仪控系统设计原则是，选用的DCS(分散型集中控制系统)和仪表必需确保空分设备稳定可靠地运行。这是仪控系统设计的大前提。
1 仪控系统供电方案的设计
1．1 总体方案
仪控系统供电方案应考虑仪控系统供电的相对独立性、安全性和可维护性。
电控系统分别从二段母线向仪控系统所配置的UPS(不间断电源)提供电源。UPS的输出向整个仪控系统内的各个用电设备，如机旁柜、分析仪柜、电磁阀、各用电仪表及DCS系统提供220V交流电源。
UPS应选用在线工作方式(On-Line)，尽管投资成本比离线式(Off-Line)高，但换来的稳压稳频和隔离功能却是必要的和值得的。
考虑到方便UPS的检修，可另配一路备用电源。通过电路切换，将UPS脱离，而又能继续维持仪控系统的供电。
UPS的电池容量(全载下的放电时间)，以10~30分钟为宜。考虑依据为在外部供电故障时，UPS维持供电的时间能保证仪控系统有足够的时间对整个空分装置实施有计划地停车。UPS电池推荐使用胶状免维护的。在UPS到货后3个月内，*好能上电， 目的是向电池充电，避免因长期储存引起电池性能下降或失效。
1．2 DCS系统供电方案
为避免其它用电设备谐波分量对DCS的影响，一般在UPS后通过一隔离变压器单独向DCS系统的各设备供电，其隔离变压器按DCS系统要求接地。因为DCS各设备均有自己精确的电路保护，所以DCS各设备的空气断路器以电气隔离为主，容量应选得偏大些，避免不必要的断电。
1．3 电磁阀的供电
鉴于电磁阀在仪控系统中的重要性，每一电磁阀均应单独设置空气断路器，以便独立更换。
2 增强和发挥DCS的功能，适当减弱机旁柜功能
(1)计算机技术的迅猛发展，其网络功能已非常普及和可靠，因此设计时要主动向用户询问和建议，在厂长室或调度室设置远程操作站。
(2)计算机功能越来越强，计算机质量越来越稳定，空分行业也已积累了十多年的设计使用经验，因此我们认为充分发挥DCS的功能、适当减弱机旁柜功能，已经可以成为设计的一个指导思想。根据这个想法，针对每个项目的具体情况，可以做出不同配置的机旁仪表柜。有些项目已经取消了机旁仪表柜，有些项目的机旁柜，如空透、氧透等机旁柜可仅仅设置一些级间压力表和轴振动、轴位移监视器和停车按钮。
下列的各项功能均可由DCS实现：
・某些形式的空气过滤器的排尘吹扫功能。
・空透启动条件的判断，事故联锁停车的实现，防喘振控制(包括工作点的动态显示)，油泵的自动启动，油箱加热器的温度控制等等。进口大型空透的上述控制同样在DCS完成。DCS的控制技术水平和各项功能完善程度，显然要比其原有的PLC高。有些外商从一般原理上要求控制器的防喘振回路扫描速度小于100毫秒，但经协商，可以放宽对扫描速度的要求。在这方面，我们已有使用经验。
・空气冷却系统液位自动调节，水流量等参数的显示及报警，水泵的联锁启动和停车等等。冷冻机组的控制一般由机组自带的PLC控制器完成，可采用通讯方式，将数据送到DCS进行显示、报表、报警等。但目前冷冻机自带的PLC尚没有采用通信方式的能力。
・分子筛吸附器系统的顺序控制，均压阀的自动连续调节，再生氮气的压力调节，再生气的温度调节，再生气的流量或蒸汽的流量调节，出分子筛吸附器空气中CO：含量和出蒸汽加热器污氮气水分检测报警，以及有关的压力、温度测量等。分子筛吸附器的顺序控制可以是按照空气流量、温度、压力及吸附剂的能力自动计算得到的循环时间进行，以减少空气的切换损失。但通常是按照规定的时间顺序来控制。
・膨胀机的启动条件准备及判别，事故联锁停车，增压机防喘振控制，辅助油泵的自动启动，增压空气出冷却器后含水量检测报警，转速及有关温度、压力参数的监测等。
・主换热器的热端温差调节、进膨胀机空气温度调节等。
・产品氧气、氮气、氩气的流量自动调节和纯度监测报警联锁。
・上下塔及各氩塔的液面、流量、压力、阻力、温度等测量或调节，有关操作点的纯度分析，主冷液氧中碳氢成分分析报警，精氩中各成分分析等。
