仪表DCS控制系统调试
仪表DCS控制系统调试
DCS 系统检查调试
要完成对 DCS 系统的检查和调试，必须首先对系统的结构、原理、操作以及其控制特点充分理解后 才能进行，下面从 DCS 的定义（包含了系统的宗旨和要求）展开分别介绍系统的作用，完成这些功能需 要具备的软硬件配置以及由此形成的系统检查调试要求。
1995 年国际标准化组织（ISO）为 DCS 系统作的定义为：DCS 系统是一类满足大型工业生产和日益 复杂的过程控制要求，从综合自动化角度出发，按功能分散、管理集中的原则构思，具有高可靠性指标， 将微处理机技术、数字通讯技术、人机接口技术、I/O 接口技术相结合，用于数据采集、过程控制和生 产管理的综合控制系统。
可以看出，DCS 系统的技术基础是微型计算机，应用对象是生产过程，技术特点是集中操作、管理 和分散控制。其英文名称为 Distributed Control System（简称 DCS），从过程控制来讲，由于是将计 算机技术应用到自控领域上，因此系统具有双重特性；从过程管理上讲，DCS 又引进了信息通讯技术，这是 DCS 系统检查调试的依据和基本点。
1、典型DCS 系统构成
集散控制系统虽然品种繁多，但一个最基本的 DCS 分为两级（过程控制级和过程管理级），包括四 个大的组成部分：现场控制站（过程控制级）、操作站、工程师站和一条系统网络（过程管理级）。
其中现场控制站是 DCS 核心，完成控制功能（包括机柜间和现场设备，主控制器与 I/O 设备之间使 用控制网络连接）；操作站主要实现人机界面（操作间）；工程师站主要作用是对 DCS 进行应用组态（单 独）；系统网络连接系统各个站，实现数据和信息的传输。
下面以honeywell的TDC3000为例说明系统的构成。
TDC3000 有两条网即局部控制网络（LCN）和通用控制网（UCN）以及其网上设备构成。
LCN 网络 (1)网络设备
LCN 作为过程管理网络除了操作站、工程师站外还挂接了以下设备：应用模件AM（提供高级控制和 计算算法，是 LCN 上的模件）、历史模件 HM（大容量存储模件，存储过程历史数据、系统软件、用户应 用软件等），另外它通过网络接口模件(NIM)与过程网络 UCN 连接（不能直接与现场连接），使其成为一个节点，从而实现对现场的过程管理。
每个LCN 设备都是由电路板和外部设备构成，电路板包含有四个方面：主板、内存板、接口板和特 性板，其中前三个通用，特性板决定了LCN节点类型的板卡，不同设备这块板不同，它提供节点对外部 设备的驱动以及与外部设备的连接，而接口板提供与 LCN 的连接。
NIM 是 TDC3000 中连接 LCN 和UCN 的节点，它既是 LCN 的节点，又是 UCN 的节点，具有双重身份。主要是实现LCN 与UCN 的时钟同步和实时数据交换以及二者间通讯协议和数据格式的转换，LCN 通过NIM访问 UCN 的数据并把程序和数据库加载到 PM 中去，UCN 则上传报警和信息。
冗余设备的主设备节点地址为奇数，副设备节点地址为偶数。
（2）网络通讯
采用总线型通讯网络，“令牌传送”协议；以两条冗余的同轴电缆作为主要传输介质，传输速率为 5 兆位/秒，每段电缆长度不超过 300 米，每条电缆的两端各需要一个 75Ω的端电阻；电缆通过“T”连接器与 LCN 模件上的接口板相连，网络上的模件顺序连接，最多可接 64 个模 件。
（2）UCN 网络
（1）网络设备
过程管理器（Process Manager,PM）—数据采集和过程控制于一体的过程接口装置；逻辑管理器（Logic Manager）；
高性能过程管理器（High Performance Process Manager，HPM）；先进过程管理器（Advance Process Manager,APM）。
