控制系统概述

K系列大型DCS充分吸取国际工业电子技术和工业控制技术的最新成果，严格遵循国际先进的工业标准，综合体现了离散过程和连续过程自动化的要求，在装备自动化和过程自动化两方面都可以应对自如。

K系列大型DCS具有可靠性高、功能丰富、性能优异、集成度高、扩展性好，体积小巧、易于使用等特点，可为不同工业领域提供个性化的解决方案，可广泛应用于冶金、建材、轻工、交通、电力、石化、汽车、矿井、水处理、食品加工等多种行业。

K系列大型DCS产品，既体现了标准化、集成化、开放化、控制速度快、结构简单的特点，又综合了控制功能强大、冗余、热插拔、强调高可靠不停机使用的要求。

DCS--HOLLiASMACS-K系列分布式控制系统，于2013年正式推出的，是和利时公司在总结十多年用户需求和行业应用特点、积累四代DCS系统开发应用的基础上，全面继承以往系统的高可靠性和方便性，综合自身核心技术与国际控制系统技术而推出的新一代DCS。

系统简介

HOLLiASMACS-K系统具有数据采集、控制运算、控制输出、设备和状态监视、报警监视、远程通讯、实时数据处理和显示、历史数据管理、日志记录、事故顺序识别、事故追忆、控制调节、报表打印、高级计算、以及这些信息的组态、调试、打印、下载、诊断等功能。

HOLLiASMACS-K是和利时公司面向过程自动化应用的大型分布式控制系统，采用全冗余、多重隔离等可靠性设计技术，并吸收了安全系统的设计理念，从而保证系统的长期稳定运行。

HOLLiASMACS-K基于工业以太网和PROFIBUS-DP现场总线构架，集成基于HART标准协议的AMS对现场智能设备进行统一管理，并且可以轻松集成SIS、PLC、MES、ERP等系统，使现场智能仪表设备、控制系统、企业资源管理系统之间的信息无缝传送，实现工厂智能化、管控一体化。

同时，本系统集成火电、化工等各行业的先进控制算法平台，为工厂自动控制和企业管理提供深入全面的解决方案，从而实现生产、设备和安全三大目标的最佳协调，帮助用户实现最小的全生命周期维护成本、最大的设备投资回报。

系统结构

如图1-1所示，系统网络架构从上至下由管理网（MNET）、系统网（SNET）、控制网（CNET）三层构成。管理网为可选网络层，用于和厂级生产管理系统如MES、第三方管理软件等进行通讯，并可通过INTERNET实现安全的信息发布，实现数据的高级管理和共享。系统网连接工程师站、操作员站、历史站和控制站等系统节点，支持P-TO-P（对等网）、C/S（客户机/服务器）、P-TO-P和C/S（混合）三种网络结构，可快速构建星形、环型或总线形拓扑结构的高速冗余网络，符合IEEE802.3及IEEE802.3u标准，100/1000Mbps自适应。控制网用于控制站的主控制器与各I/O模块及智能设备的连接，支持星形和总线形结构，符合IEC61158（国标：JB/T10308.3-2001，欧标：EN50170），确保现场级通讯的实时、稳定、快速。

网络设备：

交换机：工业安全交换机。

通讯介质：SNET和MNET使用STP5或UTP5类双绞线，多模或单模光缆，CNET使用IOBUS专用电缆，多模或单模光缆。

系统组件

HOLLiAS MACS-K系统的组件主要包括以下几个：

工程师站

主要用于系统管理和组态维护及修改。

在线下载功能；画面组态和编辑；功能点组态和定义功能；控制回路组态功能；报警、趋势图等定义和编辑功能；通讯定义和组态功能；设备定义和组态功能；数据库定义和组态功能；报表生成功能等。

