控制系统选型与应用
郭韶轩
2025年5月
CONTENT目录
控制系统发展01
控制系统结构组成02
控制系统选型原则04
常见控制系统03
控制系统注意事项05
控制系统行业发展06
01 控制系统历史发展
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20世纪40~50年代, 基地式仪表。
60~70年代, 气动/电动单元组合仪表.
70~80年代,单元组合仪表在石油化工生产装置普遍采用。
1975年,美国霍尼韦尔发布 TDCS2000分散控制系统。日本横河公司发布 CENTUM
分散控制系统。
1977年,山武-霍尼韦尔公司 TDCS2000 基本控制器在上海炼油厂投用。
1979年,横河 CENTUM 系统在吉林化学工业公司合成氨装置投用。
1982年1月,福克斯波罗公司 SPECTRUM 系统在上海炼油厂投用。
1993年,和利时推出国产控制系统 HS1000,在华北制药厂成功投入运行。
浙江中控公司国产控制系统 JX-100,在浙江巨化锦纶厂成功投入运行。
2006~2008年,石油化工、煤化工等快速发展,浙江中控公司、和利时公司等开始获
得大型石油化工联合生产装置 DCS 系统集成项目,并成功投入商业化运行,在实施过
程中取得经验。
一、控制系统发展
计算机控制系统的工作过程可以归纳为三个步骤:数据采集、控制决策与控制输出。
数据采集:实时检测来自传感器的被控变量瞬时值;
控制决策:根据采集到的被控变量按一定的控制规律进行分析和处理，产生控制信号，决
定控制行为;
控制输出:根据控制决策实时地向执行器发出控制信号，完成控制任务。
一、控制系统发展
02 控制系统结构组成
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术语定义：
DCS功能分类
工程师站操作站
IO卡件过程接口过程控制站
网络连接
服务器
网络通讯
人机界面
过程控制
网络结构
技术基础
控制技术
control
计算机
computer
通讯
communication
通讯接口
二、控制系统结构组成
基本思想：分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。
分散控制系统 distributed control system
控制功能分散，操作和管理集中，采用分级网络结构的以计算机和微处理器
为核心的控制系统。
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系统主要有：现场控制站（I/O站）、数据通讯系统、人机接口
单元（操作员站OPS、工程师站ENS）、机柜、电源等组成。系统
具备开放的体系结构，可以提供多层开放数据接口。
硬件系统在恶劣的工业现场具有高度的可靠性、维修方便、工
艺先进。底层的软件平台具备强大的处理功能，并提供方便的组态
复杂控制系统的能力与用户自主开发专用高级控制算法的支持能力
；易于组态，易于使用。支持多种现场总线标准以便适应未来的扩
充需要。
系统的设计采用合适的冗余配置和诊断至模件级的自诊断功能
，具有高度的可靠性。系统内任何组件发生故障，均不会影响整个
系统的工作。
二、控制系统结构组成
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过程控制站
过程控制站是 DCS的核心单元，DCS的主要控制功能都通过它实现。控制站直接接收
现场采集的I/0数据，通过内部的控制算法实现对工艺过程的实时控制。
过程控制站由专用机柜、主控单元、I0 单元、电源单元、通信单元、现场总线以
及控制软件等组成。
主控单元
主控单元采用模块化结构，是控制站执行控制任务的核心部件。对现场采集的数据根
据用户组态的控制策略进行运算处理，各种类型的控制任务，并可实现故障检测与报警、
信息传送等功能。
二、控制系统结构组成
艾默生OVATION 和利时 横河
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二、控制系统结构组成
容错 工作单元在内部出现故障或错误时，不受故障或错误的影响继续执行原定功能的能力。
冗余 采用两个或多个部件或系统实现同一个功能。
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IO单元结构形式
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
的优点是抗震性能好，机笼上方便布置多个卡件，不需要分卡件类型，无需底座模块
，集成度高、空间利用率高、通道数量较多。缺点是受机笼限制，安装不灵活，占用
空间大，系统柜只能布置卡件，接线柜布置接线端子，需要采用专门机柜。
