完善DCS控制方案提高異常處理能力

江志文

（中核二七二鈾業(yè)有限責任公司 湖南省衡陽市 421004）

DCS 控制系統(tǒng)又稱中央控制系統(tǒng)，是計算機系統(tǒng)、控制技術和網(wǎng)絡通信技術的綜合產(chǎn)物。在生產(chǎn)過程中，通常采用多個控制器（處理器）來控制多個控制點，控制點之間的網(wǎng)絡連接和數(shù)據(jù)交換。操作方式是通過一個計算機操作站將網(wǎng)絡與控制器連接起來。因此，DCS 管理系統(tǒng)的主要特點是：分散集中管理，操作管理層次分明。

1 DCS控制系統(tǒng)可靠性

20世紀80年代末，我國開始在進口零部件中使用DCS。DCS的應用越來越廣泛，這對保證安全經(jīng)濟的工業(yè)生產(chǎn)都有很大的幫助?？刂葡到y(tǒng)的可靠性決定了整個生產(chǎn)系統(tǒng)的安全性和可靠性。如何提高DCS 的可靠性是一個日益重要的問題，筆者根據(jù)自己在日常檢修中的經(jīng)驗，從DCS 控制系統(tǒng)、控制系統(tǒng)選型、設備安裝、設計、調試驗收、技術培訓等方面進行了闡述。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，市場上出現(xiàn)了一系列的控制系統(tǒng)。DCS 可以說是從模擬控制到數(shù)字化的里程碑產(chǎn)品。DCS 系統(tǒng)最顯著的特點是它由多個控制器組成，每個回路可以控制多個回路，與以往的直接數(shù)字控制不同，DCS 將整個系統(tǒng)的控制權分配給控制中心，因此DCS 是一個溫和的分散管理系統(tǒng)。DCS 系統(tǒng)控制是一個面向過程的管理過程[1]。

現(xiàn)在DCS 系統(tǒng)不再是一個簡單的管理系統(tǒng)，而是一個綜合自動化系統(tǒng)（如圖1 所示）。具有基礎檔案管理、優(yōu)化管理、協(xié)調、監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、歸檔、檢索分類、實時數(shù)據(jù)分析管理、歷史數(shù)據(jù)查詢處理等綜合功能的管理系統(tǒng)：其控制對象不限于所屬行業(yè)控制功能包括連續(xù)管理，但也有離散控制和周期控制[2]。

由于DCS 控制速度的顯著提高,DCS 已成為強大的集成管理系統(tǒng)的代名詞。隨著網(wǎng)絡通信技術、計算機硬件、嵌入式系統(tǒng)技術和總線技術、群控軟件技術、數(shù)據(jù)庫技術等領域的發(fā)展，DCS 廠商不斷提高系統(tǒng)的技術水平，不斷豐富其內容。

2 DCS控制系統(tǒng)選型

無論是新的還是舊的管理體制改革，都面臨著高質量、低成本的理想管理體制的選擇。在這里我們暫時把系統(tǒng)的價格降到最低。在DCS 選型過程中，必須注意以下幾個方面：

（1）選擇DCS 管理系統(tǒng)時，應優(yōu)先考慮管理系統(tǒng)穩(wěn)定性；

（2）控制系統(tǒng)的硬件必須足夠可靠。成熟的技術應用于電子零件生產(chǎn)過程的各個環(huán)節(jié)，能有效保證控制的可靠性。

（3）控制系統(tǒng)的設計應充分利用冗余技術?？刂葡到y(tǒng)的控制器和網(wǎng)絡通信應是冗余的，每個冗余設備必須能保證不間斷切換。冗余結構不僅可以避免局部控制故障，而且可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止擴大事故范圍，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。設備的在線故障排除，從而在可以保證系統(tǒng)的正常運行情況下，消除事故隱患。

（4）更好地維護管理系統(tǒng)軟件，特別是從以下幾個方面：軟件和軟件的可靠性；無系統(tǒng)或單控制器、系統(tǒng)、控制器和錯誤報警1/O 通過自我分析、友好交流、在線更新和下載程序；在較長年限內，可靠地保證備品備件是一種方便短期低成本采購手段；管理系統(tǒng)軟件可讀性強，組態(tài)功能單元易于適應DCS 控制系統(tǒng)的各種功能[3]。