・氧透的中控室单手柄自动启动，正常或事故联锁停车，重事故停车并紧急喷氮，人口压力、出口压力、密封气压力、混和气压力、油压的自动调节，防喘振控制等。
・各贮槽的液面测量、压力调节、汽化器控制和联锁等。
・电气参数如功率因数、频率、电压、电流、有功功率等的显示及累计。
・公用工程的测点显示、调节或遥控。
・各主要工艺参数如流量、压力、压差、温度、纯度等的显示。历史和实时趋势记录。生产过程各主要工艺参数的各种报表，工艺参数越限，操作员的各种操作动作自动打印记录，参数越限和系统故障时声光报警和记录。
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| ・自动变负荷和变工况的控制、单体设备或整套空分设备的优化控制。所谓自动变负荷即根据用氧的负荷变化，自动或人为地设定氧气量，空压机人口导叶自动调整，空分设备相应各调节回路，如流量、液面等作出自动调整，氧气产量在规定的时间内自动达到。所谓自动变工况即根据液体产量的需要，人为地设定液氧量，空分设备各相应调节回路，包括膨胀机的气量等作出自动调整，各液体产品在规定的时间内达到产量。无论是自动变负荷还是自动变工况，其前提是保证产品纯度不变。目前国内的空分设备制造厂商已经在进行这方面的研究，但尚未进行实际试验。国外引进的一些空分设备已有实际投运业绩。 3 分子筛吸附器切换程序中应考虑的问题 (1)从安全考虑，在工艺故障时，切换程序需要暂停或停止。但不同阶段，应作不同的处理：在卸压过程时，为了安全，程序将在卸压时间到了后才暂停，确保压力卸完；在升压过程时，程序应立即暂停，在恢复正常后重新开始计时，以保证升压过程的压力达到预期值。在加热过程和冷吹过程时，程序应立即暂停，在恢复正常后，则从暂停处继续计时，不再延长计时时间。 (2)为减少分子筛吸附器切换时，对分馏塔压力波动的影响，平衡阀(升压阀)应采取渐开的措施，可以是从关到开的斜线控制，也可以是分阶段台阶开度控制。因为球阀有较好的双向对称性，平衡阀一般选用球阀。 (3)在分子筛开始投入加热阶段以及冷吹阶段结束时，作为再生气的污氮气流路发生剧烈的变化。而再生气放空阀口径较大，其开启和关闭动作缓慢，从而会引起上塔压力的波动。为减小此波动，应在切换程序中采取相应措施。其调节器的调节参数也应仔细设定。 4 氧透中控室自动启动 氧透因其特殊性，为保证安全，一般采用DCS中控室单手柄自动启动。所谓单手柄，就是中控室设置一只有三档位置的万能转换开关，其三位位置分别设置为停止一准确一启动，开关从停止拨到准备，各项启动条件均应自动准备好，开关从准备拨到启动，机组自动启动。 氧透停车程序有三种不同方式，即正常有计划地人为停车、轻事故停车和重事故联锁停车。三种停车方式有所不同，特别是重事故联锁停车将进行自动喷氮灭火处理。 5 变送器的选型 如果采用了DCS控制系统，建议选用能与该DCS系统实现智能通讯的智能变送器。这样，在DCS系统上就能实现对变送器的调整、校核和工作状态的监测。充分发挥DCS和智能变送器的功能。如选用美国HONEYWELL公司的TPS系统，则可选用该公司的ST900型智能变送器，如选用日本YOKOGAWA公司的CS3000或CS系统，则可选用该公司的EJA型变送器 |
智能变送器与DCS控制系统之间可以有两种连接方式：常规的4～20mA模拟量方式和数字通讯方式。模拟量方式时，智能变送器的精度为1‰，数字量方式时智能变送器的精度为0．7‰。
若选择了智能变送器，但选配的DCS系统没有和智能变送器实现数字通讯的功能(没有相应的智能输入卡件)，或者选择了智能变送器，但又不采用与DCS数字通讯的方式，都将不能充分发挥智能变送器的高精度和智能功能。
6 分析仪的选型
