DCS系统I/O点数计算、系统组态流程和方法

显示全部楼层 · 2024-6-18 19:44:11

   DCS控制系统点数通常由设计院统计提供，DCS系统点数是仪表专业I/O点数、电气专业I/O点数和DCS系统与其他系统的通讯点数总和。准确统计电气和仪表I/O点数可避免电气和仪表专业出现协调不一致的问题，准确的DCS点数能为使用单位决策DCS系统品牌和DCS系统造价提供依据。

   本文结合实例把DCS系统组态的步骤、方法和基本思路做科普介绍，希望广大工控从业人员能达到融会贯通的目的，轻松搞定DCS系统组态工作。

DCS系统AI输入点数如何计算

AI指进入DCS系统或PLC的模拟量输入信号。从现场可以直接输入DCS系统的AI输入信号有热电偶(J、K、T、N、E、R、S和B分度号热电偶)、热电阻信号(Cu50、Cu100、Pt100和Pt50分度号)、标准电流信号(4-20mA、0-20mA)、标准电压信号(1-5V、0-5V和0-10V)和脉冲信号；其他形式的信号如需送入DCS系统，则要用信号隔离器、电流变送器、电压变送器等信号转换设备将该信号转换为4-20mA或1-5V在送入DCS系统。
①热电偶AI输入点数统计
单支装配式热电偶或者单支铠装热电偶按1个AI点计算；双支装配式热电偶或者双支铠装热电偶需要在DCS系统显示同一测点的两个传感器温度按2个AI点计算，只显示该测点的一个温度按1个AI点计算；单支多点热电偶或多点热电偶常用于监测同一测点不同部位温度，热电偶有几个测量点则计算几个点热电偶AI输入。
②热电阻AI输入点数统计
热电阻AI输入点数统计方法和热电偶AI输入点数统计方法相同。
③标准电流、电压AI输入点统计
每一路送入DCS系统的4-20mA、0-2mA、0-5V、1-5V或0-10V信号分别计算1个AI点，同时统计该输入信号对应的量程范围。二线制变送器(包括温度变送器、压力变送器、液位变送器、流量变送器等)因涉及DC24V供电，最好单独统计AI点数，方便DCS系统集成接线。
特别说明：在现场显示的压力表、双金属温度计、玻璃转子流量计等现场仪表不进入DCS系统点数计算。

DCS系统AO输出点数如何计算
AO指DCS系统或PLC发出的控制现场执行设备的模拟量输出信号。AO输出一般有4-20mA、0-20mA、0-5V、1-5V和0-10V五种类型，4-20mA为最常用DCS系统AO输出，AO输出通常接入电动执行机构、气动执行机构、变频器、电力调整器和工业控制模块等设备，通常每一个被控对象对应一路AO输出，AO输出点数与被控设备数量相同。

DCS系统DI输入点数如何计算
DI指进入DCS系统或PLC的开关量输入信号，DI输入必须是无源触点、TTL或CMOS电平信号，DI进入DCS系统或PLC后常会接通DC24V或者DC48V查询电压。
仪表专业DI输入通常来自现场电接点压力表、电接点双金属温度计、电接点水位计、液位开关、流量开关、火焰检测、电接点水位计等仪表的报警触点，每一个报警触点接入DCS系统时计算为一个点DI输入。电气专业DI点数计算较为复杂，文章后面专门介绍。

DCS系统DO输出点数如何计算
DO指DCS系统或PLC发出的控制现场设备的开关量输出信号，通常通过中间继电器再接入其他不同电压等级的用电设备。仪表专业DO输出常用于控制外部指示灯、电磁阀、声光报警器、电气控制和多回转电动执行机构、接触器等设备。DCS系统控制不同设备其所需要的DO输出点数不同，以下是常见被控对象I/O点数:

①开关型电动执行机构:每台执行机构阀位反馈4-20mA计算AI输入1点，阀门正转/反转控制计算DO输出2个点，阀门开到位/阀门关到位信号计算DI输入2个点，阀门开过力矩/关过力矩故障信号计算DI输入2点。

