DCS系统介绍（DCS系统介绍）

分散控制系统（DCS）介绍

一、系统概况介绍

二、数据库（点表、点目录）介绍

三、控制站组态介绍

一、系统概况介绍

1、基本概念

分散控制系统英文简称为DCS（Distributed Control System），具备分散布置、集中控制的特点，应用于各种过程自动控制系统。

2、DCS系统的组成

DCS系统由硬件和软件两大部分组成。

（1）硬件包括：工程师站、操作员站、历史站、I/O卡件、通讯卡件、现场控制站等。

工程师站和操作员站本身就是电脑，之所以叫不同的名称，是因为每一台电脑安装的软件和具备的功能不同，在实际应用中充当的角色也不同，同时代表着权限的不同。

① 工程师站：简称ENG,是电脑安装了组态软件，是现场专业工程师用于编写、修改控制逻辑程序，包括修改图形、参数设置、数据库组态、离线查询等等，它的权限高于操作员站，可把它比作“后台”理解。

② 操作员站：简称OPS或OPU，是电脑安装了操作员软件，它是生产工艺系统的操作员用于监视、操作调整、在线查询、报警等等，它的权限要低于工程师站，可把它比作“客户端”理解。

③ 历史站：是用来存储历史数据的，包括历史曲线、历史报警、历史操作记录等，历史站可以是单独也可跟工程师站、操作员站合并在一起，就是一台电脑既是历史站，也是工程师站或操作员站。

④ I/O卡件：是按照一定的需求和比例布置在各个控制柜内，“I”意为输入，是现场的信号进入DCS系统的；“O”意为输出，是由DCS系统发出的信号，所以有些卡件被称为输入输出模块，由于输入输出的信号分为不同的类型，所以I/O卡件按照作用也分为不同类型的卡件，主要的还是模拟量输入（AI）卡件、模拟量输出（AO）卡件、开关量输入（DI）卡件、开关量输出（DO）卡件。

⑤ 通讯卡件：是用于接收和发送数据信号用的，可以是DCS系统与系统之间，也可是DCS系统与不同的系统、不同设备之间进行通讯，是基于某种类型的协议，通过发送、传输、接收、解析来实现数据的获取和显示。通讯是基于某种协议的，常见协议或通讯有TCP/IP、Modbus、OPC等。

⑥ 现场控制站：是布置I/O卡件的控制柜，一般控制柜内布置由CPU控制器、各类I/O卡件、供电电源、网络交换设备以及各种连接线。若单台控制柜的空间不能布置一个系统信号点数的卡件，可以再加一面柜子，所以就有了主柜（带CPU控制器）和扩展柜。

（2）软件包括系统数据库组态、逻辑组态、图形组态、离线查询软件等。

① 数据库组态：也可称为点目录或点表，就是整个工艺过程里由DCS系统监视、控制的现场各种类型的信号点，统计在一起并根据类型进行分类，或者根据信号点所在控制柜内卡件的位置进行分配、整理。最后形成一个目录或点表，数据库的点作为实实在在传输的物理点，是整个系统的基础元素，可比作社会中的个人，DCS系统的组态、控制、调节、显示等都用到数据库点来实现。

② 逻辑组态软件：其实就是专业工程师在工程师站用于各种设备控制程序的编写的软件，是按照一定的先后顺序、逻辑关系、触发条件，用原始点（数据库的点）进行编写实现我们的控制目的。

③ 图形组态：顾名思义就是画图的工具，通过图形组态软件将工艺系统的流程图画出来，然后把测点画到相应的位置，把图下装或发布到操作员站在线。图形组态除了固定图形外，测点或设备还有两大特性：一个是动态特性，主要包括了变色、闪烁、填充等等，这类特性通过图形本身的动态变化来反应测点或设备的状态；另外一个是交互特性，理解这类特性主要是看有没有人机互动，像一些阀门操作、按钮复位、联锁投切等，与工艺系统操作监盘人员发生了信息交换。

④ 离线查询软件：历史数据文件可以拷出，通过离线查询软件进行查询、分析。

3、DCS系统辅助系统

一个DCS系统中还包括：电源系统、网络系统、接地系统。

（1）电源系统

DCS系统会配置电源分配柜，电源柜内包含来自电气侧的两路电源：保安电和UPS电，然后这两路电源再进行分配分别、同时对操作员站和现场控制站进行供电。进入现场控制站后，通过电源模块转换成对应的48VDC、24VDC，将电源提供给卡件。

（2）网络系统

DCS系统会配置网络交换机柜，通过交换机将上位机（工程师站、操作员站）和下位机（现场控制站）进行网络连接，除去其它需要通讯的网络，上位机和下位机的网络为作用相同的双网冗余，互为备用。

（3）接地系统

起初DCS系统接地分为：保护地、逻辑地、屏蔽地。

① 保护地：就是现场看到的控制柜之间、操作员站操作台之间连接的接地，最终引出一根线至DCS系统接地柜的接地汇流铜排后，接至厂区电气接地网，要求单端接地，也有单独为DCS做接地桩的。

