简述DCS系统工程化设计与实施的步骤.docx
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简述DCS系统工程化设计与实施的步骤
简述DCS系统工程化设计与实施的步骤
集散控制系统在具体应用时，必须对系统进行适应性的设计和开发，这种设计和开发是与被控对象密切相关的，任何一套DCS，不论其设计如何先进，性能如何优越，如果没有很好的工程设计和应用开发，都不可能达到理想的控制效果，甚至会出现这样或那样的问题或故障。
1．DCS系统工程化设计
一个工程设计可分为方案论证、方案设计、工程设计3个阶段。
1.1方案论证
方案论证也就是可行性研究设计（或简称可研设计）的主要任务是明确具体项目的规模、成立条件和可行性；确定项目的主要工艺、主要设备和项目投资具体数额。
对于DCS的建设，可行性研究设计是必须进行的第一步工作，它涉及到经济发展、投资、效益、环境、技术路线等大的方面的问题。
1.2方案设计
1.2.1DCS的基本任务
方案设计的开始阶段，首先要明确DCS的基本任务，包括以下几方面：
1）DCS的控制范围
DCS是通过对各主要设备的控制来控制工艺过程。
设备的形式、作用、复杂程度，决定了该设备是否适合于用DCS去控制。
有些设备，如运料车，就不能由DCS控制，DCS只能监视料库的料位；而另一些设备，如送风机，就可由DCS完全控制其起动、停止，改变负荷。
那么，在全厂的设备中，哪些由DCS控制，哪些不由DCS控制，要在总体设计中提出要求。
考虑的原则有很多方面，如资金、人员、重要性等，从控制上讲，以下设备宜采用DCS控制。
（1）工作规律性强的设备。
（2）重复性大的设备。
（3）在主生产线上的设备。
（4）属于机组工艺系统中的设备，包括公用系统。
DCS通过对这些设备的控制实现对工艺过程的总体控制。
除此以外，工艺线上的很多独立的阀门、电动机等设备也往往是DCS的控制对象。
2）DCS的控制深度
几乎任何一台主要设备是部分地由DCS控制。
DCS有时可以控制这些设备的起停和运行过程中的调节，但不能控制一些间歇性的辅助操作，如有些刮板门等。
而对有的设备，DCS只能监视其运行状态，不能控制，这些就是DCS的控制深度问题。
DCS的控制深度越深，就要求设备的机械与电气化程度越高，从而设备的造价越高。
在总体设计中，要决定DCS控制与监视的深度，使后续设计是可实现的。
3）DCS的控制方式
这里的控制方式是指运行DCS的方式，要确定以下内容。
（1）人机接口的数量，根据工艺过程的复杂程度和自动化水平决定人机接口的数量。
（2）辅助设备的数量，包括工程师站、打印机等。
（3）DCS的分散程度，它对今后DCS的选择有重要的意义。
1.1.2DCS的方案设计
1）硬件设计
硬件初步设计的结果应可以基本确定工程对DCS硬件的要求及DCS对相关接口的要求，主要是对现场接口和通信接口的要求。
（1）确定系统I/O点。
根据控制范围及控制对象决定I/O点的数量、类型和分布。
（2）确定DCS硬件。
这里的硬件主要是指DCS对外部接口的硬件，根据I/O点的要求决定DCS的I/O卡；根据控制任务确定DCS控制器的数量与等级；根据工艺过程的分布确定DCS控制柜的数量与分布，同时确定DCS的网络系统；根据运行方式的要求，确定人机接口设备、工程师站及辅助设备；根据与其他设备的接口要求，确定DCS与其他设备的通信接口的数量与形式。
2）软件设计
软件设计的结果使工程师将来可以在此基础上编写用户控制程序，需要做以下工作。
（1）根据顺序控制要求设计逻辑框图或写出控制说明，这些要求用于组态的指导。
（2）根据调节系统要求设计调节系统框图，它描述的是控制回路的调节量、被调量、扰动量、连锁原则等信息。
（3）根据工艺要求提出连锁保护的要求。
（4）针对应控制的设备，提出控制要求，如启、停、开、关的条件与注意事项。
