DCS系统选型的主要注意事项
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2020年4月19日
DCS系统选型的主
要注意事项
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2020年4月19日
当前DCS系统的设计理念为高可靠性、高可用性相结合的设计理
念；所有的核心组件全部支持冗余设计。
总体设计在硬件结构上分为两个流派：集中板卡式和分散模块
式。
集中板卡式：机柜先安装机笼，I/O模块以板卡形式插在机笼
中。这种安装方式的优先是抗震性能好，电路板上方便布置多器
件，因而通道数量较多。缺点是受机笼限制，安装不灵活。因另
外需要控制布置接线端子，占用空间大，只能证明布置卡件，反
面布置接线端子板，需要采用专门机柜。
分散模块式：机柜无需机笼，I/O模块以独立模块形式安装在机
柜中。这个安装方式的优点是灵活方便能够在任意空间安装、占
用空间小、散热良好。缺点抗震性能低于板卡式。因模块体积
小，通道数量会受限制。
随着电子元器件的发展，小型化、智能化是发展趋势，模块式越
来越显示出灵活多变的优势，板卡式初步淘汰。因此YOKOGAWA
和Honeywell都完成了由大板卡式向小模块式的转变， ABB全
系列。Emerson的DeltaV、Invensys的I/A、Ovation等都采用
分散模块结构。国内的和利时的最新K系列和浙江中控的
ECS700都采用分散模块式结构。
总体设计在软件结构上分为两个流派：对等网结构（P/P）和客
户/服务器C/S结构。
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对等网结构（P/P）：控制站同操作员站的地位对等，通讯方式
点对点。优点是通讯不依赖于通讯节点，危险相对分散。缺点是
一个域的系统规模受限制。数据处理量也受限制。难以适合核电
等超大规模系统结构。
客户/服务器C/S结构：控制器和操作站的通讯经过服务器节点
通讯。优点是利于做大型和超大型系统，缺点是通讯依赖于冗余
的服务器节点，对服务器的可靠性要求高。
鉴于对等网结构（P/P）和客户/服务器C/S结构各有优势，最先
进的系统是能够混合结构，两种通讯结构都支持，而且能够同时
存在于一套系统中。如Honeywell的PKS-C300系列和和利时的
MACS-K系列。既能够危险分散又可适应大规模。
硬件选型
1）控制器
控制器选择的考虑因素主要有响应周期、带模块能力和扩展能
力。运算周期决定用于装置需要的反应速度；带模块能力决定了
系统规模；扩展能力决定了接第三方仪表的能力。
2）响应周期
控制器的响应周期包括采样周期和运算周期两部分，采样周期取
决于I/O模块采样速度和I/O模块总线速度。运算周期取决于
CPU运算速度。先进的控制器一般具备可设置不同的运算周期以
满足控制的需要。一般为100ms、200ms、500ms、1000ms、 ms
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可选，不同的控制对象能够用不同的运算周期，是衡量控制器技
术是否先进的重要标志。
选择控制器的运算速度不能只看CPU的主频，因为不同的系统构
架，系统运算的效率差别较大。当前主要有基于PowerPC、ARM
和X86构架，其中X86构架的CPU虽然主频很高，但运算效率不
一定很高，同样构架下采用RISC（Reduced Instruction-Set
Computer）指令相比CISC（complex instruction set
computer）指令效率更高。
对于常规控制回路要求从IO经过PID运算，至AO输出的累积响
应周期最快可达到250ms、500ms和1000ms三档，同时控制器应
具备快速控制能力，从IO经过PID运算，至AO输出的累积响应
周期最快可达到120ms。
3）带模块能力
带模块能力决定了单控制站系统规模，大多数DCS系统都在
60~120个范围，市面上单模块点数在模拟量8/16点，开关量
16/32点。单控制站容量在600-1200点左右。带模块能力与控
制响应速度是一对矛盾，当响应时间短的控制场合，需要相应减
