浅谈DCS控制系统的安装与调试

陈海鹏

【摘要】本文对DCS系统安装要求及调试前的检查和准备工作、调试的主要方法、过程中出现故障的诊断与处理作了简要的描述。

【关键词】分散控制系统DCS；安装要求、调试前检查；调试方法；故障诊断与处理；

1 前言

分散控制系统DCS（Distributed Control System）又名集中分散控制系统（简称集散控制系统），也叫分布式控制系统，是以微处理机为基础，集先进的计算机技术、通讯技术、CRT技术和控制技术即4C技术于一体的控制系统。主要通过操作站对整个工艺过程进行集中监视、操作、管理，通过控制站对工艺过程各部分进行分散控制。

目前使用较多的集散控制系统有霍尼韦尔的TDC-3000、费希尔（Fisher）PROVOX-PLUS、ABB的INFI-90和Symphony系统 、三菱MACTUS810、和利时MASC系统等等。不同的集散控制系统所实现的功能和调试方法也不尽相同，但总的内容与步骤大致相同。

2 DCS的安装要求

2.1 DCS系统对环境的要求

DCS设备安装时，安装环境对DCS的运行状况有很大的影响，因此要十分重视安装DCS设备的环境。安装DCS设备必须在其安装位置的室内装修、消防、空调等安装工作结束，环境清洁，温度、湿度适宜，必要时能投用空调的情况下才能开始，以避免因温度损伤和积尘脏污造成以后的设备运行隐患。计算机系统附近不应用较大的动力电器设备，不应在计算机室内使用较大功率的对讲机、手提电话等，即环境磁场强度应限制在计算机系统规范所允许的最小磁场强度以下。

2.2 DCS对接地的要求

控制系统的接地是为了给整个系统提供一个统一的、公共的、以大地为零的基准电压参考点。当供电或设备出现故障时，通过有效地接地系统承受过载电流，并迅速传至大地。还可以为DCS设备提供屏蔽、消除干扰。因此，正确的接地是保证控制系统能够稳定、安全运行的关键之一。DCS对接地有非常严格的要求。经验表明，在调试、试运阶段，很多热控系统的故障是由于接地不当引起的。

在接地系统中，比较容易出现的问题有：（1）连接头未压焊或焊接不牢造成虚焊；（2）螺栓连接点因震动而引起松动；（3）连接点因腐蚀引起接触不良；（4）接地极电阻增大，接地极同电网断开；（5）地线布线不合理。

2.3 对电源系统的要求

控制系统对电源系统的最基本要求是必须有2路电源，且2路电源之间可以正常切换。这样，才能保证控制系统的正常运行。电源质量同样影响系统的稳定运行。用于系统的电源既要保证电压的稳定，也要保证在一路电源故障时，无扰切换至另一路电源，否则会对系统工作产生干扰。

3 系统调试前的检查

调试前的检查是为了保证开机顺利、可靠。通常集散系统不经检查是不允许送电和不允许开机的，而且在每次送电和每次开机前，都应进行必要的检查。检查的主要内容如下：

3.1 环境检查

检查主控室和现场控制站的空气温度、湿度、室内照度是否达到使用条件。为此要检查空调系统、照明系统和空气净化系统的运行是否正常，是否符合要求，有一项不合格，就不具备开机条件。若停机时间不长，而且不是因为环境问题停机，可以适当放松，只要环境的温度、湿度和净化度在控制范围之内即可。

3.2 导线绝缘电阻的检查

此项检查可以作为抽查项目。每个回路都有超载保护，可以抽查几个回路。检查方法是把导线和设备断开，用兆欧表测绝缘电阻。具体要求是：信号线路绝缘 ≥2MΩ，补偿导线之间的绝缘电阻≥0.5MΩ，系统电源带电部分与外壳的绝缘≥5MΩ。

3.3 供电检查

供电检查分为两个步骤：：第一是装置的供电系统检查，包括UPS的检查和24VDC供电柜的检查；第二是供电电源的检查，包括熔断管容量的检查和负载性能的测试。

4 调试的主要方法

4.1 系统调试的覆盖方法

（1） 硬件调试项目覆盖。把硬件分类，制定调试表格，将具体的检验项目的正确状态、数据和允许误差填好。测试时按表格检查，注意记录。

（2） 軟件调试覆盖。其实软件已经过厂家的出场调试，现场调试的主要工作是检查使用系统软件，对相应软件进行结构性测试和功能性测试。

（3） 单回路调试。根据回路接线图，将输入、输出信号按模拟量、数字量等类型分类，并按其范围和特点分组，排出调试顺序。无论一个回路的调试分几部分完成，每完成一部分即用色笔在回路图对已经调试的线路和单元做好标记，同时要做好相应的数据记录。

（4） 联锁回路调试覆盖。利用设计提供的信号联锁逻辑图或将线路图整理为逻辑测试图，对联锁系统进行逻辑功能调试。重点为测试前核对逻辑图。逻辑“1”和“0”的条件结果需双重测试。不能遗漏设计需要的逻辑功能，也不能出现多的逻辑功能。

（5） 程序控制系统调试覆盖。按程序表逐步测试，对每一步的进行条件、各元件状态、程序时间全面检查、试验。

图1 DCS系统调试图

4.2 系统调试的模拟方法

系统调试中采用综合模拟方法。采用这种方法的目的是在系统投入生产过程以前完整、真实的模拟过程参数，进行系统状态调试。

（1） 输入信号模拟。在系统中模拟输入过程变量相应的信号，使用0.05级数字万用表和数字式压力表做标准表，保证精度上的要求。

（2） 输出负载模拟。冷态调试时，现场负载不接入。对模拟量输出负载，可在控制室内有关盘中输出输入端子上接入与负载相当的小功率电阻，使其在屏幕上正常显示。当数字输出信号的负载需要时，可用信号灯模拟。热态调试前拆除模拟负载。

