁隔离或光电隔离，抗干扰性符合工业环境下的国际标准 IEC61000。有防腐需要时系统防腐蚀能力满足 ISA S71.04 标准 G3 等级要求。 I/O 模块需要有断线、短路、超量程、通讯等报警功能。需要防爆的场合，需要选配安全栅或带本安防爆的卡件。控制 I/O 模块要求冗余配置，常用的是 AI 冗余有两种原理，以 Honeywell C
11、300 硬件为代表采用并联冗余机制，原理是将电流信号通过同一个 250 欧姆电阻，转换为电压信号，再并联两个测电压模块同时测量，同时送控制器，由控制器挑选品质好的模块运算。并联式冗余示意图如图 4-1-3。图 4-1-3 I/O 模块并联式冗余示意图以 Yokogawa CS3000、Emerson DeltaV 为代表的采用切换式冗余机制，原理是冗余的模块内藏切换开关，只有主模块开关才接通，备用模块开关不接通。切换式冗余示意图如下：图 4-1-4 I/O 模块切换式冗余示意图并联式冗余和切换式冗余各有利弊：并联式冗余优点是不存在切换后重新建立稳态的时间，响应速度快，缺点是共用一个取样电阻，危
12、险集中，一旦该电阻损坏，两个模块都不起作用了。另外取样电阻同模块分离，精度和稳定性控制难度大。切换式冗余优点是危险分散，没有共用器件。取样在模块内部一体化，精度和稳定性高。缺点是切换后需要重新建立稳态工作环境，时间比并联式长。现场总线通讯模块主要包括：1）Serial Card 串行通讯模块，主要用于 Modbus 等协议通讯。2）Foundation FieldBus Card FF 总线通讯模块。3）ProfiBus DP/PA Card ，用于 DP/PA 总线通讯。4）Wireless Communication Card，用于无线仪表通讯。5）DeviceNet 和 AS-Inter
13、face，工厂自动化主流现场总线。现场总线模块需要同第三方总线设备进行兼容性测试通过后，才能选型具体总线仪表，否则将有通讯不兼容风险。同传统仪表不同，总线仪表在使用过程中，与通讯模块的配合升级将难以避免。因此维护工作需要较高的水平。软件选型1）组态管理软件组态软件用来配置、部署和管理整个 DCS 系统，承担组态流程中主要的组态过程。离线组态软件包括工程总控、图形编辑、控制逻辑组态软件、报表组态软件等，以及完成工程的编译、下装、项目管理、工程管理等功能。组态管理软件应该符合 IEC61131-3 的控制算法编程软件，支持 CFC、SFC、LD 、ST 组态语言，支持用户自定义各类功能块和脚本语言
14、。任何组态修改均可在线完成，包括对控制算法、硬件配置的增加、删除、修改，系统数据库、图形组态、系统配置等各项组态内容，都可以做到现场不停车无扰下装与修改，大大提高系统的可维护性以及可用性。组态软件需关注控制功能的完善程度，如报警诊断、自定义、自整定、优化算法、复杂算法、行业应用包等。2）在线运行软件监控系统面向操作者，以模拟流程图、棒状图、数值表、趋势曲线、报表、按钮、对话框等方式为用户提供数据，执行操作指令并发送至现场控制站。监控系统面向操作者，以模拟流程图、棒状图、数值表、趋势曲线、报表、按钮、对话框等方式为用户提供数据，执行操作指令并发送至现场控制站。在线允许软件需关注支持的系统规模、人
15、机界面优化性、报警诊断完善、操作质量下发指令实时性、画面响应时间、历史存储数量和时间等参数。通过监控系统，操作者和工程师可以完成：监控自动控制过程，实时人工干预，自动打印或者按需求打印工作报表等任何所需资料，还可以通过厂级监控的 MIS 等网络将画面和数据提供给管理者。可以完成实时数据采集、动态数据显示、过程自动控制、顺序控制、高级控制、报警和日志检测、监视、操作，可以对数据进行记录、统计、显示、打印等处理。3）控制器软件用来完成现场信号采集、工程单位变换、控制和联锁控制算法、控制输出、通过系统网络将数据和诊断结果传送到操作员站等功能。4）辅助软件用于完成 DCS 系统的一些辅助组态和系统查询、管理功能，包括：OPC 通讯软件、历史离线查询工具、系统升级工具、软件版本管理工具、系统仿真软件、授权管理工具等。