（5）做出典型的组态用于说明通用功能的实现方式，如单回路调节、多选一的选择逻辑、设备驱动控制、顺序控制等，这些逻辑与方案规定了今后详细设计的基本模式。
（6）规定报警、归档等方面的原则。
3）人机接口的设计
人机接口的初步设计规定了今后设计的风格，这一点在人机接口设计方面表现得非常明显，如颜色的约定、字体的形式、报警的原则等。
良好的初步设计能保持今后详细设计的一致性，这对于系统今后的使用非常重要，人机接口的初步设计内容与DCS的人机接口形式有关，这里所指出的只是一些最基本的内容。
（1）画面的类型与结构，这些画面包括工艺流程画面、过程控制画面（如趋势图、面板图等）、系统监控画面等，结构是指它们的范围和它们之间的调用关系，确定针对每个功能需要有多少幅画面，要用什么类型的画面完成控制与监视任务。
（2）画面形式的约定，约定画面的颜色、字体、布局等方面的内容。
（3）报警、记录、归档等功能的设计原则，定义典型的设计方法。
（4）人机接口其他功能的初步设计。
1.1.3工程设计
系统的方案设计完成后，有关自动化系统的基本原则随之确定。
但针对DCS还需进行工程化设计（或称DCS的详细设计），才能使DCS与被控过程融为一体，实现自动化系统设计的目标。
DCS的工程化设计过程，实际上就是落实方案设计的过程。
如果说在方案设计阶段以及之前的各个设计阶段，其主要执行者是设计院的话，那么DCS工程化设计的主要执行者将是DCS工程的承包商和用户。
用户在DCS的工程化设计过程中将扮演着重要的角色。
控制系统的方案设计和DCS的工程化设计这两部分的工作是紧密结合在一起的，而设计院和DCS工程的承包商、用户之间也将在这个阶段产生密切的工作联系和接口。
因此，这个阶段是控制系统成败的关键，必须给予高度的重视。
1.DCS工程化设计与实施步骤
一个DCS项目从开始到结束可以分成：
招标前准备、选型与合同、系统工程化设计与生成、现场安装与调试、运行与维护五个阶段，为了对DCS的工程化设计和实施过程有一个清晰认识，先给出一个DCS项目实施步骤及每一步所完成文件的清单，列出每一阶段要完成的工作。
1）招标前的准备阶段要完成的工作（用户/设计院）
（1）确定项目人员。
（2）确定系统所用的设计方法。
（3）制定《技术规范书》。
（4）编制《招标书》。
（5）招标。
2）选型与合同阶段要完成的工作（用户/设计院）
（1）应用评标原则分析各厂家的《投标书》。
（2）厂家书面澄清疑点。
（3）确定中标厂家。
（4）与厂家进行商务及技术谈判。
（5）签订《合同书》与《技术协议》。
3）系统工程化设计与生成阶段要完成的工作
（1）进行联络会，确定项目进度及交换技术资料，提供设计依据和要求，形成《系统设计》、《系统出厂测试与验收大纲》、《用户培训计划》。
（2）用户培训。
（3）系统硬件装配和应用软件组态。
（4）软件下装、联调与考机。
（5）出厂测试与检验。
（6）系统包装、发货与运输。
4）现场安装与调试阶段要完成的工作
（1）开箱验货和检查。
（2）设备就位、安装。
（3）现场接线。
（4）现场加电、调试。
（5）现场考机。
（6）现场测试与验收。
（7）整理各种有关的技术文档。
（8）现场操作工上岗培训。
5）维护与运行阶段要完成的工作
（1）正常运行的周期性检查。
（2）故障维修。
（3）装置大修检修。
（4）改进升级。
2.DCS厂家和用户方协作完成工程设计
1）准备工作
DCS厂家在合同谈判结束后需要指定项目经理、成立项目组。
项目组整理合同谈判纪要。
项目经理要对项目实施的全过程负责。
合同签订之后，项目经理以及项目组成员要仔细地逐条分析合同和技术协议的每一条款，并认真地领会合同谈判纪要的内容。
同时应该了解整个项目的背景及谈判经过，考虑并确定每一条款的具体执行方法，对有开发内容的条款更应引起足够的重视，计算出工时并落实开发人员。