②开关型多回转电动执行机构(AC380V电源)：每台执行机构阀位反馈4-20mA计算AI输入1点(如无反馈信号则不计算该AI点数)，阀门正转/反转控制计算DO输出2个点，阀门开到位/阀门关到位(限位开关)计算DI输入2个点，执行器开过力矩/关过力矩故障信号计算DI输入2点。

③调节型电动执行机构:每台执行机构阀位反馈计算AI输入1点，阀门控制信号计算AO输出1个点，执行器故障报警信号计算AI输入1个点(故障报警常见于智能型电动执行机构，如无故障报警信号则不计算AI点数)。

④调节型多回转电动执行机构:每台执行机构阀位反馈计算AI输入1点，执行器4-20mA控制信号计算AO输出1个点，ESD紧急控制信号计算DO输出1个点(ESD紧急控制信号常见于智能型多回转电动执行机构，如无此功能则不计算该DO点数),开过力矩/关过力矩报警信号计算DI输入点数2点。

⑤变频器：每台变频器频率反馈计算AI输入点数1点，频率给定信号计算AO输出1个点，运行/停止给定指令计算DO输出1个点，变频器故障报警计算DI输入1个点，故障复位计算1个DO输出1个点，变频器运行状态计算DI输入1个点。
如果变频器与通讯方式与DCS系统连接，则只需要计算1个通讯点，不需要计算其他点数。

⑥如DCS系统外接电磁阀、指示灯、接触器等设备，每个设备计算DO输出1点(如多个设备共用一个控制信号，通常通过增加中间继电器触点方式完成，只需要计算1个DO输出)。

电气专业如何计算DCS系统点数
①常规电气控制的DCS系统点数
最简单的电机控制回路需要2个点DI输入，1个点DO输出。每个回路运行状态(来自于接触器辅助触点)计算DI输入1个点，启动/停止控制信号(接接触器线圈)计算DO输出1个点，故障信号(来自热继电器或者电机保护器过载信号)计算DI输入1个点。

电机回路如需要电流显示和就地/远传控制，除计算2个DI、1个DO外，电流信号(来自电流变送器)计算AI输入点数0-3个点(小功率电机通常不用监测电流，则不计算该AI输入点数；大功率三相电机有几相电流需要送入DCS显示就计算几个AI输入点，必须将每一路0-5A电流信号经电流变送器转换为4-20mA信号送DCS，最多3个点)；如电机需多地控制，则控制地点选择开关计算1个DI输入。

下图是余热发电项目GGD电气柜、现场操作箱和DCS系统三地控制的电气二次控制原理图举例

电机控制二次回路功能说明：电气柜、现场操作箱上的停止按钮能在任何状态下让电机停止运行；控制地点选择开关可以选择“本柜控制”、“现场控制”和“DCS控制”，选择开关对应位置的启动按钮能启动电机；选择开关在“DCS控制”时，在DCS系统上才能进行电机启动/停止操作。

电气元件说明：二次原理图中1SS为电气柜上的停止按钮，1SS1为现场操作箱上的停止按钮；1SB为电气柜上的启动按钮，1SB1为现场操作箱上的启动按钮；DO为DCS系统启动/停止控制输出触点；1HR5为电源指示灯；1HR为电气柜上的运行指示灯，1HR1为现场操作箱上的运行指示灯；1HG为电气柜上的停止指示灯，1HR1为现场操作箱上的停止指示灯；1KK为操作地切换开关；1KH为热继电器；1KM为接触器；1KA为中间继电器；1FU为二次回路保险。

②降压启动电气控制的DCS系统点数
每个降压启动回路电机全压运行状态信号(来自于主接触器1KM1辅助触点)计算DI输入1个点，DCS启动/停止控制信号(接接触器线圈)计算DO输出1个点，电气故障信号(来自热继电器或者电机保护器过载信号)计算DI输入1个点，电机电流信号(来自三相电流变送器)计算AI输入点数3个点(电机A、B、C相电流变送器)；如电机需多地控制，则控制地点选择开关状态(选择DCS系统控制时)计算DI输入1个点。

下图是余热发电项目GGD电气柜、现场操作箱和DCS系统三地控制的降压启动二次回路控制原理图

③变频器控制的DCS系统点数
每个变频器运行状态信号(来自于中间继电器触点)计算DI输入1个点，DCS系统启动/停止控制信号(接中间继电器线圈)计算DO输出1个点，变频故障信号(来自变频器)计算DI输入1个点，故障复位计算DO输出1个点，变频频率反馈信号计算AI输入点数1个点；变频频率给定信号计算AO输出1个点。