工程师站具有组网能力（可作为网络服务器）或多终端能力，采用双网卡配置，可以通过交换机与全厂管理网络相连。

工程师站可兼作操作站。

操作员站

每台操作员站都具有工程师站的功能。

操作站的主机是工作站或高性能工业用计算机，其操作系统是通用的、适用于工业化的、可靠的操作系统。

操作站的硬件规格为32位总线，32位或以上CPU，SCSI外设控制器。操作站带有硬盘驱动器，并能配置成冗余型，使主机能够单独自启动。操作站能配置光盘驱动器、活动硬盘等高密度外部数据存储设备。操作站可配触摸式操作员键盘。

操作站所有的外设及接口是通用的，硬盘驱动器、光盘驱动器、显示器、通用键盘、鼠标或球标、打印机等是商业化可互换的。

操作员站提供工艺操作人员、工艺工程师及仪表自控人员使用的人机界面，具有工业标准的操作员站专用键盘，主要功能有：

模拟流程图显示功能，交互特性提供模拟常规盘装仪表的操作面板；实时和历史趋势曲线的监视和查询功能；报警监视列表功能；参数成组监视功能；设备日志、操作日志、SOE日志和全日志的查询功能；事故追忆查看功能；工艺报表的定时和即时打印功能；用户管理功能；语音报警提示功能

HOLLiASMACS-K系统操作员站具有分权限，分区域显示、查询、报警、控制功能。

操作站具备不同级别和不同操作区域或数据集合的操作权限。操作级别和权限用密码或钥匙的方式限定。操作员密码和操作权限能由系统管理员设定和修改。

历史站(历史数据工作站)

历史数据工作站具有以下功能：历史数据采集记录、日志生成功能；SOE及事故追忆信息的组织功能；向操作站提供历史趋势数据；非SOE点的时间标签生成功能；历史数据自动存盘功能；向工程师站提供离线查询功能的历史数据文件；向操作站、控制站发送系统校时信号；存储及检查用户权限和口令。

接在局域通信网上，用于过程数据的存储与管理，并为各分区的历史记录作同步备份。历史数据工作站的机型为服务器型，采用冗余配置硬盘。历史数据工作站配置高密度活动存储设备和可读写光盘驱动器(CD-RW)。

能通过交换机与全厂管理网络相连。历史记录能转存到移动存储设备上。

控制站

HOLLiASMACS-K的控制站能满足大型石油化工装置过程控制的功能及速度要求，具备连续过程控制、批量控制和顺序控制的功能。

控制器具备快速控制能力，从I/O输入经过PID控制运算，到AO输出的累积时间在0.2秒以内。

工艺数据的输入和输出、采集和处理；控制站的主控单元（控制器）具有IOBUS现场总线主站功能；具有强大的控制运算功能，能够完成模拟量反馈控制、开关量的顺序控制。并且能够把以上两者结合，实现更复杂的控制功能。包括以下组态编程语言：FBD：功能块图；CFC：连续功能图；SFC：顺序功能图；ST：结构化文本；IL：指令列表；LD：梯形图。

控制站内部各个部件可以按用户要求实现冗余配置。

可燃气体、有毒气体报警检测器的I/O卡件可为独立卡件。

DCS配备PID参数自整定功能。

系统特点

安全可靠

全冗余：系统网络、控制网络、控制器、电源模块、I/O模块均可冗余配置，无单点故障。

多重隔离：系统总线和模块之间采用光电隔离，系统电源和现场电源隔离供电，模块通道之间电气隔离。

坚固的设计：系统基于恶劣的工业环境设计，抗电磁干扰符合IEC61000，防腐蚀能力满足ISAS71.04标准G3等级要求。

安全的网络：系统网络采用确定性实时以太网，配备带防火墙的交换机；控制器CPU采用PowerPC构架的工业级芯片，内置防网络风暴组件。

丰富的诊断：控制器和I/O模块均带有智能诊断单元，每个模块均可进行通讯状态、信号断线、短路、超量程等完善的自诊断和故障上报。

高可靠的设计理念：采用了大量的安全系统设计理念，如信号质量位判断、故障导向安全，提高系统可靠性。

灵活开放

支持P-TO-P（对等网）、C/S（客户机/服务器）、P-TO-P和C/S（混合）三种系统网络结构。

支持星形、环型或总线形拓扑结构的工业以太网连接。

兼容各种现场总线，支持HART、PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、MODBUS等各类协议。