分散模块式：机柜无需机笼，I/O模块底座以独立模块形式安装在机柜中。优点
是灵活方便可以直接在柜内接线、散热良好。缺点抗震性能低于板卡式、底座占用空
间大、底座与卡件类型配套、安装方式受限。
二、控制系统结构组成
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二、控制系统结构组成
横河机架结构
节点内通讯模块传递数据、电源模块进行io供电。
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二、控制系统结构组成
中控机架结构
IO机架进行供电和IO数据通讯
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二、控制系统结构组成
艾默生机架结构
IO机架（ROP板）进行供电和IO数据通讯
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二、控制系统结构组成
和利时机架结构
IO-BUS总线，IO通迅和IO供电一体
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二、控制系统结构组成
霍尼机架结构
IO-BUS总线，IO通迅和IO供电一体
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机架&基座&卡件
康吉森机架结构
二、控制系统结构组成
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I/0 单元
I/0单元作为DCS与现场仪表连接的in输入、out输出设备，可分为模拟量输入(AI)、
模拟量输出(AO)、开关量输入(DI)、开关量输出(DO)、脉冲量信号(PI)、通信(COM)等。
I/0模块应进行信号隔离和通道间隔离，并具备输入信号滤波、信号过载保护功能和
非线性输入信号的线性化等功能。为适应恶劣的工业环境要有抗干扰性、防腐蚀能力、电
磁隔离或光电隔离等要求。
新技术趋势：通用IO、远程IO、通道故障安全位、模块在线自诊断、通道级故障位
置分析、有源无源免跳线设计、卡件型号自识别功能。
二、控制系统结构组成
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二、控制系统结构组成
中控系统卡件与底座接线
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二、控制系统结构组成
横河系统卡件与接线方式
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操作员站/工程师站
操作员站主要提供人机界面，完成组态图形的调试及显示，现场实时数据、历史数
据曲线的显示，工艺过程的控制、调整以及趋势、报警画面的显示及操作，报表和打印
等常见控制系统的结构功能。
工程师站作为系统管理和组态维护及修改的人机接口，用于DCS的组态和配置工作
，是DCS设计和维护的主要工具。工程师站既可以通过网络接入系统在线使用，也可以
离线使用。
历史站（选配）用于完成系统历史数据服务和与工厂管理网络交换信息等。一般在
大型系统中需要单独配置，小型系统可以采用操作员站兼顾。
二、控制系统结构组成
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操作站的主机宜为工作站或工业控制机型。操作站的硬件配置应能充分满足操作站的
功能要求。
为了满足8年的生命周期考虑，操作站工程师站配置应：运行内存16GB、储存512GB、
显示器1080P/24寸。储存硬盘应采用RAID1一比一镜像配置。可考虑采用固态硬盘。
对于I/O点数超过5000点或操作站数量超过10台的大型DCS 网络，过程控制层和操作
监控层应按照操作或管理进行网络划分，划分报警分区。
二、控制系统结构组成
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服务器
一般每套系统配置1台或者冗余配置1对系统服务器，系统服务器的用途很多，不同厂
家之间可能有差别，但总体来说系统服务器具有以下功能:数据采集、数据交换、 数据存
储、计算和数据处理服务 (如数据报表、图形显示等)。
常见的服务器：1、过程数据库服务器；2、历史记录服务器；3、OPC通讯服务器；4
、设备管理服务器；5、防病毒服务器；
DCS若采用客户机服务器网络结构，应至少配置1对冗余的服务器，且服务器必须与
工程师操作站相对独立，服务器不得兼作工程师站；
二、控制系统结构组成
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网络结构