同时，项目组还要拟定项目管理计划，包括：
（1）技术联络会的具体时间，每次联络会准备落实和解决的问题。
（2）相关各方的资料交接时间。
（3）项目实施具体的工期计划（包括设计、组态、检验、出厂、安装、调试及验收等阶段）。
（4）项目相关各单位人员的具体分工和责任。
（5）用户培训计划：
时间、地点、培训内容等。
（6）应用工程软件组态计划。
（7）硬件说明书提交时间等等。
在开始阶段，用户方的准备工作要远大于供货厂家的准备工作。
（1）确定工程项目经理和成立项目组，人员分工。
项目组详细了解合同及技术协议。
（2）准备第一次联络会所需的技术文件。
如前面所述，在合同书中一般都规定了双方在何时向对方提供何种技术资料。
在合同签订后，乙方（供货厂家）最急需的就是用户的测点清单，这是硬件配置的基础。
用户方应尽快准备以下资料。
①系统工艺流程框图及其说明，DCS系统为控制工艺流程服务，DCS设计者必须对工艺要有一个大致的了解。
②系统控制功能要求，主要的控制内容，列出主要的控制回路，说明采取的主要控制策略。
详细列出各回路框图，并附以说明。
③《控制及采集测点清单》。
《控制及采集测点清单》是第一次联络会上第一个应讨论并确认的文件。
当然，因为工期紧张，也可以在第一次联络会的召开之前提交，用户将确认过的《控制及采集测点清单》寄给DCS厂家，以便厂家根据此清单来确认系统的详细硬件配置。
注意，这里强调的是确认过的《控制及采集测点清单》。
因为在谈合同时，有时不一定对整个控制和仪表流程掌握的非常清楚，特别是在DCS合同谈判中，控制及采集仪表还未确认，这样，当合同具体实施时往往会发现一些不太准确的地方，所以，这时就要请项目组的人员根据设计要求和控制流程、采集流程及工艺流程的需要，仔细地列出所有的控
制及采集信号，此《控制及采集测点清单》就是DCS实时数据最基本和最重要的部分。
测点的内容和格式因各种不同的类型点及DCS厂家要求不同而略有些差别，但是绝大部分内容是确定的，而且要求用户项目组必须填写清楚的。
《控制及采集测点清单》是工程实施阶段第一个需要确认的设计文件。
以上资料是系统配置及应用软件组态的原始数据资料，用户准备得越准确、越详细，DCS项目实施的工作就越顺利，返工越少。
如果是DCS厂家承包项目，以上资料应能尽快、完整地提供。
即使是用户自己组态，也应该完整地整理出上述原始资料，以确保系统工程的顺利进行。
第一次联络会的时间应尽可能早，因为第一次联络会是确定功能实现与配置说明的确认会议。
如果此会开得很晚，很多工作就会后推，整个工期就可能会拖延。
各种原始文件的格式由于设计单位不同，行业不同，可能会有些差别，但是，总的要求是清楚、准确，尽量采用国家和国际标准。
2）工程设计联络会
将上述准备工作完成之后，就可以进行第一次设计联络会了。
第一次联络会尽可能安排在DCS供货厂家进行。
因为，用户方的项目人员可以亲眼看一下所用的DCS硬件结构和软件组态方法和内容。
这对联络会的内容的顺利完成有着十分重要的意义。
对于大型DCS项目，由于工期较长，工程也复杂，不是开一次联络会就能解决的，往往要开2～3次联络会。
第一次设计联络会是非常重要的，合同双方的项目主管领导和商务人员最好都能参加，对有些具体工作人员难以决定的问题当场就可以决定，这样可以节省大量的时间。
设计联络会要完成以下工作。
（1）DCS厂家系统介绍。
厂家项目组的人员向用户项目组人员详细介绍所采用DCS的大体结构、硬件配置、应用软件组态及其他软件内容，并带用户对实际（样机）系统进行参观和操作演示，使用户基本了解该DCS。
（2）用户介绍。
根据合同的要求，用户应将该系统的工艺流程、控制要求及其他要求详细介绍，使DCS厂家的项目人员对控制对象有较深入的认识。
（3）确认《控制及采集测点清单》。