④电机正反转控制的DCS系统点数
电机正转运行状态/反转运行状态(来自接触器辅助触点)计算D1输入2个点，正转故障/反转故障信号(来自热继电器)计算DI输入2个点，正转控制/反转控制(接接触器线圈)计算DO输出2点，电机电流反馈信号最多计算AI输入3个点(无电流反馈不计算该点)。

⑤DCS系统兼容PLC功能，复杂的逻辑控制按照实际工程要求来计算DCS系统I/O点数(计算方法与计算PLC点数方法相同)，在此不一一罗列说明。
通过以上DCS系统点数计算方法可以迅速统计出实际需要的DCS系统硬件点数，DCS系统实际配置还需要考虑DCS系统冗余，通常按照用户实际需要的DCS系统I/O点数增加20%冗余(教科书书上都是这样说的)。

通讯点数统计
DCS系统还有可能与其他系统或带通讯的仪表或装置通讯，那么在前期工作中必须详细统计相关设备的通讯协议类型的数量，这与DCS系统的硬件成本没有多大关系，但与DCS系统组态的工作量及与通讯相关的外围设备配置有关。假如您的DCS系统属于施工方交钥匙工程，你完全不用在此方面费精力；如果你是工程承建方，DCS系统组态自己完成，这个工作就是必需要做的，因为这跟你的施工成本有关。

某小型热电厂包含三台75t循环流化床锅炉，两台12MW汽轮机组。整个热控项目大概含有1000个I/O点。

DCS系统I/O点数统计
拿到数据库之后，我们先进行DCS系统I/O点数统计，按AI、AO、DI、DO分成四个部分，AI分为4-20mA、RTD和热电偶三种，分别做上标记，一般这个工作都在Excel中完成，可以方便统计、查询，最好使用不同的背景颜色来区分。模拟量部分要注意是否有相应的量程、单位等信息。

整理数据库的同时，我们应该注意浏览一下，看看都包含哪些设备，哪些采集点。刚接触数据库的时候可能认为上千个点是很庞大的，随着我们对生产工艺的了解和熟悉，慢慢就会发现其实没那么多，因为大部分都是经常用的。如果发现有不了解的，应该及时与设计院或者甲方沟通，弄清楚，防止以后带来问题。

还可以有一个方法帮助我们尽快熟悉系统和设备，那就是对照热控系统图纸，这个图纸按照工艺分成若干份，比如锅炉汽水系统、锅炉风烟系统、锅炉给水系统、除氧系统、锅炉连排系统等，数据库中的每个点都应该清楚地标记在图纸上，比如汽包水位一般采用三个测量点，都标记在汽水系统的图纸上，给水系统中也会标记。先熟悉工艺流程，再熟悉设备，通过设备就能知道数据采集点了，这样是不是就没那么困难了？

DCS系统硬件配置
下面我们来把数据库的点整理到具体的DCS系统I/O通道，就是分配测点，前面章节已经说过了，计算机就是根据你分配的点的位置和类型，来采集数据，然后进行方案运算的，所有接下来的工作非常重要，不能有任何差错。

(1)分配测点
先把特殊的要求或设备分检出来，处理完之后再进行一般设备的配置，这样会提高效率，也防止遗漏，因为在配置一般设备的时候，我们又做了一遍检查，如果有遗漏就可以及时增补，反过来做呢？也许更好吧，总之，找到一种最适合自己的工作方法是最终的目的。好了，下面说一般DCS系统设备的配置，这里有几个原则：
①相同的测点尽量分配在不同的DCS系统卡件上。这样做是为了分散风险，假如某个模块更换或者有故障，另外的模块还可以监视相同的测点。
②相同的设备尽量分配在同一个DCS控制站中。这样的分配是为了尽量减少站与站之间的数据链接，降低复杂程度和故障点。
③DCS系统的站与站之间如果有变量的交换，最好使用硬接线的方式，这样的做法也是为了增强系统稳定性，但是缺点也是明显的，因为这样做至少占用两个DCS系统卡件通道，一个AI输入，一个AO输出，因此可以根据情况考虑，如果需要交换的变量很多，那只能采用网络变量的方式，通过上位机软件的功能来完成数据交换。
④每个DCS卡件模块应留有2-4个备用通道。不多说了，这里为了适应系统的更改，因为用户如果增加了测点，找不到通道的时候，会给我们的工作带来很多麻烦，因此这是必需的，一般招标书里面也会有提及。
⑤每个控制站的每种类型卡件应该留有1个备用，这是为检修方便考虑：假如卡件出现故障，第一时间以热拨插方式更换一块全新的就可以解决问题。
⑥在数据库增加三个字段，站号，模块号和通道号，这样就把每一个数据点都分配到具体的模块的不同通道里，不能有重复。