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。缺点是系统规模受限制。数据处理量也受限制。
超大规模系统结构时需要特殊设置。
客户/服务器结构（C/S）：控制器和操作站的通讯通过服务器节点通讯。优点是
利于做大型和超大型系统，数据使用方便，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。
对等网结构（P/P
）
操作站 操作站
服务器
控制站
客户/服务器C/S
控制站
二、控制系统结构组成
控制站
控制网
监控网
1 层过程控制层：控制站、I/O
模件、I/O 总线、通讯模块等
设备
2 层操作监控层：操作员站、工
程师站、历史数据服务器、IDM
服务器、OPC站等；
IO模块
二、控制系统结构组成
控制系统结构
3层生产管理层：用于调度生产管理
、数据分析的软件，使用软件包括：
PI系统，工艺管理系统等。
服务器
生产管理网
防火墙
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“域”的概念。把大型控制系统分成若干相对独立的分系统，一个分系统构成一个
域，各个域共享管理和操作数据，而每个域内又是一个功能完整的DCS系统，以便更好地
满足用户的使用。
二、控制系统结构组成
03 常见控制系统
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各控制系统各有特点有各自擅长的行业。选型要先明确需求，控制系统用途，使用在
什么项目，项目的工艺是什么，不同的方向各厂家的专业方向不一样，和利时擅长电厂\
煤化工、中控技术在石油化工大型炼化、横河霍尼擅长石油化工，不同系统也方向不一样
三、常见控制系统
热电 石化 化工 煤化工 精细医药
和利时MACS-K ● ● ● ● ●
中控ECS-700 ● ● ● ●
艾默生OVATION ●
艾默生Delta V ● ● ●
横河CENTUM VP ● ● ●
霍尼EPKS ● ●
横河 CENTUM VP
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三、常见控制系统
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三、常见控制系统
中控 ECS-700
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三、常见控制系统
和利时 MACS-K
艾默生ovation
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Fast Ethernet 交换机
Primary
主交换机 备交换机
控制器
工作站
三、常见控制系统
霍尼epks
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三、常见控制系统
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三、常见控制系统
康吉森 Tsx Elite鸿明
04 控制系统选型原则
HG/T 20573-2012 分散型控制系统工程设计规范
SH/T 3092-2013 石油化工分散控制系统设计规范
SH/T 3081-2019 石油化工仪表接地设计规范
SH/T 3082-2019 石油化工仪表供电设计规范
四、控制系统选型原则
DCS 下述关键设备采用冗余配置。
① 过程控制网络及其交换机;
② 内部总线及设备;
③ 过程控制站;
④ 控制或联锁用 I/O 模件;
⑤ 系统电源;
⑥ 各种机柜电源单元;
⑦ 网络通信设备;
⑧ 历史服务器。
为保证 DCS 的可用性,采用如下备用原则:
① 每种类型的 I/O 模块在总点数的基础上,增加 15%~20%
的备用点数,包括接线端子等;
② 为新增 I/O 模块及接线端子等提供 20%的备用安装空
间;
③ 控制器的工作负荷最大不超过50%;
④ 采用工业以太网模式的控制网络负荷最大不超过40%;
⑤ OPC 服务器的数据规模不超过其最大规模的50%;
⑥ 可扩展的操作站接口容量通常为50%以上。
集成设计原则
① DCS 是成熟的、经过实际应用检验,有先进可靠的硬件和软件,有成熟、有效的高级应用
软件包,具 有开放性网络结构,支持 OPC 开放标准,支持 HART、FF 现场总线、无线仪表等
通信,便于扩展,操作和 工程技术环境标准化,综合过程自动化,满足石油化工企业 (装置)
大规模生产的过程控制、检测、操作与管 理的需要。
四、控制系统选型原则
控制系统应根据风险分散的原则进行设计。控制器、模件、电源、网络设备等应根据
操作分区、工艺装置、公用工程单元及储运单元、使用功能等的不同进行独立设置。