双方介绍完之后，下一步工作就是认真审核用户提出的《控制及采集测点清单》，并将其按控制功能和地理位置的要求分配到各控制站。
检查完之后，双方负责人在该文件上签字确认。
（4）确认控制方案及控制框图。
根据合同及技术协议的要求，双方仔细审核各个控制回路（包括顺序控制逻辑回路）的结构、算法及执行周期的要求，结合测点清单，将各回路分配到相应的控制站，审核每个I/O站的计算负荷。
检查无误后，双方负责人在控制方案及控制框图文件上签字确认。
（5）流程显示及操作画面要求确认。
用户在认真地看了DCS的演示之后，对其画面显示和操作功能应较为熟悉。
可根据工艺流程和控制流程的要求，整理出对显示画面和操作画面的要求。
双方针对该内容进行审核，最后由双方负责人签字确认。
（6）各种报表要求确认。
根据DCS的功能、用户的工艺和生产管理要求，整理出生产记录及统计报表的要求，包括：
表的种类、数量及打印方式（定时、随机）；每幅报表的格式和内容。
双方对该内容进行审核，最后由双方负责人签字确认。
（7）其他控制或通信功能的确认。
如果系统中还涉及其他功能开发，如先进控制、与管理系统实现数据交换等，也需要在联络会上进行初步方案确认，并签字。
（8）确认项目管理流程。
根据上述几项确认的内容，双方项目组可以仔细核算出双方的工作量，然后制定详细的项目管理流程和项目计划任务书，以周（大项目）或天（中小项目）为单位。
3）设计联络会后形成的一致性文件
第一次设计联络会后，便开始进行项目的具体设计工作。
用户了解了DCS的硬件结构和应用软件的组态方法及内容，因而可以进行应用软件的详细设计并准备组态。
DCS厂家得到了各种设计用的原始数据，接下来可以完成几个设计文件，作为后续工作的基础。
在强调每一步工作进展之前，先要完成相应的文件设计工作，文件由双方签字确认之后，工作转到下一道工序进行，这样做可使项目进行得顺利和防止返工，根本上保证项目质量。
首要完成的设计文件包括下述几个技术文件。
（1）概述。
概述简要地说明此项目的背景情况、工作内容、工程目标。
（2）整理《系统数据库测点清单》。
此清单是在用户设计院提供的《控制及采集测点清单》的基础上，通过在联络会与用户项目组认真地分析控制回路的分配，负荷分配后，确定各控制及采集测点在各站的分配并将其分配到各模块/板和通道，由此，也就从根本上确定了各控制站的物理结构。
（3）《系统硬件配置说明书》设计。
该项设计包括下面三项内容的设计。
①系统配置图在此部分详细地画出DCS的结构框图和系统状态图，详细描述系统的基本结构，说明系统主要设备的布置方式和连接方式。
②各站详细配置表。
包括工程师站、操作员站、网关及服务器等站配置表。
③工期要求。
工期要求明确标明项目的工期计划，特别是硬件成套完成日期。
有了各站的《硬件配置表》和《硬件配置图》，DCS厂家装配部门就可以根据硬件配置表进行硬件成套工作。
（4）《系统控制方案》设计。
通过联络会以及用户设计方提供的设计图纸，DCS厂家技术人员已经掌握了项目的设计信息，可以开始进行系统控制方案的详细设计，生成《系
统控制方案说明》，作为软件组态的依据和系统方案调试的依据。
（5）《操作盘/台、机柜平面布置图》设计。
根据厂家DCS的各部件尺寸及用户操作车间及控制室的要求，画出系统各部分的平面布置图，以供用户设计人员进行具体机房设计。
《操作盘/台、机柜平面布置图》要标明各站具体和详细的安装尺寸（单机安装和机柜）及标有尺寸的主体投影图，以及各站主要设备的质量。
（6）DCS环境要求。
在此节明确标明DCS的各项环境指标以示重视。
①《电源要求及分配图》。
《电源要求及分配图》应详细列出各站及整个系统的电源容量要求，如果用户提供UPS电源，则要详细列出各UPS容量及接线方法。
②《系统接地图》。
根据DCS的要求，《系统接地图》应详细说明各站、各种接地要求并用图示方法标明各种接地的连接方法，以上两条非常重要。