其中 PM 由三个部分组成：PM 组件（PM Module，PMM）、输入输出子系统（I/O Subsystem）和现场 接线端子板（Field Termination Assembly）,加上电源等辅助部分一起装在机柜中。PMM 由 5 个卡组 成：
Modem 卡，用于连接 UCN 网络电缆，接收和发送与 UCN 的通讯信号；(对上，连接网络)
Commun 卡，支持网络数据访问、点对点通讯；（支撑网络）
I/O Link 卡，与 I/O 卡件通讯；（对下，面向现场）
Control 卡，完成各种控制运算；（对内，控制功能）
Redun 冗余卡。
（2）PM 与UCN 连接
UCN 网络由主干（Trunk）电缆、支线（Drop）电缆和“Tap”连接器把各个设备连接起来，电缆采用同轴，主干是 Tap 头之间连接线，支线是 Tap 头与设备之间的连接线，Tap 头没有连接电缆的接线端 必须连接一个 75Ω电阻。
（3）通讯
采用点对点（PEER-TO-PEER）通讯方式；双电缆冗余通讯，通讯速度是 5 兆位/秒；载波、令牌总线网络通讯；网络距离 300 米，节点间电缆长度最多 50 米。
为了使系统更加可靠，集散系统得处理器、内部总线、电源均采用了冗余配置，重要的 I/O 卡件也可配置为冗余方式。
系统内部有很强的自诊断功能，一般卡件支持热插拔，降低了系统故障的诊断时间。
3）操作站的类型
通用操作站（Universal Station,US）；
带 Unix 的通用操作站（Universal Station X，UXS）
全方位用户站（Global User Station，GUS，它以 PC 机为硬件平台，增加一个 APP Node 专用的LCNP 扩展板，支持 LCN 通讯，实现与 Windows NT 操作系统的连接，提供本地窗口应用程序的显示与操 作功能）。
下面是 TDC3000 通用操作站 US 操作员键盘图。
键盘右半部分是系统已经定义好的功能键和辅助键，左半部分中上面是供用户组态定义的功能键（通常能过是流程图画面），下半部分是字母键。
检查调试项目由于 DCS 同时具备了自控和计算机双重技术，检查调试的项目应涵盖这两个方面，按流程依次为：计算机系统工作前提（环境和安装）→系统设备的运行状态确认（单一和网络各节点）→运行中故障连续的冗余测试→通道、精度和参数检查的 I/O 测试→实现自动控制的功能检查，包括以下项目：
系统连接检查；
上电条件确认；
硬件状态确认；
系统软件试验；
应用软件试验；
系统回路试验。
过程操作
操作站是人机界面对话窗口，是系统功能检查调试的终端，所有的测试和试验功能确认都可以在操 作站实现。
3.1 系统连接检查现场控制站、操作站、工程师站等安装完成后，需要对系统的各个节点进行连接，包括单元供电、信号、接地和通讯四个方面。
（1）电源按照图纸要求，将供电电源从电源分配柜引出，连接到节点电源端子上，需要注意的是，接线前要 确认电源主副回路，不能接错。
（2）信号包括了两个方面，一个是来自于现场的信号电缆，它们连接到端子过渡柜、安全栅柜或者控制 柜的端子排上；另一部分是从端子柜连接到 FTA 卡的连线，包括了室内返线和盘内返线，厂家成套提供 的 FTA 卡到卡件的专用电缆也作为信号回路线连接。检查重点包括五个方面：信号线与电源线之间的走向和距离（50mm 以上），当无法满足平面距离要求时采取的措施（分 层或安装屏蔽板接地）是否合理；本安系统有关的电缆（本安电缆与控制电缆有区别）和端子排色标（通常为蓝色）符合要求； 接线确保安全区与危险区的隔离，满足进线/出现统一要求；盘柜内本安回路导线要单独成束，与非本安导线分汇线槽放置，当无法避免时要用绝缘纸隔离；系统电缆（随机带来的）外观和型号尺寸检查满足技术要求；