分析仪发展得很快，特别是国外进口的分析仪，有较多的公司和较多的产品，水平参差不齐，要仔细地分析区别。由于空分设备的分析测点较多，采用组合式分析仪是经济合理的。对空分上使用*多的氧气分析仪，英国SERVOMEX公司的性能指标较好。分析仪成套公司很多，对分析仪熟悉的程度和服务也有较大的差别，要注意选择。总之，分析仪的选型要根据投资概算而定，选型的仪表一定要满足工艺过程的要求，能长期正常运行。
有一点特别要注意的是分析仪标准气交货期不宜太早，特别是×10-6(ppm)级氧标气，时间长了纯度可能变坏。
7 DCS系统的选型
世界上有各种公司的多种多样的DCS系统。原则上，任何DCS系统都可以选用，但应该注意到，每个工业领域都有自己特殊的要求或特点，每一种DCS系统也有自己的某一特定优势和设计思路，可以说，不是每一种DCS系统都能很好地满足或适合空分行业的特定要求。国内空分行业已有十多年的设计、选型和组态经验，参照从国外引进的大中型空分设备选用的DCS系统，总体上来说，也许只有几家DCS系统比较适合空分设备。
空分设备选用的DCS系统除了在硬件上如电源、控制器、通讯、AO／DO卡等要求冗余、有能与智能变送器实现数字通讯的I／0卡件等通用要求外，软件方面一般要求有较强的逻辑功能块(如与门、或门、非门、R-S触发器、比较块、选择块、记时器、马达控制块、阀门控制块等等)，较强的控制语言编程功能，还要求系统与组态工作有良好的界面，即系统能向组态工程师提供尽可能多的内部参数或资源作为组态工具。
多年的经验可以认定，判别一个DCS系统是否可靠，功能是否强大和先进，*关键的是看它的与过程相连的控制站的性能。因一套空分设备是一个整体，如果DCS系统的一个控制站能包纳一套空分设备的所有测点，且有适当的余量，这样既不浪费资源，又避免了因采用多台控制器而引起的站间通讯问题，这是*适合于空分设备的DCS系统。从目前状况来说，美国HONEYWELL公司的TPS系统和日本YOKOGAWA公司的CS3000或CS系统是都能较好地满足以上要求的DCS系统，尽管这两个系统还是有很大的差别。
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空分设备广泛应用于冶金、化工、石化等领域，其长期、稳定、可靠运行的重要性是不言而喻的，因此对 DCS特别是控制站的配置要求是很高的，通常要求控制站的电源、控制卡(CPU)、通讯均为冗余。这里特别要注意的是电源的冗余。*好能做到一个电源能对整个控制器供电，并不受冗余控制器切换的影响，包括对所有的控制卡和所有的I／0卡的供电，而不是一个电源只对一个卡笼供电(即通常PLC采用的RACK方式供电)或N+X的方式供电。后两者不是严格意义上的冗余。有时也适当考虑I／0卡的冗余，冗余AO输出卡。也要求DCS系统有较强的在线的组态、修改和下载功能，较强的自诊断功能。
系统选型原则如下：
7．1 可靠性原则
系统可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力，它表示系统长期、稳定进行工作的能力。因为空分设备包含的机组、设备较多，过程较复杂，运行周期又是两年；大型空分设备绝大多数用于大型冶金和化工、城市煤气化等领域，系统出现故障影响生产，会造成巨大经济损失和社会影响。这些损失往往会大大超过DCS本身的价值。因此，可靠性是放在**位的因素。
系统的可靠性是在系统的设计阶段就产生的，在生产制造阶段得到保证，在使用阶段得到实现和确认。重点要注意以下几个原则：
7．1．1 系统不易发生故障原则
这一原则要求系统的固有可靠性高，要求制造商有严格的可靠性设计和可靠性生产保证措施。对用户的安装运行环境要求较宽(如接地要求)，系统的结构合理，单元结构合理，元器件有较大的余度，生产措施现代化且质量控制非常严格。这一原则通常用MTBF来衡量，MTBF越长，系统越不容易发生故障。但应注意，MTBF是一个统计指标，不是绝对的可直接测量的指标。因此MTBF的值不一定真实。
7．1．2 系统运行受影响*小原则