根据控制系统的特点，每个控制站会有一定的负载能力，也就是说能接入的模块数量是有限的，因此，必须考虑分成几个控制单元和机柜。本系统点数比较少，每台锅炉3个主控单元即可满足控制要求。

完成以上工作后，整个系统的配置基本上就已经搭建好了，在提交最终配置结果之前，一定要仔细把上面的工作“过一遍”，对毎一个步骤都需要重新验证一下，数据库整理的时候是否由于误操作把某些数据隐藏了？或者不小心删除了？在排序的时候是否把数据弄乱了？对于一个刚刚开始工作的工程师来讲，这样的低级错误是肯定要犯的，没关系，不要气馁，借用一句话：错了就改，改了再犯，犯完再改，千锤百炼嘛。然后再对照系统图，找到数据库中的每一个点的位置，看看有没有特殊的点或者设备，需要怎样处理？最后根据分配原则重新计算一下配置是否合理，是否满足要求。

当你对上面的工作确信无误的时候，就可以进行下面的工作了，配置硬件，也就是给系统配备采集卡件、主控单元、机柜、操作员站等设备。

(2)根据I/O点数完成DCS系统硬件配置不同品牌的DCS系统硬件配置不一定相同，但配置思路和方法是相同的：DCS系统硬件都是根据现场准确需求和DCS系统I/O点数来确定的。DCS系统硬件配置需要完成以下内容：
①硬件冗余配置
对关键设备进行冗余配置是提高DCS可靠性的一个重要手段，DCS系统冗余通常包括电源冗余、控制器冗余、通信冗余、操作站冗余和DCS系统I/O板卡冗余，具体冗余要求最好和DCS系统厂家仔细沟通，做好冗余配置及相关设备数量统计。
②插件的配置
根据系统的要求和控制规模配置主机插件（CPU插件）、电源插件、I/O插件、通信插件等硬件设备；
③确认DCS系统机笼和机柜数量
DCS系统机笼用于安插DCS卡件模块，不同厂家的DCS系统机笼配置要求各不相同，但基本都是按照卡件数量配置相应的机笼，卡件数量固化下来后就可统计出机笼数量。
DCS机柜用于安置各种插件、机笼和中间继电器等，DCS机柜常见尺寸为2100*800*600mm，机柜数量是根据安装的插件、机笼和中间继电器等设备的尺寸和数量来决定。

④硬件安装

不同的DCS，对于各种插件在插件箱中的安装，会在逻辑顺序或物理顺序上有相应的规定。另外，现场控制单元通常分为基本型和扩展型两种，所谓基本型就是各种插件安装在一个插件箱中，但更多的时候时需要可扩展的结构形式，即一个现场控制单元还包括若干数字输入/输出扩展单元，相互间采用总线连成一体。

(3)分配操作员站
一般来说，每台主要生产设备配一台操作员站，因此本应用配5台操作员站，再加一台工程师站，有的系统需要配置冗余服务器，那就应该选用配置高一些的计算机来担任，如果有需要还应该配备打印机。当需要与其他系统通信时，就应该配备相应的通信设备，比如串口卡等，为了防止其他设备对主控系统的干扰及损坏，大都采用通信的方式进行数据交换，也就是说其他系统不能接到底层的机柜或者主控单元中，要通过操作员站或者工程师站来进行数据交互。