（3）接地
接地电缆包括了工作接地和保护接地两种类型，需要严格按照厂家和设计要求的方式进行，检查包 括：工作地与保护地不能出现混接；接地端子连接方式正确，压接牢固；接地线材质和直径选择满足系统（设计）要求；接地线绝缘护套的颜色符合设计要求，未规定时应采用黄绿相间色或绿色（有些地方要求区分 工作接地和保护接地，使用不同颜色护线套）；屏蔽接地连接到工作接地上，形成单端接地，保护接地不能采用串联形式；当机柜供电电源线与信号线交叉，或者盘柜内有 220V 用电设备时，盘内返线屏蔽层（或者备 用线）也应单端接地，或者与现场来的信号线屏蔽层形成电气连续后单端接地。
（4）通讯
通讯电缆是指连接网络节点、实现数据和信息传输的介质，从成品角度分为厂家成套供货和现场制 作两种，检查的主要方面包括：由于传输过程会出现信号衰减，系统厂家对电缆长度有要求；电缆的材质决定了电缆的传输速率（波特率），所以要检查电缆的型号规格；网络端点要加终端器实现系统匹配（如 TDC3000 中 UCN 网络中使用的 Tap 连接器没有连接电缆 的接线端需要一个 75Ω的端电阻）；为了防止干扰，通讯电缆应单独敷设，避免与其它电缆混放。
上电前检查
为了确保系统上电时不会损坏设备并使其处于工作状态，需要提前对有关项目进行二次检查，检查 项目包括：环境条件检查（温度、湿度和洁净度）；各类电缆分别使用了不同的进线口；接地电阻值（保护接地和工作接地，接地电阻测试报告）；供电系统电源（电压幅值、频率和主副回路）；确认所有设备电源开关都在“OFF”位置。机柜中各插卡（安装位置、规格、型号和物理地址）；外围设备（如打印机）。
硬件测试
TDC3000 系统硬件包括 LCN（局部控制网）设备（操作站 / HM/ NIM/ AM）、UCN（通用控制网）设 备（PM/ APM/ HPM/ LM/ SM）和外围设备（打印机等）。
检查无误后逐个对系统的各个设备上电，正�：笤诵谐Ъ以谏璞干吓渲煤玫挠布馐猿绦颍瓿筛� 个设备和系统的自检功能，确认机柜各卡件和操作站的工作良好，系统通讯各单元运转是否正常。
软件安装
系统中使用的软件有系统软件（诊断程序/应用程序/组态程序/标准画面/等）、用户软件（组态结 果）和数据库软件（过程历史数据）。
由厂家完成或按生产厂家以及随盘文件装载技术要求，利用光盘或 ZIP 盘从工程师站装载系统软件 和应用软件并下载到各控制单元。
下载完成后在调试前和调试后要对应用软件进行拷贝。
系统启动
启动网络各个节点，确认系统状态显示正常。
（1）系统状态检查操作
TDC3000 系统设备在运行同时进行自测试，系统的状态通过两种方式可以显现出来，供检查调试人员判断：
①各个模件和卡件都有状态指示灯，报告着设备的运行状态是否 OK。例如 UCN 上的 PMM 和 IOP 模件，PMM 的五个卡件和 IOP 卡件每个上都有两个 LED 指示灯，一个是电源指示灯（POWER），另一个是 状态指示灯，前者表示是否有 24V 电源，后者则表示卡件的状态（点亮表示状态 OK，闪烁表示软故障， 熄灭代表硬故障）。
②通过 US 对系统状态的检查
US 操作站中有一个 SYST STATS（系统状态）键，用于对整个系统状态进行检查的，功能如下：
显示 LCN 设备状态（如 CONSOLE、AM、HM 等）；
显示 UCN 状态，OK 表示正常，FAIL 表示故障；
显示每个方框（触标，即目标）的功能，可调出相应设备的细目状态信息，如 LCN 电缆状态。其中绿色表示系统设备正常工作，黄色表示虽然还可以工作但有问题，红色表示问题严重不能工作了。按下 SYST STATS 后出现的画面如下：