功能丰富的HMI人机界面，符合IEC61131-3的控制算法编程软件；支持用户自定义各类功能块和脚本语言。

可以对控制算法和硬件配置灵活修改，修改后对现场不停车无扰下装。

系统设计考虑用户使用方便，易维护、易更换，提供了完善的系统状态和诊断信息。

系统规模

支持最多：15个域

操作员站：64台/域

现场控制：64台/域

单个现场控制站规模

I/O模块数：100个

I/O点数： 1600点

模拟量控制回路数：128个

支持的最大通讯点数:20000个

实时响应能力

SOE精度：0.5ms

SOE事件分辨率：1ms

从操作键入到相应输出变化：＜1s

控制器任务调度周期：50ms,100ms,200ms,500ms,1s

画面数据更新时间：＜1s

系统指标

工作环境

工作温度： -20～60℃

工作湿度： 5%～95%相对湿度，无凝结

存储温度： -40～80℃

存储湿度： 5%～95%相对湿度，无凝结

海拔高度： -300～3000m

大气压： 86Kpa～106Kpa

振 动： 加速度0.5g，振动频率：10Hz≤f≤60Hz，每分钟一倍频程（±10%）

防护等级： IEC60529，IP20

环境适应性：符合ISAS71.04 G3等级

电磁兼容性

静电放电抗扰度：符合IEC61000-4-2

射频电磁场辐射抗扰度：符合IEC61000-4-3

电快速瞬变脉冲群抗扰：符合IEC61000-4-4

浪涌（冲击）抗扰度：符合IEC61000-4-5

射频场感应传导骚扰抗扰度：符合IEC61000-4-6

电压暂降和短时中断抗扰度：符合IEC61000-4-11

技术特色

K系列控制器配置400MHz处理器，拥有纳秒级的处理速度，在速度、性能和功能方面优势突出。

可选冗余

可在同一背板上配置冗余控制器。采用主、从热备冗余，主、从控制器模块同时接收网络数据，同时做控制运算，但只有主控制器输出运算结果，且实时更新数据。从控制器模块虽然也采集数据和运算，但并不输出控制命令。一旦工作中的主模块发生故障，从模块自动升为主且切换过程是无扰的。这种冗余配置方式，极大地提高了系统连续运行的能力。

抗220VAC

I/O模块安装增强型底座上，具有抗AC220V功能。在通道接线端子误接220VAC时，保护系统和模块不受损坏。该功能通过增强型底座上的保险电路实现。保险管采用插拔式结构，方便更换和维护。

热插拔

所有模块（通讯模块、控制器和I/O模块）均支持带电拔插。当某个模块发生故障时，维修人员可在不影响系统正常运行的情况下进行维修和更换。

故障诊断

I/O模块均带有故障检测功能，周期性地进行自诊断，并将诊断结果上报控制器。

I/O从站模块根据类型不同提供了各样的硬件诊断功能。诊断信息以诊断数据的形式通过多功能总线上报控制器，在编程软件中调用专门的诊断功能块，就可以读取各种诊断数据，判断现场设备的运行情况。

I/O模块的诊断级别既有针对整个从站的模块级诊断，又有通道级诊断，且每个模块的每个通道的诊断功能单独设置，互不干扰，比如通道是否使能、通道超量程诊断等，软件采用下拉式菜单设计，操作简单方便。

