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，正常后运行厂家在设备上配置好的硬件测试程序，完成各 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。