DCS的控制单元、通信单元不应采用集中安装的方式。
不应将不同工艺装置、公用工程单元及储运单元（即使是同一操作分区）的控制回路
和检测回路放在同一控制站中。
四、控制系统选型原则
风险分散
控制系统项目执行前应有设计院设计的相关文件，最主要的就是控制系统规格书或
控制系统技术规定文件、DCS工程设计文件 。规格书内容应包含： DCS 硬件和软件设计
标准、控制策略、界面规格、通用设计准则和系统网络设计方案。
甲方业主收到设计文件后根据设计内容进行DCS采购、检验、安装、联调、投运、
现场验收测试（SAT）工作，宜参加制订DCS监控方案，按需要参加DCS应用软件组态工
作。
系统规格书 IO分配表 系统BOM 技术协议
设计院
系统商
甲方用户
四、控制系统选型原则
每个控制站点位应控制在1000点左右。
控制站分布应考虑单元划分。同时装置可能会有多个机柜间及中控室，应就近原则考虑
控制站的分配各区域设备，应尽量按区域划分接入控制系统。
单元 预估点位 控制站
原料 100 1号
成品 100 1号
A单元 600 2号
B单元 700 3号
C单元 600 4号
公用 300 5号
四、控制系统选型原则
I/O点位计算
01 确定IO数量
根据设计院I/O点表所需的IO实际数量，这包括数字输入（DI）、数字输出（DO）
、模拟输入（AI）和模拟输出（AO），规划相关IO类型种类采用方案，为后续计算
奠定基础。
计算实际与备用点位
根据项目需求文档中的数据，计算出每种类型的实际点位数量，并预留一定比例的
备用点位以增强系统的可靠性和扩展性，确保未来可能的需求变化。
生成BOM清单
根据计算结果生成初步的物料清单（BOM），列出所需组件及其数量，优化成本和
性能。
03
02
四、控制系统选型原则
I/O模件、通信模件以及电源模件的备用量不应少于20%。
各种 I/0模块的最大通道数量建议满足表11-3-1中的要求。
控制用 AI、AO卡应1:1冗余配置;
如果DI、DO卡根据联锁要求冗余配置，应采用1:1冗余配置。
信号类型 实际点数 20%备用点 卡件数量 卡件实配IO 实际备用
DI 366 14 448 %
DO 143 11 176 %
AI 104 4 128 %
AO 17 1 32 %
IO计算 366×=
÷32=
14 × 32=448
四、控制系统选型原则
通过IO的计算，就可以
输出初版的IO配置文件。
四、控制系统选型原则
序号 硬件名称 型号 CCR FRR FCS0101 单位 备注
C 机柜间设备（DCS)
C1 横河设备
冗余现场控制单元 AFV30D-A41252 - - 套
IO节点 ANB10D-425/CU2N - - 套
IO节点 ANB10D-425/CU2T - - 套
ESB电缆 YCB301-C020 - - 根
ESB电缆 YCB301-C100 - - 根
ESB电缆 YCB301-C300 - - 根
系统通讯模块 EC401-50 - - 块
系统通讯模块 EC402-50 - - 块
IO 模块 AAI143-H50/K4A00 - - 块
IO 模块 AAI841-H50/K4A00 - - 块
IO 模块 ADV151-P50/D5A00 - - 块
IO 模块 ADV551-P50/D5A00 - - 块
IO 模块 AAR145-S50 - - 块
信号电缆 KS1-5*B - - 根
信号电缆 AKB331-M005 - - 根
信号电缆 AKB335-M005 - - 根
AI/AO端子板 AEA4D-05 - - 块
RTD端子板 AER4D-05 - - 块
DI继电器端子板 ARM15A-000 - - 块
DO继电器端子板(干接点） ARM55C-000 - - 块
DO继电器端子板(湿接点） ARM55W-000 - - 块
四、控制系统选型原则
四、控制系统选型原则
开工会
在DCS合同签订后，多方确认后召开DCS项目启动会，与会人员包括DCS厂商的项目
管理人员、项目工程师以及业主、设计方相关人员。会议期间讨论下列内容并形成会议
纪要：
①对系统硬/软件配置、规格和数量进行详细确认；
②确认控制系统硬件设计方案，包括控制网路配置方案、机柜布置、辅助柜布置、供电
系统、接地系统等；
③确认系统各个组成部分和总线负载计算方法；
④确认系统组态内容；
⑤确认控制室平面布置;
⑥讨论设计文件交付进度；
⑦确定项目实施的进度表；
⑧工作界面分工，技术问题澄清。
⑧其他事项。
系统集成、画面组态、程序组态
①控制系统图纸设计审核
②系统硬件集成
③软件程序逻辑组态
④工艺流程画面组态
FAT 工厂测试与出厂验收
①系统硬件完整性检查、相关功能测试
②接线、标识、外观检查
③组态回路、顺控、逻辑检查
④工艺流程画面检查
四、控制系统选型原则
四、控制系统选型原则
进度管理
05 控制系统注意事项