DCS是一个复杂的系统，不可避免地会出现故障。这种故障可能是系统自己产生的，也可能是用户不按规程操作而造成的。但应要求即使部分部件出现了故障，系统的控制运行不应受影响，或受到的影响尽可能小。这就要求系统在设计时必须结构合理，故障隔离技术较好，故障不易扩散。此外，系统应有较充分的冗余措施，如控制站中的控制卡(CPU)、通讯卡、电源、重要回路的AO卡要求冗余，以及多个操作站之间性能*好是相同，均能同时兼有组态和操作功能的配置。
7．1．3 迅速排除故障原则
它要求系统的故障应在尽可能短的时间内得到排除，即系统有较强的自诊断功能，有准确的故障指示，有方便的组件更换功能。应有模板级带电(在线)插拔更换功能。在调试中或系统投运后，总会有些点和功能的调整修改，因此系统应有较强的在线下载功能。开车实际表明，这是非常重要和实际的问题。
7．1．4 系统的可维护性
系统的维护性是指可修复系统排除故障的难易程度。有些DCS的早期用户在一些备品备件的采购和修复某些软件时，由于种种原因碰到很多困难，以致系统不能正常工作。一套DCS系统的过早报废将会造成重大损失。
系统的维护性应重点注意以下几点：
(1)系统的固有维护性 它是指系统硬件和软件本身排除故障的难易程度，如系统是否有全面的自诊断功能，有否准确的故障指示功能，模板更换是否容易，在线修改下载功能是否强等。
(2)维修的经济性 它指用户购买备品、备件的价格。在许多情况下，有些制造商提供系统时为了取得合同将价格压得很低，而在订备品备件时，价格很高，而且越是后采越高，给用户带来了很大麻烦。这项价格还包括修复备件的价格，是更换模板，还是更换元器件。
(3)维修资源的获取方便程度 它是指系统的备品备件是否容易获得，供货商在国内是否有备件供应中心，用户提供要求后在多长时间内可以得到备件。
(4)制造商所提供的系统是否将要停产或淘汰，停产淘汰之后备品、备件能提供多长时间。
(5)DCS系统更新换代的连续性 应从历史上来考察，每个制造商更新换代的态度和做法。有些系统一直保留着连续性或可升级性，而有些系统则是一下子全部淘汰老系统，推出新系统，给用户造成了麻烦。
7．1．5 系统的成熟程度
要注意厂商提供的DCS系统方案是否成熟，产品推出的时间，它的前期产品的性能如何，该产品是否已取得应用实绩等。这一条与系统的先进性是矛盾的，老的系统成熟但不会太先进，因此，成熟程度也不是绝对的，还要看其它方面的因素。但如果制造商以前没有在DCS方面做过很多工作，而该系统又是新推出来的，就应认真考虑了。因为一个系统的成熟还是要有一个过程的，**次做DCS时难以一下子推出一个特别完善的系统。
7．1．6 制造商实力
DCS要支持装置的长期稳定的生产，没有实力的制造商不可能设计和制造出好的DCS，也很难对将来的生产运行进行很好技术支持和售后服务，这一点上很多用户都有过惨痛的教训。
考察制造商实力时要考虑以下几方面的内容：
(1)DCS行业的历史、业绩、用户的评价、在DCS市场上的占有率(重点为在空分行业)。
(2)技术实力，有多少较强的技术人员。
(3)生产能力，系统生产方式，有多少工作是自己内部完成的，生产质量保证体系是否健全。
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(4)投标商的组织管理水平，人员的精神面貌。乃至该投标商的内部组织，如销售、服务、备品备件各部门的分工及是否有机合理的联系统一。一个管理组织松懈、谁说了也不算的供货商很难供出好的DCS系统。
(5)制造商近几年的发展状况，是在上升，还是维持，还是在走下坡路。如果选择的系统由中间商总承包，则要考察中间商和系统生产制造商的实力和配合关系密切程度及合作业绩等。
7．1．7 售后服务
售后服务也是影响DCS将来能否保持长期稳定运行的一个重要因素，可从以下几方面考察：
(1)提供技术服务的能力和水平(有无这方面的专业人员和方式)。