③其他环境要求。
此处列出其他的环境要求，如温度、湿度、振动等。
（7）采用标准。
列出整个DCS及应用系统设计中所采用的国家标准和国际标准。
最后由双方项目组人员签字确认。
4）DCS厂家做完整的工程设计
（1）硬件设计，包括操作站、现场控制站的数量、I/O模块的型号、数量等。
（2）软件设计，包括控制层组态、监控软件组态等。
（3）现场施工计划，包括人力分配、调试计划等。
在此，因为前面已经明确了DCS的控制要求、《测点清单》等，具体设计工作DCS厂家应能够完成。
如果在设计过程中遇到不明确的地方，可以将问题集中起来，再联系召开技术联络会，和用户商讨共同解决。
二．DCS的安装、调试与验收
2.1安装、调试
DCS厂家准备好硬件（操作站、现场控制站等）和组态好软件后，就可以发货到用户进行现场安装调试工作，系统设备的现场就位与安装工作，一般DCS厂家技术人员到现场指导安装单位进行现场安装。
2.1.1安装前的检查工作
在DCS安装就位之前，先要做下列检查：
（1）DCS室位置是否合适，空间是否充足，地面是否结实，能否承担机器设备的质量，安装固定装置与DCS设备是否配套，走线槽是否合理。
（2）电源供电系统是否符合要求。
（3）接地措施是否符合要求。
（4）控制室环境是否符合要求。
2.1.2安装就位
检查符合要求后，就可以开始设备的就位与安装。
将DCS的各设备（操作员站、工程师站、服务器、通信站及现场控制站等）分别就位，在就位过程中要仔细阅读厂家提供的《操作站、机柜平面布置图》，核实每站的编（标）号
和其在图中的位置，将每个站按要求的位置就位。
卸除各操作台和机柜内为运输所设置的紧固件，核实各站的各接地设施，分别按要求进行接地。
1）操作台的安装步骤
（1）依照安装尺寸在控制室地板上安装固定好地脚螺栓。
（2）将操作员站机柜底座与地脚螺栓连接机架紧固。
（3）将显示器装入操作台的保护罩内，并旋紧橡胶绝缘层保护罩后面的固定螺钉。
（4）将操作员站的主机放入操作台下方的机柜中。
（5）将打印机、标准键盘、轨迹球和专用操作键盘置于操作台上。
（6）将操作员站主机、打印机、标准键盘、轨迹球和专用操作键盘之间的线连好。
2）现场控制柜安装步骤
（1）按照控制室的布局将地脚螺栓安装固定在地板上。
（2）将现场控制柜底座与地脚螺栓连接紧固。
若各现场控制柜为密集安装，应去掉中间柜的两边侧板。
（3）核实各站的供电接线端子和电源分配盘是否正确，按要求接电源。
（4）将各操作站、工程师站、服务器及通信站等外设单元按要求接上电源线。
（5）检查控制站内各内部电源的开关是否均处于“关”位置，将各内部电源（如果需要接）接上。
（6）仔细检查上述各电源，地线是否连接正确。
2.1.3.上电检查
系统安装就位后，连接好电源和接地以及系统的网络线，就可以先进行上电检查，注意此时先不要接控制线，使各I/O处于空载状态。
此时检查:
（1）各设备（操作员站、工程师站、服务器、通信站及现场控制站等）是否上电工作正常，指示灯指示是否正确。
（2）网络工作是否正常，软件能否正常运行。
（3）如果和出厂调试结果一致，就可以断电进行下面的工作，发现问题要及早修复。
2.1.4.系统信号电缆敷设与端子接线
1）现场信号电缆分类
现场信号大致分为模拟量信号、开关量信号与数据通信信号。
（1）模拟量信号包括模入和模出信号。
此类信号应使用屏蔽双绞线电缆连接，信号电缆芯的截面应大于等于1mm2。
（2）开关量信号包括开入和开出信号。
低电平的开关信号应使用屏蔽对绞线电缆连接，信号电缆截面应大于等于1mm2；而高电平（或大电流）的开关量的输入输出信号可用一般双绞线电缆（控制电缆）连接，但应与模拟量信号、低电平开关信号分开，单独走电缆槽。
（3）数据通信信号电缆要求用专用通信电缆。