圖1：DCS 控制系統(tǒng)

3 工藝和質量

DCS 管理系統(tǒng)是嚴格按照要求建立的，特別是在選擇施工單位時，有良好的施工技能和有經(jīng)驗的施工組織技術人員參與管理系統(tǒng)的設計、施工圖的制作和施工措施的制定，開工前必須按照工作時間制定嚴格的進度計劃。

（1）施工過程中應注意板與地面的絕緣，嚴格按照施工設計要求及絕緣標準規(guī)范進行嚴格施工管理，嚴格的施工管理能有效保證絕緣條件符合標準要求；

（2）敷設電纜時，應特別注意電源線與弱電的隔離、可靠接地和屏蔽線的抗干擾。連接電纜和電線時要清楚，線夾必須預先安裝在絕緣管上。

（3）嚴格控制電子設備室的環(huán)境條件，注意消防安全和空調、通風和采光。由于DCS 控制系統(tǒng)嚴格滿足DCS 設備的溫度要求，空調系統(tǒng)應盡快投入使用，且需避免冷凝水侵入設備的危險。電子卡不應讓灰塵進入。因此，應時刻保持環(huán)境清潔和過濾，注意除濕和調溫。

4 程序設計和調試驗收

在方案設計和驗收過程中，必須充分調動全體員工的積極性，使他們了解、理解和掌握DCS 控制系統(tǒng)。在前期配置和調試驗收過程中應特別注意以下問題：

（1）方案配置應采用管理策略，為保證系統(tǒng)安全運行，保護或閉鎖的邏輯依據(jù)應充分，且得到生產(chǎn)各個層面的認可。為了保證正常的邏輯運轉，實現(xiàn)系統(tǒng)運行的有效率，最好采用聯(lián)合保護防止誤動作。建議采用永久關斷信號，為保證安全輸入的可靠性，對于重要的三位保護信號，必須將模擬量和開關量相結合。主設備應盡量采用永久開信號，避免保護誤動[4]。

（2）在選型、設計、試驗和驗收的各個階段，設計人員和試驗人員應充分參與運行和在線管理系統(tǒng)的調整，認真檢查邏輯框架的合理性。保護控制系統(tǒng)的設計與配置，在試驗過程中，對各回路進行全面的試驗，并認真記錄各回路的試驗結果。檢查和測試過程中，當發(fā)現(xiàn)軟件問題時，立即與供應商聯(lián)系，并將情況報告給供應商，以便他們能盡快解決這些問題。

（3）對于重要的保護和閉鎖系統(tǒng)，除連接外，必須有嚴格的連接方式；對于重要的調節(jié)器，除操作人員靈活的手動操作外，必須有嚴格的連接方式，還必須有備用的手動操作，以便在DCS 或模塊1/0 控制失效時，可以及時介入調整。

5 干擾產(chǎn)生的原因及類型等

干擾的三要素是干涉源、擴散路徑和敏感元件，可分為不同的干涉模塊和諧振器。

5.1 差模干擾

雙極性干擾是指兩個信號極之間的干擾電壓，這種干擾主要是由通信電感器轉換的信號與不對稱線路之間的電磁場干擾引起的。它直接影響信號和測控的精度。

UD 是干擾模塊的差分電壓。干擾信號直接影響信號線的兩級，因此，信號線產(chǎn)生的干擾信號分別為U1 和U2，信號傳輸通常采用雙絞線或屏蔽線來消除不同的干擾模式[5]。

5.2 同步干擾

信號電位相對于社會電位起點的差異（這主要是由于地電位差和電壓重合造成的）。

由于信號線對地的寄生電容C 的影響，信號線分別產(chǎn)生U1 和U2。U1=U2=UC，雖然純共形干擾對測量結果沒有直接影響，但當信號接收機的電路參數(shù)不對稱時，將其轉化為雙極性干擾，對接收信號產(chǎn)生干擾。

6 常用的抗干擾措施

6.1 抑制干擾源

通常，電容器可以在干擾源的兩端并聯(lián)，也可以在干擾源電路中串聯(lián)電感或電阻。這些因素考慮了大多數(shù)高質量電氣裝置的設計。例如，繼電器的線圈傾向于增加飛輪級的壽命。消除電路斷開時線圈引起的電壓干擾，消除連接繼電器觸點兩側的火花抑制電路，通常采用串聯(lián)RC 電路來減小火花的影響。