② 逻辑地：也叫机器逻辑地、主机电源地，是计算机内部的逻辑电平负端公共地，也是+5V等的电源输出地。如CPU的正负5伏、正负12伏的负端，需要接入公共接地极，要求单端接地。

③ 屏蔽地：也叫模拟地，就是将现场信号电缆的屏蔽层用黄绿接地线引出，接至控制柜内而接地铜排，用于屏蔽信号传输时所受到的干扰，以提高信号精度。信号电缆的屏蔽层必须一端接地，防止形成闭合回路干扰，接入公共接地极，要求单端接地。

4、常见卡件介绍

（1）模拟量输入卡件（AI卡件）

此类卡件主要常见的包括接收电流4-20mA、热电阻、热电偶的卡件，根据情况卡件也可以接收0-20mA及电压信号。

① 接收现场来的4-20mA电流信号的卡件，一般为8个通道。信号主要来自与现场的压力、流量、液位、电流、频率等等，即接收现场来的4-20mA电流信号，同时对应该模拟量点的量程上-下限。

该卡件的通道接线方式分为两种接法：一种是现场仪器仪表需要卡件（DCS侧）来提供电源的，也对应我们常说的两线制仪表，如压力变送器等；一种是现场仪表不需要卡件（DCS侧）提供电源的，如四线制仪表、电流信号等等。同时，接线注意正、负极信号。

② 热电阻卡件

接收现场热电阻温度元件电阻信号的卡件，一般为8个通道。通道接线方式为三线制接法，重要的是分清哪一芯线是公共端，确认后接到卡件对应的公共端通道上，另外两根线来自于热电阻元件的同一端，接到对应的通道上，三线制热电阻可以消除内引线的影响，提高测量精度。

③ 热电偶卡件

接收现场热电偶毫伏信号的卡件，一般为8个通道。接线为补偿导线，按正、负极进行接线。

（2）模拟量输出卡件（AO）

DCS系统AO卡件常见的是发出4-20mA电流信号，一般为8个通道。接线方式按正、负极进行接线，主要用于调节阀、变频器等的给定，从而实现控制调节。

（3）开关量输入卡件（DI）

接收现场输入至DCS的开关量触点，如电限位开关、液位开关、接近开关等等，一般为16个通道。接线方式按正、负极进行接线，需要注意的是，该卡件通道上提供24V或48V的直流电压，可被称为查询电源，可通过测量该电压判断信号的通、断；一般情况下卡件是共负端的，意思就是所有的负端是通的。

（4）开关量输出卡件（DO）

DO卡件主要是用于现场电机的启停、阀门的开关，一般为16个通道。接线方式可通过常开或常闭触点，接至现场设备控制回路，常开、常闭共用一个公共端通道。

二、数据库（点表、点目录）介绍

1、DCS数据库点表的产生和内容

DCS系统工程在建立之前，有一个不可缺少的阶段就是前期准备工作，该阶段收集的信息决定着DCS系统整体的设计和规划。

数据库点表的点按来源可以分为两部分：

（1）来自于设备厂家和设计院提供的工艺系统图纸，在DCS控制柜内看的见摸得着接线的点，详见表格。

（2）来自于DCS组态过程中，因为需要逻辑计算、判断、控制等中间转换，而定义的中间量点，中间点也分为模拟量型和开关量型。有的还包括定义的设备控制逻辑功能块点，通过此点代表一个设备。

前期准备工作需要对设备厂家和设计院提供工艺系统图纸上的点进行收集、整理、归纳、分类，并统计各类型的数量，最终形成了初期的数据库点表。

此时的点表内还未包括因逻辑组态产生的点。

2、初期数据库点表的作用

当我们把初期数据库点表提资后，接下来根据数据库点表可以做什么呢？

（1）可以统计DCS系统工程所需每种类型卡件的数量。

前面文章提到常见卡件通道的数量，一个通道代表一个点。但是我们在考虑每种类型点的数量时，不仅要统计点表中的数量，还要加上每种类型备用点（备用通道）的需求，以便于后期再增加仪表、设备或者使用中通道故障后，更换至备用通道。备用点数量也被称作裕量，一般按每种类型设计数量的15%～20%。

所以DCS系统卡件数量由初期数据库点表和备用点得来的，例如：

计算后数量带小数，此时按15个AI卡件配置，同样的道理可以得到AO、DI、DO卡件的数量。

（2）搭建现场控制站

① 若生产工艺系统规模较小，可利用1对CPU主控制器和统计的各种类型的卡件，搭建一台现场控制站。一台现场控制站需配置冗余的2块CPU主控制器。

② 若生产系统规模较大，可根据生产过程的各个分系统搭建多台现场控制站，例如发电厂常见的汽水系统、风烟系统等；也可按照主设备的数量进行搭建，例如#1设备系统、#2设备系统等。

此时需要对数据库点表进行按所在系统进行整理归纳，然后再进行核算每个系统所需卡件，最终把分好的卡件布置到各个现场控制站内。

（3）出具DCS系统电缆清册

全部的数据库点表整理完成，现场控制站搭建完成后，就可以针对不同的信号，进行电缆选型，结合现场测点所在的位置和现场控制站，从而确定电缆敷设的起点和终点，出具DCS系统电缆清册。

