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（北京和利時系統工程股份有限公司，北京 100096）  劉  棟

劉棟（1977－）
男，工程師，河北張家口人。

1  前言

    分散控制系統（DCS）的主要作用是對生產過程進行控制、監視、管理和決策，因此必須具有很高的可靠性，才能保證工廠的安全、經濟運行。隨著大規模計算機系統和計算機通信網絡的不斷發展，可靠性問題己經成為一個十分重要的問題，其理論也在這種形勢下不斷地發展和完善。可靠性技術的研究內容大致分為四個方面：可靠性設計、可靠性分析、可靠性試驗、可靠性管理。

2  DCS系統的可靠性措施

    在DCS系統中，采用了許多提高可靠性的技術措施。這些技術措施是建立在以下四種基本思想上的：① 使系統本身不易發生故障，即所謂的故障預防；② 在系統發生故障時盡可能減少故障所造成的影響，即所謂的故障保安和故障弱化；③ 當系統發生故障時，能夠讓系統繼續運行，即所謂的故障容錯；④ 當系統發生故障時，可以在不停止系統運行的情況下進行維修，即所謂的在線維修。基于這四種基本思想，DCS系統中采用了各種各樣的可靠性措施降低事故的發生及所造成的損失。

    2.1  嚴格進行質量管理和提高系統硬件水平

    為了實現DCS系統的硬件可靠，DCS系統的制造商采取了一系列提高硬件質量的措施，如對元器件進行嚴格的篩選、老化元器件的降額使用、充分考慮到參數變化的影響、采用低功耗元件、采用噪聲抑制技術等。

    2.2  DCS系統現場設計的可靠性措施

    DCS出現問題后，將會有無法操作、無法監視等造成設備失控的情況出現。輕者出現設備停運影響經濟效益，重者危及人身和設備的安全。所以在設計中一定要根據現場的具體情況認真的考慮系統以下幾點可靠性：

    (1)  電源系統

    DCS系統的供電系統是其運行的基礎，電源負荷不要超過60%，以免電源高負荷運行。同時要考慮用高品質的電源，一般筆者采用UPS電源，采用兩臺UPS互為備用最好，一臺出現故障后備用機能夠無擾切換，提高電源的可靠性。UPS輸入電源不要采用電氣的同一母線，要根據電氣廠用接線取可靠性高的不同母線段電源，這樣保證電氣一段母線出現問題后不會影響DCS系統的電源。DCS電源系統（UPS、電源柜等）在現場安裝時要安裝在滿足無塵、無振動、防腐等要求的電子設備間內，同時安裝完畢通電前把電纜孔封堵，以防泄漏蒸汽從電纜孔進入電源系統造成電源短路。在DCS電源上電后，要在UPS、電源柜等設備上掛“設備帶電運行禁止操作”標識牌，更不準可以在DCS電源系統上接入與DCS系統無關的負載，如檢修電源、檢修照明、充電設備、空調等。

    (2)  冗余系統 

    現場考慮人們有必要對重要的I/O模塊進行冗余，同時考慮操作員站的N:1冗余結構，這樣避免由于卡件或操作員站出現硬件故障造成設備停運。

    (3)  采用后備措施 

    ①  手動后備 

    對于重要的控制回路，可以采用手動后備的方法來提高可靠性。一旦自動控制失靈，用手動操作站直接進行操作，在這種情況下，手動操作站直接輸出4～20mA或1～5V的模擬量信號去控制執行機構或直接接地進行設備的操作，可以手動控制生產過程。

    ②  自動后備 

    自動后備是采用冗余的方式設置另外一套或幾套備用控制裝置。當處于運行狀態的自動控制裝置發生故障時，備用控制裝置自動投入，維持系統的自動控制。自動后備是冗余系統的一種形式，冗余有主控單元冗余、電源系統冗余、網絡冗余、I/O模塊冗余、操作員站冗余、服務器冗余等。運行設備出現故障時，熱備設備會自動無擾的運行，同時不影響對故障設備的檢修。 