从上面的画面上可以看出 LCN 网络上的各个模件（节点）的工作状态以及电缆状态。每个挂接在
LCN 的模件都有一个独立的总貌显示，每幅画面上都能显示其它模件的状态。如按 CONS STATS 键，就 得到一个 LCN 网上挂接的所有操作站的状态画面，包括了设定的节点号、操作站类型、目前的状态以及控制区域划分等信息。
在操作站画面或模件状态画面上，都有一个 LCNOVERVIEW 触标，选择此触标可调出 LCN 总貌画面，由此了解 LCN 各个节点的运行状态。
UCN 状态检查：
在系统状态画面上，过程网络状态部分指示当前各 UCN 的工作状态，当某条 UCN 网有问题时，可选 择该 UCN 触屏而进一步得到该 UCN 的状态显示画面，画面中各个 PM 的工作状态及 UCN 电缆状态等信息 会显示出来，包括这条网络上挂接的所有节点的 UCN 地址、电缆和模件（PM、APM、HPM、NIM、LM 等）状态。
画面包括三个部分：
上部是 UCN 整体信息显示（左边：通讯电缆状态，OK-正常，Fail-故障；右边：①UCN 的自控 状态（LCN 的设备对 UCN 设备进行设定值和输出值写操作），BASIC-禁止，FULL-允许；②自动点检测状 态（每 4 小时将 UCN 的数据库自动存储到 HM 中去），ENABLE-允许，INHIBIT-禁止）。
中间是 UCN 各个节点的信息，单个节点状态信息表示如下：
复合设备状态包括了（ALIVE、IDLE、IO IDLE 和 OK），冗余设备状态包括（ALIVE 和 BACKUP）。
触屏单个节点，可以调出这个节点的详细状态画面，如一个 PM 中的 PMM、IOP、CABLE 等状态。当 需要对 PMM、IOP 等更详细的信息时，通过选择框图再按 TETAIL STATUS 键实现。
底部是控制 UCN 网络的各个命令触标。
与上面的节点结合使用，先选择 UCN 节点，再选择命令触标，触屏命令列表如下：
从操作站上检查流程图、趋势图、组、细目和报警总貌显示；
打印机功能和效果检查；
切换主电源和冗余电源，检查系统运行不受影响。
3.6 冗余功能的检查(参照《石油化工仪表工程施工技术规程》
1）控制器冗余的检查
在操作台上调出系统状态显示画面，确认控制器 OK；在另一操作台上调出一组画面且含有一个 位号，送 4～20mADC 信号于该位号，记录测量值、给定值和输出值；
将主控制器电源开关置于“OFF”状态，确认冗余控制器自动投入运行，操作台显示的位号值保 持不便；
将主控制器电源开关恢复“ON”状态，再确认操作台显示的位号值保持不变；
对于冗余控制器重复上述工作。
2）控制站冗余 I/O 卡件的检查
从操作站上调出控制站细目画面，确认全部 I/O 卡件状态正常；
从另一个操作站上调出一组细目画面且含有同一个位号，送 4～20mADC 信号于该位号，记录测 量值、给定值和输出值；
将主控站I/O 卡电源开关分别置于“OFF”状态，确认冗余控制站 I/O 自动投入运行，控制站细 目显示画面状态正确，选择位号的变量值保持不变；
主控站的I/O 卡电源开关重新置于“ON”状态，选择位号的变量值保持不变；
对于冗余控制站 I/O 卡件重复上述工作。
说明：对于可带电插拔系统可以手动拔下主 I/O 卡件，冗余卡件自动投入运行，且该卡件内各点各 变量保持不变。再将主卡件插入，各点变量不变。对于从卡件重复上述工作。
3)系统通讯冗余的检查, 通过软件手动切换主从通讯电缆，确认系统运行正常；或断开其中一路， 确认另一路通讯是否正常、系统工作是否正常，恢复连接后，通讯是否恢复正常。
3.7 应用软件检查测试
应用软件检查测试主要包括三个方面内容，即系统组态检查、I/O 测试和控制功能测试。