(2)技术服务的质量信誉。
(3)制造商的系统的保修期，保修期过后的维修是否方便，费用是否很高。
(4)服务人员是否能够及时地到达现场，在多长时间内能派人到现场，费用是多少。
(5)如果是中间商总承包工程，那么还要考察用户在急需时可否得到生产厂家的技术支持，费用由谁承担，费用是多少。
7．2 实用性原则
实用性是指系统完成本装置中所有要求的功能的能力和水平。DCS要完成的功能大致如2(2)所述。一般要求DCS控制器的控制卡(CPU)、通讯和电源冗余配置，能与智能变送器实现智能(数字)通讯，完善的在线组态、修改和下载的能力，极强的能诊断到接线端子级的自诊断能力。这是对DCS系统和它的控制器的基本要求。
系统的实用性还具体体现在系统完成各控制功能的能力和水平，信号处理精度和速度，人机界面的友好性，是否有汉字系统，报警信号是否丰富，控制调节操作是否方便，报表处理、打印功能强弱程度，系统信号接线的方便程度，系统对操作环境要求的苛刻程度等等。
7．3 先进性原则
DCS技术发展得很快，一个系统几年后就会被新的系统取代。DCS的发展趋势是性能水平越来越高，价格越来越低，特别是DCS中的计算机技术和网络通信技术是非常灵活的。因此在评估和选择DCS时要认真考虑，不要选择一个即将被淘汰的系统，而应尽量选择在满足可靠性和实用性要求的前提下*先进的系统。
系统的先进性具体体现不仅是所采用的CPU的位数和内存的容量，还有系统是否符合DCS*新发展状况及水平，是否采用了先进的国际标准，体系结构是否符合*新发展趋势，软件平台与控制策略是否先进等。DCS的开放性也是应考虑的重要方面：
(1)DCS的开放性应包括硬件、软件、通信、操作系统、数据库管理系统等多个方面。它们都应遵循标准或国际协议，使它们真正能够具有通用性，特别是DCS操作员站(带工程师站)功能是否采用国际标准或通用设计，这对将来系统的维护性和升级性影响很大。
(2)在信号接口方面，应支持各种标准和流行的信号变送器的接口，且应支持国际上流行的智能化仪表和设备的接口(PLC、在线工业色谱仪等)。
(3)不仅应注意系统是否能实现公用接口关系，还应看它是如何实现的，是否有现成的，接口软件是不是开放的，改动是否容易等。
7．4 经济性原则
DCS在整个项目费用中虽然不占很大的比例，但也是一个非常重要的部分。因此要认真考虑DCS的投资。由于DCS在整个装置中的重要性，且在项目的进行过程中可能会出现一些增加的控制内容，因此我们认为DCS投资也不能控制得太低，要留有余地。从以往项目的执行过程看，DCS的投资大约在设备投资的5％~8％较为合适。
系统的经济性具体应注意以下内容：
(1)系统本身的价格。包括硬件、软件、备品备件、服务和培训、资料等。
(2)系统的安装和调试的难易程度。不同的DCS系统会有不同的安装调试费用。
(3)系统的体系结构不同而引起的信号源不同会带来的费用差别。如有些DCS对测温用的铂电阻和热电偶要求外界采用先变为4~20mA再进DCS的方法，有些DCS没有对外界DI点供电的能力，都会带来转换信号源引起的费用。
8 DCS和PLC在空分设备上的不同适用性
8．1 DCS与PLC的粗略比较
DCS与PLC是控制系统的两大领域。PLC是以取代电器回路的中间继电器和时间继电器等为指导思想，从电器控制回路发展起来的，因此具有扫描速度快、电路配置简单、成本低等特点，特别适合于以开关量为主的设备。DCS是从化工、石化等设备以过程控制为主的思想发展起采的。旨在取代以往的常规控制仪表，如各类显示仪表、记录仪、调节器、运算器等，因此具有控制功能强大、系统安全、运行可靠等特点。
正因为发展思路不同，导致硬件结构不同，软件功能不同，因此作为控制系统两大领域的产品，各有各的特点，各有各的局限，因而各有各的使用领域。
8．2 从空分设备的控制要求看DCS与PLC的不同