（3） 系统模拟。系统模拟主要使用在重要且复杂的联锁系统，采用冷态调试。制作模拟板，数字信号用开关和信号灯模拟，模拟量信号可由简易电子元件线路产生。

（4） 故障模拟。故障模拟的主要目的是为了检查计算机系统对故障的检测诊断和冗余功能。送入越限信号，故障信号，测试操作站的显示状态。用切断电源、切断负载、拔出插件（卡）、人为调整和加临时跨接线等方法模拟故障状态，测试操作站对相应故障的检测诊断和冗余功能。

5 调试人机对话

利用DCS操作站等人机接口的功能，如各单元插卡的发光二极管显示，以及现场的显示操作部分等，或必要时在端子上插入临时的人机接口，提高系统调试的速度、效率和准确性。其要点是：数据通道按三级优先权通讯。对不同的功能画面，扫描周期不同。注意调试中相应等待、监视、延时，不要急与对话。延时也包括调节单元的滞后，如向调节阀发送改变输出信号后，需等待阀的动作时间。

6 DCS系统现场调试中的故障诊断与处理

DCS系统尽管有很多优越性，给现场安装，调试及系统运行带来了很多方便，然而要保证控制系统输入输出点顺利开通，所有回路、联锁及报警系统安全、正确、可靠地投入运行，仍然必须注意现场安装，调试的高质量与高效率，及时排除隐患。根据以往的经验，在施工过程中要注意以下几个方面的问题，并采取相应的措施。

6.1 现场常见的硬件故障

（1） 系统插卡和元件故障。可能产生的原因是元器件质量不好、使用不当、错误的接线引入不正常的电压而引起的短路等等。

（2） 线路故障。可能产生的原因是电缆导线端子、插头损坏或松动而造成接触不良；或接线错误、调试中临时接线、拆线或跨接线不当；或外界腐蚀损坏等。这类故障常是隐蔽的。

（3） 电源故障。供电线路事故，线路负载不匹配，可引起系统或局部的电源消失，或电压波动幅值超限，或某元器件损坏，或某些误操作，产生电源故障。这类故障常常影响范围较大。

6.2 软件方面的故障

（1） 程序错误。设计、编程和操作都可能出现程序错误，特别是联锁、顺控条件，不少问题往往是由于工艺过程对控制的要求未被满足而引起的。

（2） 组态错误。设计和输入组态数据时发生错误，这可调出

组态显示进行检查和修改。组态错误引起信息传递处理出错。

6.3 故障测试的基本途径

（1） 现场调试主要包括三部分：硬件调试、软件调试和系统调试。硬件调试和软件调试也可以和现场安装后对DCS系统的设备检验工作一起进行。系统调试是安装后投运前对软件、硬件的综合性的最终检查。

（2） 可以充分利用制造厂提供的故障检查流程图和故障诊断表。

6.4 故障的位置及处理

（1） DCS系统能及时对挂在总线上的各回路进行周期诊断，通过检查如发现异常现象，其内容就被编译成代码，经由总线的操作站传递信息，从而在CRT上显示和报告故障发生的位置。通過CRT了解故障情况后，应进一步通过机柜的有关卡件上的发光二极管的显示状态查询不正常状态的故障内容。插件外部的故障则要逐步检查分析。

（2） 常见的故障定位方法：

1） 直接判断法。根据故障现象、范围、特点以及故障发生的记录，直接分析，判断产生的原因和故障的部位，查出故障。

2） 外部检查法。对一些明显的有外表特征的故障，通过外观检查，判断故障部位，如插头松动、断线、碰线、短路、元件发热烧坏、虚焊等等。有的故障是暂时性的，可以通过人为的摇动，敲击来发现。

3） 替换对比法。对怀疑有问题的故障部件，用备件或同样的卡件进行替换，或相互比较。注意替换以前要分析排除一些危害故障，如电源异常，负载短路等引起的元件损坏的故障，若不先行排除这些故障则替换后可能会继续损坏元件。

4） 分段查找法。当故障范围不明时，可对故障相关的部件、线路进行分段，逐段分析检查。

5） 隔离法。可与分段查找法配合使用。将某些部件或线路暂时断开，观察故障现象变化情况，逐步缩小故障范围，以确定故障部位。

6.5 组态错误处理

测试中若发现组态错误，可以核对组态表格和组态数据。对组态的修改要有专人负责。对于组态点，在调试过程中要逐一核对。对调试中的某些信号，有时还需要临时改变组态数据，以方便调试回路，调试完后应恢复原来的状态。

6.6 程序错误处理

应用软件的编制一般在设计阶段已经完成，因而在现场调试时难免会有一些程序上的修改，包括程序编写错误和控制上的变化修改。每套系统都有特定的编程语言，在调试中可以对程序进行检查和运行。

6.7 离线诊断

在系统调试中如故障无法进行在线诊断，可进行离线诊断。操作站的离线诊断主要是利用专用设备进行调试，检查有关功能。

以上调试工作简要归纳为调试流程图，如图1所示。

参考文献：

（1）集散型计算机控制系统（DCS）[M].浙江大学出版社，1994.

（2）DCS系统中控制站及其组态方法的研究[J]中国仪器仪表，2003.

（3）仪表工手册（第二版）[M].北京化学工业出版社，2004.

（4）新型DCS现场控制单元的开发[D].山东大学，2007.