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五、注意事项
过程监控层计算机应安装防病毒软件，取消USB口读取、储存功能。
过程监控层和生产管理层之间设置工控防火墙。
OPC服务器独立设置，禁止与工程师站操作站共用，OPC服务器与数据服务
层相连的网卡独立设置。
DCS若采用客户机服务器结构，应至少配置1对冗余的服务器，且服务器必
须与工程师操作站相对独立，服务器不得兼作工程师站;
网络应用服务器设备的硬盘应按1:1冗余配置;
网络光纤应一天一地，通过不同线路不同位置进入控制室。备用芯50%
网络
DCS应配置冗余的两个UPS进行并联供电，独立交流配电柜 ，非过程控
制系统相关的设备不得使用DCS交流配电柜的电源，系统的辅助设备（风扇
照明）由市电供电。
严禁采用直流电源装置向与其不相邻机柜中的用电设备供电的方式。单
台直流电源装置容量不应大于40A。
用于DCS的直流电源与用于其他仪表的直流电源应分别配置。
DCS的直流电源装置、电源单元必须冗余配置。
现场仪表供电的直流电源装置应按1:1冗余配置。
供电负荷 直流电源装置的负荷应小于50%。
备用原则 供电开关、端子等应预留不少于20%的余量。
五、注意事项
供电
现场电缆方案宜采用多芯电缆到现场接线箱，在进行分支铠装电缆连接。
所有接线端子宜选用弹簧鼠笼式接线端子。
应尽量减少中间环节，机柜内少用中间转接端子。
备用电缆芯线应直接接在备用通道上或备用端子上。
保险丝宜使用有品牌（力特）有具体型号的，不要使用三无产品。
安全栅安装可采用底板/导轨供电型安全栅，降低故障和复杂程度。
IO卡件到安全栅的接线宜采用集成快插接头电缆。
系统接地构型宜采用网型结构。
五、注意事项
接线
现场接线箱接线柜系统柜
IO卡件
IO卡件
五、注意事项
连接现场端子选用弹簧回拉式接线端子（菲
尼克斯或魏德米勒）。
信号或电源正端采用带 LED 指示灯的熔断器
型端子，信号或电源负端采用刀闸型端子。
采用弹片式接线端子，在长期使用中能够减
少因接线松动导致的异常。
施工及维护也更加方便。
五、注意事项
直插式弹片式鼠笼式
防爆类型选择
02
03
01 本安型防爆原理
本安型防爆通过安全栅确保电路在正常工作和故障状态
下产生的电火花及热效应低于爆炸性气体的最小点燃能量，
是一种以抑制点火源能量为核心的安全设计技术。
隔爆型防爆特点
隔爆型防爆采用隔离爆炸的原理，无需配备安全栅，通
过坚固的外壳将可能的爆炸限制在设备内部，有效防止爆炸
扩散到外部环境中。
防爆类型选择依据
在选择防爆类型时，需考虑工作环境、设备特性及安全
要求，本安型适用于对安全性要求极高的场合，而隔爆型则
适合环境较为恶劣且需要高可靠性的应用场景。
五、注意事项
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五、注意事项
五、注意事项
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1、控制系统选项也要考虑后期维护，有的厂家后期服务响应一般、备件价格高。
应选择市场规模较大有较多业绩的，避免出现后期厂家倒闭、备件停产、系统升
级、业务收缩撤出中国市场等情况。DCS硬件和软件版本维护和供应时间不应少
于12年，DCS的硬件及软件应能做到向低版本兼容。
2、应考虑公司现有系统品牌型号，人员对相关系统有充足了解，后期维护方便不
需要进行重新培训，相关备件都可进行共用。
3、上下游相连装置、相同工艺装置、均可采用相同DCS，工艺操作人员也了解相
关系统，同一装置可进行借鉴复制。多套装置相同系统也方便后期互联互通。
4、系统应配置时钟同步设备，DCS、SIS、GDS等系统同步时间。
5、为服务生产管理应配置专用OPC站，并增加工控网络安全相关设备。
6、提高维护能力配备智能仪表设备管理IDM。
06 行业发展
六、行业发展
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六、行业发展
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六、行业发展
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六、行业发展
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六、行业发展
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六、行业发展
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六、行业发展
感谢您的聆听
THANK YOU FOR YOUR GUIDANCE.