诊断过程在硬件模块中进行，从站模块直接向控制器提供该模块的诊断数据。用户无需编写任何组态算法即可实现对现场信号的故障诊断。

模块的面板上均有不同颜色的状态指示灯，包括运行灯、通道灯、网络通信灯等。LED状态指示灯的亮、闪、灭组合代表了模块不同的运行状况，使得各模块的运行状态一目了然。

现场控制站硬件介绍

现场控制站作为信号采集和控制设备，是整个控制系统的核心单元，完成系统的实时控制过程，它是是整个系统工作的硬件基础。

控制器模块

控制器模块是现场控制站的核心控制部件，协调控制站内软件和硬件的关系，完成各项控制任务。控制器可以自动完成数据采集、信息处理、控制运算等各项功能，向上通过系统网与工程师站、操作员站、数据服务器等设备相连，接收上层的管理信息，并向上传递工艺装置的特性数据和采集到的、输出的实时数据；向下通过控制网 IO总线与 I/O 模块相连，实现与 I/O 模块的信息交换，完成现场信号的输入采样和输出控制。

冗余的主控制器安装在主控背板上，实现供电、对外通讯、冗余连接等功能。控制网通过IO-BUS模块扩展可以连接最多100个I/O模块。通过选用不同的IO-BUS模块，控制总线拓扑结构可构成星型和总线形，同时支持远程I/O机柜。

自身状态诊断

故障诊断对象是控制器的基础硬件以及各个功能块，最终达到诊断整个控制器的目标。

控制器支持下述几类功能诊断：

硬件故障诊断——实时进行本机IO总线通讯收发器故障诊断、内部电源故障诊断、时钟诊断、冗余电路状态诊断、掉电保护SRAM诊断；

板上温度检测——印制板上温度高于90℃报警；

通讯网络连接状态诊断——系统网连接状态诊断、控制网连接状态诊断；

掉电保护电池容量不足诊断——低于2.8V时报警；

与IO-BUS模块配合可获取控制柜内温度、各电源状态等信息。

冗余功能

主控制器采用1:1冗余配置保证可靠性。互为冗余的一对控制器安装在4槽控制器底座中，主、从机热、备冗余方式，一个控制器处于工作状态（主机），另一个控制器处于备用状态（从机），主从机状态可通过面板上STANDBY指示灯判别。

控制模块通过内部冗余控制电路保证两个冗余控制器间的组态、数据和运行周期保持一致。两个主控制器同时接收网络数据，同时做控制运算，但只有一个输出运算结果。

周期自动同步——主机与从机每周期交互同步数据，从机使用同步数据跟随主机运行，同步过程不影响整个控制过程。

无扰切换——当主机出现致命故障时，如果从机工作状态正常，则进行主、从切换。该切换为无扰切换，切换过程不会影响整个控制过程，不会导致输出通道的扰动。

实时诊断——冗余的控制器实时的进行自身状态诊断，并相互诊断，当主机出现影响控制的故障时，从机在50ms内切换成为主机。

在线更换——故障的控制器可以在线更换，更换不影响整个控制过程。

掉电保护

主控制器在运行过程中自动保存组态数据、过程数据以及部分需要掉电保护的关键数据。当控制器断电时，以上数据会在后备电池的支持下保持至少3个月（具体保持时间视电池使用情况定）。

当后备电池的容量不足时，控制器会上报电池电量不足的报警信息，在出现报警后的3个月内必须完成电池更换。更换后备电池时，主控制器模块可带电，也可不带电。当采用不带电更换时，掉电保护的数据将丢失。

短路保护功能

主控背板上共有6列模块的多功能总线（系统电源+现场电源+通讯）接口，并且接口冗余。每列模块的每路系统电源（S）和现场电源（F）均安装有快速熔断保险丝，当某一路电源出现问题时，不会影响其他电源的工作，熔断的保险丝可就地更换。