6.2 接地

接地是保證系統(tǒng)安全、減少異常干擾最有效、最常見的方式。合理選擇接地方式是減少干擾最有效的措施，但接地誤差可能導致故障。DCS 系統(tǒng)包括系統(tǒng)線、屏蔽線、交流線和安全保護裝置。主要原因是不同接觸點的電位分布不均勻，不同接觸點之間的電位差會導致回路電流，影響系統(tǒng)的正常運行。例如，如果是電纜屏蔽層兩側發(fā)生觸電等異常情況，干擾可能會造成嚴重后果。雷擊近地時，可能由強到弱，在A、B 屏蔽線兩側產(chǎn)生回路電流。

DCS 系統(tǒng)接地分類:

一般來說，DCS 控制系統(tǒng)需要兩種接地方式：保護接地和工作接地。工作接地包括邏輯接地和屏蔽接地。接地系統(tǒng)獨立安裝，接地電阻小于4Ω。安全網(wǎng)和防爆措施也需要相當?shù)陌踩拥亍?/p>

保護區(qū)：防止設備外殼靜電積聚和人身傷害的措施。工作站的現(xiàn)場控制柜和終端柜必須接地。保護接地由廠區(qū)專用接地網(wǎng)實施。接地電阻小于4Ω。

邏輯接地：為了使DCS 設備具避免振動引起的信號誤差，避免干擾，有害電磁場引起的接地可采用接地、輪胎、母線夾等。

屏蔽接地：為了防止屏蔽系統(tǒng)內外的電磁或靜電感應干擾，可將其接地。需要指出的是，在DCS 系統(tǒng)中，信號電纜的保護只能在一端接地，以免干擾閉路。

6.3 系統(tǒng)設備隔離

不同的儀表和儀表之間發(fā)出不同的DCS 模擬信號，這種干擾可能是由信號基點之間的電位差引起的。一般來說，通過電氣絕緣可以有效地消除這種干擾。常用的三種隔離方式為:變壓器隔離,光電隔離，繼電器隔離。

6.3.1 變壓器隔離（電感隔離）

變壓器絕緣是基于變壓器的原理。輸入和輸出線圈的比例為1:1。信號通過絕緣變壓器傳輸。絕緣表面可由線圈絕緣，其優(yōu)點是工作迅速，可由絕緣端供電；次級不與大地相連，輸入端與輸出端是完全“斷路”隔離，對于防雷、放電、系統(tǒng)切換及啟動保護能有效起到保護、濾波作用[6]。

6.3.2 光電隔離

光通信是連接輸入信號和輸出信號的信號傳輸手段，發(fā)光器件發(fā)光，采光器接收光。輸出電流實現(xiàn)電光轉換、使用壽命長、無接觸、抗干擾能力強、輸入輸出隔離、信號單向傳輸?shù)?，廣泛應用于DCS 等信號隔離系統(tǒng)。

6.3.3 繼電器隔離

繼電器隔離實際上是隔離高壓，保護控制回路，將繼電器的輸出和信號發(fā)生電路實現(xiàn)物理上的完全隔離，繼電器的控制部分和被控制部分是完全絕緣隔離的，從而避免強電和弱電信號之間的直接聯(lián)系，可以有效防止干擾的產(chǎn)生和保證人身安全。

生產(chǎn)廠家不僅應生產(chǎn)高性能抗干擾產(chǎn)品，還取決于設計單位的正確設計和安裝工程的合理組合。DCS 系統(tǒng)的可靠性和長期正常運行是關鍵，只有通過有效的抗干擾措施和整個系統(tǒng)的可靠接地，才能提高運行效率，提高異常處理能力。

7 結束語

在工業(yè)實踐中，系統(tǒng)異常處置是正常的，但我們的專業(yè)技術人員有責任和義務盡量減少問題、控制系統(tǒng)問題的產(chǎn)生，尤其是減少對系統(tǒng)造成嚴重的安全影響。對于控制系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，必須進行定期分析和研究，總結成果，找出共性問題，有針對性地對DCS系統(tǒng)進行改進，以更好地為工業(yè)生產(chǎn)的安全經(jīng)濟運行服務。