1）系统组态检查
系统组态由 DCS 厂家根据订货合同中“技术协议”的要求完成的，对这部分的检查到目前为止还在 由生产单位组织确认，DCS 厂家协助。
检查的依据是组态文件（仪表回路、梯形逻辑、先进控制等）；
检查的内容见《石油化工仪表工程施工技术规程》SH3521
其中的常见概念：
系统（SYSTEM）：一条 LCN 网之下的硬件设备总体，称为一个系统
区域（AREA）：方便数据管理和规定操作站的操作内容而人为设置的范围，一个系统内最多可以有10 个区域，每个区域中包含若干个单元。
单元（UNIT）：为方便数据管理而人为设置的范围，一个系统内最多可以有 100 个单元，每个单元 中包含若干个数据点，只有分配给某个区域的单元中的数据点，才能被操作员使用。
点（POINT）：是系统中最小的控制单位，每个点代表一种算法具体应用且对应于过程中的一个仪表 工位号，一个点只能属于一个单元。
参数（PARAMETER）：是算法进行计算的依据和结果，操作员的操作指令最终通过改变参数的值来实 现。
2）I/O 测试
I/O 测试是一种对通道、参数和精度的检查，在室内进行。输入端在系统自身配置信号出入口接线 端，操作和确认在操作站进行。需要注意的是，测试时对某一个参数点检查要全面，应包括了所有关联 画面，即细目显示、组显示、流程图显示和报警汇总显示，而不是单一在流程图进行。
测试前应根据 DCS 组态内容打印 I/O 清单，也可以打印出组显示画面作为测试依据。
(1)模拟输入
调出即将测试的仪表位号，检查信号描述和量程与设计要求一致；
输入 4～20mA 信号（或温度信号）至相应位号的模拟输入卡通道端，在操作台检查信号指示值 应与输入的信号幅度一致；
输入信号高低报警值，确认操作画面报警状态和报警总貌画面信息显示以及报警笛音；
根据点组态要求，检查信号超限时流程图显示状态信号。
(2)数字输入
调出即将测试的仪表位号，在细目画面上检查信号描述与设计要求一致；
在对应数字输入卡该位号通道上改变开/关状态，在细目画面、流程图画面和组画面上确认改点状态变化；
确认开关的正常/事故对应的开/合与操作站显示的状态统一。
(3)模拟输出
从操作台画面上调出调节回路，将回路置于“MAN”状态；
连接精密电流表到对应模拟输出卡相应通道上；
手动操作输出分别为 0%、50%、100%，检查电流表指示为 4、12、20mA。
(4)数字输出
调出操作位号点，将其控制方式设置为“强制”状态；
键入“1”或“0”信号或按逻辑关系满足输入条件，在端子柜相应端子上用万用表测量输出信 号是否与设计一致。
3）控制功能
DCS 中控制功能是在组态中选择相应的功能块进行连接后实现，主要实现调节功能。
单回路调节功能检查：细目画面下将控制方式置于“手动”状态，操作输出同时检查流程图画 面 OP 值跟随变化，同时确认 SP 跟踪 PV 值；将控制方式置于“自动”状态，改变 SP 值，检查输出变化 方向确定控制正/反作用。
串级控制调节功能检查：
主调节器按照单回路调节功能检查；
副调节器控制方式置于自动或手动（AUTO/MAN），确认主调节器操作功能无效；
副调节器控制方式置于串级（CAS），主调节器控制方式置于“手动”（MAN），手动输出主调节器输 出，检查副调节器的 SP 值跟随变化，同时检查副调节器的控制作用方向；
(3)逻辑运算
DCS 系统一般完成常规逻辑控制或顺序控制，而紧急停车系统和安全仪表保护系统使用专门的控制 系统。
打印出梯形图和逻辑功能表作为试验依据；
将大型逻辑分解成为多个功能包，分别对每个包进行试验；
使用“FORCE”（强制）功能对大型逻辑进行试验，对顺控系统按照时间和条件作为主线逐条满足， 检查不同阶段对应的输出满足设计要求。