IO模块主要性能

I/O模块的基本特性如下所述：

模块支持1:1冗余配置，冗余切换无扰

单模块供电冗余、通讯冗余

支持带电插拔

通道与系统之间电气隔离

模块级故障诊断，实时自检，通道侧电源、IO-BUS冗余通讯网络故障诊断等

通道级故障诊断，断线、短路检测，并通过面板上的通道LED灯指示

具备强大的过流过压保护功能

熔断保险丝可就地更换，简单、方便

开关量通道供电可自由选择柜内电源或外配电源

EMC三级抗干扰能力

精致外壳封装，实施喷涂三防漆处理

倾斜插卡式设计，有利于模块内热量散发，同时提高了机柜内的安装容积率

模块与底座防混插设计

导轨安装方式，方便安装和拆卸

I/O模块常规性能指标

防尘防水指标： IP20

工作温度：-20℃~60℃

工作湿度： 5%RH ~95%RH

存储温度：-40℃~80℃

存储湿度： 5%RH~95%RH

冗余切换时间：≤5ms

16通道模拟量输入模块指标

精度≤0.1%

支持HART通讯

自由量程设定

支持软件滤波

二线制外供电保护功能

抗AC220V功能

短路、断线检测

NAMUR欠量程、超量程诊断

16通道热电阻输入模块指标

精度≤0.1%F.S.

支持二线制、三线制和四线制

自由量程设定

支持软件滤波

短路、断线检测

16通道热电偶输入模块指标

精度≤0.1%F.S.

自由量程选择

冷端补偿计算可选择在模块内或控制器内

冷端采集故障检测

断线检测

8通道模拟量输出模块指标

8通道信号输出

精度≤0.2%F.S.

支持HART通讯

抗AC220V功能

开路检测

故障安全输出功能

32通道数字量输入模块指标

24/48VDC查询电压

支持有源/无源触点信号输入

支持NPN/PNP信号接入

支持继电器隔离输入

信号滤波去抖

信号颤振检测

抗AC220V功能

查询电压检测

32通道SOE输入模块指标：

24/48VDC查询电压

支持有源/无源触点信号输入

信号滤波去抖

SOE事件分辨率：1ms

事件缓存：200条

抗AC220V功能

查询电压检测

16通道数字量输出模块指标

继电器隔离输出

继电器触点输出过流保护

通道侧电压检测

故障安全输出功能

控制网络拓扑结构

控制网（IO-BUS总线）连接主控制器与I/O单元，实现二者之间的数据交换。IO-BUS模块可以实现网络的星形拓扑连接。

K系列IO-BUS模块最多支持三级级联，其扩展方式如下表所示：

供电和接地

在MACS-K系统中，现场控制机柜（I/O柜、继电器柜、ETS柜等）接入2路独立的220V AC电源，为UPS电源和厂用保安段电源。

I/O模块供电

控制器的电源由系统电源供电。

非外供电的AI模块包括四线制AI及TC、RTD模块，系统电源给CPU和I/O BUS供电，ADC侧由现场电源供电。

外供电AI/AO模块包括两线制AI模块、AO模块，它们的外供电部分由经过板内热插拔后的现场电源供电，其他部分的供电与非外供电AI模块相同。

非外供电通道隔离AI模块即四线制隔离AI模块，每个通道的电源由现场电源经过隔离DC/DC转换供电。

外供电通道隔离AI模块即两线制隔离AI模块，每个通道外供电由现场电源经过隔离DC/DC转换供电。

DI模块的查询电源可以有外部独立查询电源供电，也可以由现场电源供电。

DO模块的接点侧电源由现场电源提供。

接地说明

一个系统只允许唯一的最终接地点，一般与电气接地网共地，如果现场信号使用不同的接地点，必须考虑电气隔离措施。

严格区分不同性质的地，做到不混接。不同性质的地用分干线接入各自的汇流板（或者直接接入总的汇流板），各汇流板用总干线接入公共接地极（网），在最终处汇入一点接地。

防雷保护地通过避雷器/冲击波抑制器与电气接地网的主干线相连。

机柜的金属部分应避免与建筑结构钢筋发生直接的电气连接。

系统功能说明

系统组态软件

系统组态由以下组态工具构成：

工程总控

工程总控主界面，运行于工程师站，用来部署和管理整个DCS系统。

该工具集成了工程管理、项目管理、数据库编辑、用户组态、节点组态、流程图组态、总貌图组态、控制分组态、参数成组组态、专用键盘组态、区域管理、用户自定义功能、报表组态、编译、下装等功能。需要注意的是，工程管理器是面向域的，即一个工程对应着一个域，用户不能同时打开多个工程，以免组态时混乱。