空分设备的工艺过程基本上属于化工过程控制一类，从DCS在空分设备上实现的功能可以看出，大型空分设备安全可靠稳定的运行对确保全厂的生产具有特别重要的意义，因此对控制系统提出了较高的要求。国内外空分设备的控制系统选型和配置上均要求较高，就是对于DCS系统本身这个可靠的系统，也是再作了电源、控制器、通信冗余等双重化的配置。随着对空分设备可靠性运行认识的深入，一些空分设备上已作出了AO卡冗余的配置，即对空分设备上一些重要的调节回路，如空透、膨胀机、氧透等防喘振系统的阀门控制，空分设备本体一些重要阀门的控制，其AO输出均作了冗余配置。在这些方面，DCS远远优于PLC。
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应该注意的是冗余概念是无时间延时的，而不是有时所说的热备用概念，后者往往是有时间延时或需人工切换。某些好的PLC系统勉强能实现以上冗余配置的一部分要求，但这样配置的价格已不比DCS低，且实施起来显得十分勉强。
PLC处理开关量的速度非常快，但要处理模拟量的运算和处理，如PID的调节功能等浮点运算功能，其处理速度将大大降低。其程序运算的扫描时间将变得不确定(在全部程序完成后才能进行估算)。尤其是以模拟量为主的装置，如空分设备，其处理速度已无优势可言。
空分设备也非常注重系统的在线组态、修改和下装功能及系统的现场开工调试功能，这些功能是保证装置可靠运行和缩短调试时间，加快调试进度的重要体现。在这些性能方面，DCS远远优于PLC。系统的自诊断功能也非常重要，DCS系统自行诊断系统内部的故障，一般能诊断到端子级，很详细地指出故障内容、地点、时间和帮助解决的信息，这样就能尽快地缩短维修时间。而PLC大多仅靠卡件上的指示灯指示故障，与DCS的功能相差甚远。
从操作角度来说，DCS系统的操作画面、显示功能、开车指导、历史趋势调用分析功能、工艺事故判断、系统故障显示功能远非PLC可比。
以上从总体上分析了PLC难以做到DCS所做到的冗余配置及功能，因此PLC的安全可靠性要比DCS差。再从一个局部的具体结构上看此问题，由于PLC发展的出发点是取代中间继电器、时间继电器等，且用简化电路、降低成本的手段来实现，因此常见的PLC其I／0卡件中凡是要向外供电的卡件均要外部另加24V电源供电，而DCS是不需要的。空分设备仪控系统的供电考虑得非常严谨，通常由一台极为可靠的在线运行的UPS不间断电源供电。上述PLC所需24V外加电源的使用就使供电系统的可靠性大打折扣。
再如PLC的开关量输出卡，往往是几个触点公用一个端子，相互之间无电的隔离，而空分设备上开关量输出卡有相当部分是送到不同的电控回路中，必须要求这些触点相互之间隔离。为了做到这一点，PLC必须在开关量输出卡外加继电器进行隔离，这样就降低了控制的可靠性。
随着技术的发展和市场竞争的需要，PLC的控制功能在不断地发展，向DCS靠近。DCS的处理速度和有些DCS系统开关量控制功能也在不断地提高，向PLC靠近。但它们总的界线并没有打破，两大领域的实质性区别仍存在，其市场范围没有根本的改变。纵观以上所说，到目前为止，在大型空分装置上运用的控制系统仍应为DCS系统。
9 DCS中的大系统和小系统的区分和选择
近几年来，由于市场竞争的需要，国外一些著 名的DCS厂商纷纷推出了小型的DCS系统，俗称 小系统。如HONEYWELL公司的PLANSCAPE(场 景系统)， BAILEY 公司的 FREELANCE， YOKOGAWA公司的CSl000系统等，它们简化了硬 件结构，在冗余配置上比不上大系统，但其控制软 件的功能及开放性却非常好，与PLC相比，更适 合在空分设备上的应用。目前在一些中小型空分设 备上(如 6000m3／h以下空分设备)已有应用，今 后可能会有更好的市场，但100000m3／h以上空分 设备仍是DCS的市场。
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