少带模块数量。特别要限制快速控制回路模块数量。一般以控制
器负荷不大于50%为最终要求。
4）扩展能力
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需要现场总线仪表接入的场合，要求控制器具备第三方总线仪表
接入的能力，当前是DP总线、PA总线、Modbus总线和FF总线
较为普遍。这就要求控制器具备下挂网关总线模块的能力。
控制器冗余是DCS选型的必须要求，冗余切换的时间一般要求不
大于2ms，这对于现代电子技术来说很容易，诊断电路的快速和
准确性，决定了切换的时间。但软件的无扰切换直接影响现场设
备，因此软件输出数据的无扰切换是才是衡量控制器冗余技术的
关键技术。一般要求不大于最小控制周期。因此两个控制器的数
据同步技术是保证无扰切换的关键。DCS控制器冗余原理见图4-
1-2。
图4-1-2 DCS控制器冗余原理图
5）通讯网络
控制器与人机界面操作站之间的通讯网络一般由以太网构成的冗
余网络。通讯速率为100/1000Mbps.控制站与内部I/O模块之间
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的网络一般有自定义的冗余总线构成，通讯速率为500Kbps到
10Mbps不等。控制器与I/O模块的总线分为并行总线和串行总
线两种，因串行总线在抗干扰，可扩展性要更好，已经形成发展
大趋势。
网络具有物理层和协议层双重隔离，通讯负荷要求不超过40%。
6）电源设计
DCS电源交流为AC220V为主，电源输入稳定度要求不大于10%，
频率输入稳定度不大于2%。DC24V电压输出波动不大于5%，
DC48V电压输出波动不大于10%。
DCS实际分为模拟部分电源和数字部分电源两大部分供电，要求
系统自带电源将模拟部分和数字部分隔离供电。电源也要求冗余
供电，且要求只剩单个电源时，负载不超过额定功率的70%。现
场仪表设备的供电要求与DCS系统隔离供电。电源要求有自保护
功能，局部误接入高压或外部设备短路，不会造成控制站电源系
统故障，系统电源模块故障次数不大于2次/年。
7）IO模块选型
IO设计从开始推出时的单点卡，到后期的多点卡，高密度卡；
系统的模块采用背板插装方式，到当前逐步采用独立模块设计；
系统的整体设计可靠性提升，且最大便利提供用户的易维护性。
任意模块故障不影响其它模块，任意通道故障不影响其它通道，
系统中I/O模块故障次数不大于4次/年。
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模块类型应该满足当前国际上通用的信号采样标准：
AI、AO、DI、DO、PI（脉冲输入）、SOE、
RTD、TC等。
I/O卡配置原则:
控制用AI/AO卡应1：1冗余配置。
联锁用DI/DO卡应1：1冗余配置。
监测用AI/TC/RTD通道数不超过32点。
监测用脉冲通道数不超过16点。
DI点通道数不超过16点，来自电气的DI必须采用继电器隔
离。
DO点联锁时卡件通道数不超过16点，必须采用继电器隔离。
危险气体监测卡需要单独设置卡件。
系统一般预留20%的备用卡件，同时预留15%的扩展空间。
全部I/O卡基于恶劣的工业环境设计，符合EMC的设计规范，应
带电磁隔离或光电隔离，抗干扰性符合工业环境下的国际标准
IEC61000。有防腐需要时系统防腐蚀能力满足ISA S71.04标准
G3等级要求。I/O模块需要有断线、短路、超量程、通讯等报警
功能。
需要防爆的场合，需要选配安全栅或带本安防爆的卡件。
控制I/O模块要求冗余配置，常见的是AI冗余有两种原理，以
Honeywell C300硬件为代表采用并联冗余机制，原理是将电流
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信号经过同一个250欧姆电阻，转换为电压信号，再并联两个测
电压模块同时测量，同时送控制器，由控制器挑选品质好的模块
运算。并联式冗余示意图如图4-1-3。
图4-1-3 I/O模块并联式冗余示意图
以Yokogawa CS3000、Emerson DeltaV为代表的采用切换式冗余
机制，原理是冗余的模块内藏切换开关，只有主模块开关才接
通，备用模块开关不接通。切换式冗余示意图如下：