3、数据库点包含的基本信息

四种类型信号点常见的基本信息，也可以里理解为点的属性，不同品牌的DCS系统组态的位置有所不同，有的在数据库内，有的则是在站控制器内进行查询、修改等操作。

（1）共有的属性信息：点名、点描述、所在控制站号、卡件号、通道号。

（2）AI点还包括：量程上限、量程下限、单位、高限报警、低限报警等。

（3）AO点还包括：量程上限、量程下限等。

（4）其它的信息均是类似于参数设置的项，例如：模拟量的小信号切除、线性开方、速率设置、小数点设置等等；开关量的取反、状态报警等。

（5）自定义的中间模拟量、开关量点与以上物理点包含的信息相同。

4、点属性的释义

（1）点名：

① 点名可以根据标准代码、设备号、流水号等展现形式和意义的代码组成，例如：压力（PI）、压力开关（PS）、温度（TE）、流量（FT）、流量开关（FS）等等。

② 点是逻辑组态、图形组态等的基础元素，逻辑组态、图形组态均是以输入点名进行调用、运算和显示的。

（2）点描述：一个测点的中文描述。

（3）控制站号、卡件号、通道号：

通过点的这个信息我们可以准确定位到DCS控制柜内现场测点的输入接线，进而可以进行信号的测量、接线的检查。需要说明的是，不同品牌的系统站号、卡件号、通道号的起始数字会有所不同，有的是从0开始，有的是从1开始，当我们查线时，注意要跟个人数数字的习惯区分开，避免误动的情况发生。

（4）量程上、下限：主要还是根据设备说明书、工艺系统参数的要求来设定的，当然也有一部分是固定的，例如：阀门的开度，频率等。

不同品牌的DCS系统会存在不同的差异，希望利用通俗的解释帮助大家更好的认识和理解DCS系统的一些基础知识，可以结合自身所接触的DCS系统进行更进一步的学习，便于工作的开展。

三、控制站组态介绍

1、新建工程

打开工程组态软件，不同品牌的组态软件略有不同，在菜单栏中找到新建工程，然后对新建的工程进行命名，设置用户名和密码，此时整个生产项目的工程建立完成，接下来DCS涉及到的硬件配置、逻辑组态、图形组态等等都是在该工程目录下完成的。

2、添加操作站

这里的操作站指的是工程师站、历史站、操作员站，可以是同一台电脑兼具3种功能，也可以具备其中2种。

根据前期准备工作确定工程师站、历史站、操作员站的数量，进行添加。DCS系统配置多少台电脑，就添加多少个操作站。

然后对每台电脑担当的角色进行定义，分别设置编号、级别（工程师或操作员站）、IP地址设置（A、B网冗余）、是否兼具历史站、报表打印站等。

逐一将现场的电脑主机进行组装、上电，同时安装DCS系统软件（软件一般出厂时，已按要求安装），根据软件操作站的配置，安装需选择单台操作站所具备的级别和功能，或者说所担当的角色，完成后设置电脑IP地址。

这样软件中配置的操作站与现实中配置的操作站硬件设备功能、地址就对应起来了。

3、添加控制站

根据前期统计和分配的系统和卡件数量，确认现场控制站的数量进行添加，每台控制站要检查其编号、IP地址。完成后，进入控制站按要求添加不同类型的卡件。

系统的结构如图所示，从图中可以看出：

① 上、下位机是按照逻辑位置区分定义的，上位机指的是操作站；

② 下位机指的是现场控制站或者说是现场控制站内的CPU控制器；

③ 操作站电脑应当至少配置2块网卡，其它功能要求除外；

④ 单台现场控制站配置2块冗余的CPU控制器，每1台控制器需配备A网、B网，所以进入现场控制站的网线至少为4根，其它功能要求除外；

⑤ 通过设置的IP地址和网络的连接，操作站与操作站、操作站与控制站之间可以相互访问，从而实现后续的程序下装、图形发布；

⑥ 每个DCS系统均有一个这样的系统状态图，可以判断系统网络是否正常、操作站或控制站是否离线、控制站点击进入后查看卡件状态是否正常；

⑦ 现实中的DCS系统硬件，在软件中均能找到对应的信息，是一一对应的，所以在查线、查信号时，由软件内的信息确认控制柜内测点的位置，反之亦然。

4、下装

下装、发布主要指的是逻辑和图形，部分DCS系统修改逻辑是在线修改，这种方式就不存在下装了，修改完成后保存即可，需要注意的是在线修改是在某一个控制器上进行的，修改完成后还要拷贝至从控制器。

逻辑下装是把工程师修改的离线逻辑，下载到控制器内，转化成在线的逻辑。

图形下装是把工程师站修改保存的离线图形，下载到对应的操作员站。操作员站读取的是本地工程文件目录下的图形文件，下装就是将工程师站文件目录下的图形文件，可以理解为“底图”拷贝至操作员工程文件目录下，并且替换掉旧的图形文件。