（4）设计时强弱电不能占用同一电缆。
2）电缆敷设要求
（1）计算机的输入输出信号电缆应敷设在带盖的电缆槽中，电缆槽道及盖板应保证良好接地。
（2）单根信号电缆应穿在钢制电缆管中敷设，电缆管要保证良好接地。
（3）电缆屏蔽层宜选用铜网屏蔽或铝箔屏蔽。
屏蔽接地的原则为一端接地，屏蔽接地有两种方式。
①在传输模拟信号、脉冲频率信号时，若信号源没有接地，屏蔽电缆应在控制室一侧接。
②当信号源本身接地时，如接地热电偶、pH计电极等，屏蔽电缆应在现场信号源一侧接地。
（4）仪表信号电缆与动力电缆交叉敷设时，宜成直角；平行敷设时，若动力电缆有屏蔽层，两者之间的距离应注150mm；若动力电缆无屏蔽层，两者之间的最小允许距离见
（5）电缆在电缆沟内敷设时，必须严格按一定层次敷设，自下而上分层排列的顺序是：
动力电缆、控制电缆、信号电缆（屏蔽电缆）。
（6）多芯电缆或一根管内穿多根导线时，应留有备用芯线，备用芯数不得少于工作芯数的10%～15%。
3）端子接线
系统信号的端子接线工作，由现场施工方根据设计院提供的《端子接线图》进行，一套DCS根据其规模的大小，接线的工作量有较大的差异。
对于1000点左右的项目，常常需要连接1000对以上的来自于现场的信号线，这些信号线的种类、性质有很大差别，而DCS的接线往往是DCS在现场工作的工作量最大、最麻烦、最容易出错的工作。
几乎没有哪一个现场工程的接线工作是保证一次全部正确的。
（1）接线方法。
信号电缆通过现场控制柜底端地板下的进线孔进入现场控制柜。
将信号电缆从下至上走线，分别连至相应的过程I/O模块的端子，要求信号电缆走线整齐美观并绑扎固定。
（2）接线步骤。
在真正进行接线之前，接线人员一定要仔细地阅读《系统控制采集测点清单》和《信号端子接线图》，仔细确认每一信号的类型（AI、AO、DI、DO），传感器或变送器的类型、开关量的通断及负载的性质，仔细对照各机柜及机柜内各模块/板的位置，
确认各接线端子的位置，然后开始按下列步骤接线和检查：
①确认各控制站的电源及模块/板电源已断开。
②确认各现场信号线均处于断电状态。
③确认各端子上的开关均处于断开状态。
④按照《信号端子接线图》要求以及相关规范的要求，接好所有的现场信号线。
⑤仔细检查现场接线的正确性，包括以下内容。
（a）对照《信号端子接线图》和各信号线上的标签，检查信号线的正确性（包括有无错
位、正负极是否正确、连接是否紧固等）。
（b）在与计算机I/O断开的条件下，对各现场信号的现场仪表加电，在计算机接线端子上核实所接信号的电气正确性，对于模拟信号，要测出仪表输出最小、最大时的端子测量值，对于开关量信号，要测出“关”、“开”两种状态时，端子上的电压读数。
将这些值与《系统控制采集测点清单》对照，检查每一路的信号性质、量程和开关负载是否正确。
做好测试记录。
全部正确无误后，才算接线工作已正确完成。
在接线工作中，除了一定要保证各信号的正确性之外，还要注意尽量合理的布线，防止柜外走线、槽内走线不规则、混乱的情况，而且机柜内的走线要工整、美观，每对端子的紧固力度大小合适。
2.1.5.系统设备上电所完成工作与步骤
1）上电前的检查工作
（1）由现场进入现场控制站机柜的各类信号线、信号屏蔽地线、保护地线及电源线是否连接好。
（2）现场控制站机柜内各电源单元、主控单元及过程I/O模块是否安装牢固。
（3）现场控制站机柜内各单元间的连接电缆是否连接完好。
（4）现场控制站与服务器的通信电缆是否连接完好。
（5）服务器与操作员站主机是否连接完好。
（6）操作员站专用键盘与主机是否连接完好。
（7）操作员站鼠标或轨迹球与主机是否连接完好。
（8）操作员站主机、监视器是否连接完好。
（9）现场控制柜内的所有开关是否断开。
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