笔者曾经做过一个项目，在控制系统之外，还有水冷壁振打系统，它是在锅炉停运以后，利用超声波方式，来清除水冷壁上面结垢的设备，由于不是主控系统厂家的设备，因此把它单独接到一台通信机上，通过外接软件来完成监视功能。一般还会有与DEH系统的通信，因为DEH系统往往是单独的，可以通过串口通信的方式把一些重要数据比如转速、阀门开度、目标转速、升速率等接入控制系统。还有一些通信必须使用硬接线的方式接入控制系统，也就是直接接入控制机柜的卡件中，参与系统控制，比如电气系统的停机跳司信号等。

(4)绘制网络系统图
好了，假如你自信前面的工作已经完成了，就开始进行下一步工作，画配电系统图和网络系统图。配电系统图的内容包括整个控制系统的电源及接地系统的详细内容，包括进入系统的电源、系统内的电源接线原理、还有系统接地原理。这是很重要的内容，因为设备到现场以后，电源的接入是由施工方实施的，电源是否稳定直接影响系统的稳定运行。

同样的，网络系统图表示的是系统设备的网络连接，一般系统都是两层网络连接，这里要具体描述每台计算机的网络位置和IP地址等信息，如有其他连接方式应明确指出。如图1所示。

图1  网络系统图

网络系统图里也可以包含每个控制单元的模块分布图，用来表示前端采集数据的每个I/O卡件的具体位置以及总线连接方式，如图2所示。

(5)端子接线图
还有一个重要的图纸千万别忘了，那就是I/O端子接线图。这部分图纸是描述每个I/O卡件中的每个通道接入的信号内容，还包括是如何接线的。施工人员根据测点的分配位置来决定电缆的走向、长度，还可以把相邻位置的信号量合并在一根电缆中，因此我们可以看出，合理的设计不仅能保证系统功能的完整，还可以节省很多材料和工时，这就是设计经验的积累。

到这里，我们基本上完成了设计的前半个阶段，这个阶段的特点就是繁琐，需要注意力集中，一旦马虎就会给后面的工作造成麻烦，而且还不容易发现，最终导致致命错误。因此，笔者建议在设计之初先把整个项目浏览一下，做到心中有数，有点像读一本书一样，先看看目录，再看看简介，然后逐个章节浏览一下，重点部分深入一些。然后再逐个步骤细致完成，每个步骤最好一气呵成，不要停停走走，那样会非常容易遗漏。

图2  DCS系统模块分布图

编制控制方案
接下来，做控制方案，这是个复杂的过程，需要你对工艺的了解，对设备的了解，还有理解设计院的控制要求，对于小型锅炉，主要包含以下一些重要控制回路。

(1)锅炉MCS控制方案
①引风机调节-保障炉膛负压（见图3）。

图3  炉膛压力调节

②主汽压力调节回路-调节给煤流量，保障主蒸汽压力在一定范围内。
③一次风调节回路-保障床温在正常范围，防止结焦。
④二次风调节回路-根据烟道中的含氧量来调节风门大小，保障炉膛内燃烧充分。
⑤主汽温度调节-根据减温器出口温度的高低，通过调节减温流量阀门来保障主蒸汽的温度满足生产需要。
⑥给水调节-根据汽包水位、给水流量、蒸汽流量信号采用三冲量调节控制汽包水位。

图4  汽包水位三冲量调节

(2)锅炉顺序控制方案
①引风机及出口门回路。
②一次风机启停回路。
③二次风机启停回路。
④反料风机控制回路。
⑤给煤机及出口门控制回路。
⑥汽包紧急放水门控制逻辑。
⑦紧急停炉连锁逻辑。
(3)汽轮机连锁逻辑
①凝结水泵启停联锁逻辑。
②射水泵联锁逻辑。
③给水泵联锁逻辑。
④疏水泵联锁逻辑。
⑤主汽门控制
⑥交、直流润滑油泵联锁控制

图5  交流油泵连锁控制

图6  直流油泵连锁控制

(4)公用系统部分控制逻辑
①除氧器水位控制调节。
②减温减压器温度、压力调节。
③凝汽器水位调节。
以上内容不是全部，也不是必需，一切都要以实际系统配置和设备功能来定制。控制方案设计好了之后就是在组态软件中把它实现出来，然后下装到控制器中运行。一定要保证所有方案都能调整畅通，是否正确可以留到现场调试的时候与专工商榷。

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