图形编辑器

图形画面编辑工具，运行于工程师站。

用户可通过该工具生成在线操作的流程图和界面模板。该软件针对不同行业提供了丰富的符号库，以方便用户绘制美观实用的界面。它还支持用户自定义符号库。

AutoThink

控制器算法组态软件，运行于工程师站。

集成控制器算法的编辑、管理、仿真、在线调试以及硬件配置功能，支持IEC61131-3中规定的全部6种编程语言IEC61131-3中规定的STFBDSFCCFC四种语言。

以上三个软件都采用树状工程组织结构管理组态信息，界面清晰，简单易用。

操作员在线

监视和控制软件，运行于操作员站。完成实时数据采集、动态数据显示、过程自动控制、顺序控制、高级控制、报警和日志检测、监视、操作，可以对数据进行记录、统计、显示、打印等处理。

OPC客户端

完成与遵循OPC协议的第三方通讯功能。

仿真启动管理

仿真模拟运行现场控制站、历史站和操作员在线。

离线查询

该工具可按日期查询系统的趋势、报警、日志等历史数据，以帮助用户分析系统运行情况或事故原因。

操作员在线配置工具

该工具可配置操作员在线的默认信息，包括域号、初始页面路由信息等。

版本查询工具

该工具可查询当前安装的MACSV6.5.2软件的所有文件的版本信息。

查看授权信息

提供分类查看授权信息、完成软件授权的功能。

HSRTS工具

升级控制器RTS程序。

系统调试

可以监视所有现场设备的运行状态，启停控制程序。

可对变量进行强制和写入，并支持批量写入和强制。

可对历史版本进行监视。

参数回读

在调试过程中，会对某些变量的运算值进行测试、整定，因此会造成它们的在线值与离线值不一致；通过“参数对齐”窗口，使两个值重新相等。

硬件设备组态

MACS-K系统为方便硬件设备组态，提供了图形化的硬件配置界面，包括添加删除硬件模块和硬件模块参数组态。有如下特点：

支持批量添加

支持第三方设备导入

支持模块信息查看和图形化的参数组态

提供添加模块的树形结构图，使组态清晰明了

功能块库说明

MACS-K系统提供了丰富的功能块，包括基本逻辑功能块、高级运算、IO处理、自定义功能块、控制运算等。其中控制运算包括常规控制（手操器（MAN）、普通比例积分微分控制（PID）等）、复杂控制（串级PID、采用PID、分程PID、顺控设备等）、马达控制（一位式马达控制（输出一个）、双速马达控制（输出三个，高速、低速、停止）、二位式马达控制（输出两个）等）、阀门控制（一位式阀门控制、二位式阀门控制、一位式阀门控制等）四大类。

自定义功能块

用户根据实际需要，可自行定义功能块；该功能块的使用方法与系统功能块相同。

算法库灵活配置

用户根据实际情况，可对缺省加载的算法库文件进行灵活配置。

库自动更新

用来对版本低的库进行升级，使这些库的版本与软件的版本一致。

编译和下装

系统提供全编译和增量编译两种编译方式，增量编译是在原目标文件上做增量追加。

下装也分为全下装和增量下装，增量下装只将修改的部分下装到主控单元继续运算，对于正在运行的主控单元是无扰下装。

系统监视和控制

在线监控系统可以完成实时数据采集、动态数据显示、过程自动控制、顺序控制、高级控制、报警和日志检测、监视、操作，可以对数据进行记录、统计、显示、打印等处理。

监控系统面向操作员，以模拟流程图、棒状图、数值表、趋势曲线、报表、按钮、对话框等方式为用户提供数据，执行操作指令并发送至现场控制站。通过监控系统，操作员和工程师可以完成：监控自动控制过程，实时人工干预，自动打印或者按需求打印工作报表等，还可以通过厂级监控的MES等网络将画面和数据提供给管理者。

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