    2.3  使系統故障時處于安全狀態 

    DCS系統本身在工作中不斷地進行在線故障檢測，一旦發現故障，就將故障設備與系統隔離，使它不至于影響其他設備的正常運行。故障出現后同時會發出聲光報警，維護人員根據報警的提示進行分析故障原因并盡快的處理故障，避免故障擴大。在處理過程中要做好現場的技術措施，不要輕易重啟CPU，以免對設備造成擾動。如果需要重啟CPU，需要與操作人員配合做好預防措施，一般DCS在CPU復位時會對模擬量輸出信號進行復位，這樣可以對執行器和變頻器采用手動切換控制方式，執行器也可以采用斷電方式或將模擬量輸出卡件拔掉方式（執行器具有斷信號保持功能），系統正常后將信號加到正常值后再給執行器上電和插卡件。但是一定要根據DCS本身的特點進行，有的設計中有開關量安全輸出（開、關、保持等），如果用戶在組態時選的安全輸出是開，那當重啟CPU后開關量會發出開的指令。

3  現場條件

    3.1  現場環境

    DCS系統一般都放在控制室內或計算機電子間內，計算機室應隔熱、防塵還需要避開強電磁場的干擾及遠離強振動、強噪音場所。計算機室的凈高宜不小于3.2m，面積宜不小于20m2（一臺計算機及其外圍設備），室內應有電插座。地面應采用無塵、無靜電作用光滑地板，該地板宜用活動地板，下部空間高度不小于150mm。計算機室應保證室內溫度在18～25℃范圍內，溫度變化率小于5℃/h，相對濕度在45％～70％范圍內，任何情況下不許結露。當空調設備發生故障時，應維持室溫在24小時內不超過制造廠允許值。以上條件需要在DCS系統上電工作前嚴格控制，工作環境是保證設備可靠運行的基礎，若環境要求達不到要求，DCS系統在運行過程中會受到不同程度的影響，如溫度高、濕度大、震動大等都會影響DCS系統的正常運行。

    3.2  電纜敷設

    (1)  控制盤、臺，繼電器柜等內部的連接線，應選用銅芯聚氯乙烯絕緣電線。需經插件的連接線（或FK型切換開關的連接線），應選用銅芯聚氯乙烯絕緣軟線。

    (2)  熱電偶至冷端補償器、恒溫箱或直接與儀表的連線，應選用熱電偶絲延伸線或與熱電偶絲的熱電特性相匹配的補償導線。

    (3)  模擬量模入模出信號和低電平的開關信號應使用屏蔽電纜連接，信號電纜芯的截面應大于等于1mm2。而高電平（或大電流）的開關量的輸入輸出信號可用一般對絞電纜（控制電纜）連接，但應與模擬量信號、低電平開關信號分開，單獨走電纜槽。

    (4)  微弱信號及低電平信號，特別是要求抗干擾信號（如計算機、分相儀表轉換器前），不應與強電回路合用一根電纜或敷設在同一根保護管內。

    (5)  不同信號或不同電壓等級的電纜，不宜在同一層托架中敷設；當在同一層托架中敷設時，應分類布置，必要時用隔板隔開。

    (6)  嚴禁電纜平行敷設在油管路的正上方或燃氣管路的正上方，以及在油管路接口的下方通過。

    (7)  計算機的輸入輸出信號電纜應敷設在帶蓋的電纜槽中，電纜槽道及蓋板應保證良好接地。單根信號電纜應穿在鋼制電纜管中敷設，電纜管要保證良好接地。電纜屏蔽層宜選用銅帶屏蔽或鋁箔屏蔽。

    3.3  現場接地常用注意事項

    DCS系統對接地要求比較嚴格，在現場接地時一定要嚴格按照DCS廠商的接地規范嚴格接地，否則會影響DCS系統的可靠性。對DCS系統現場接地時應注意以下幾點：

    (1)  I/O柜的電源地與UPS的電源地必須接至同一個地，保證等電位。

    (2)  接地電纜必須符合DCS廠商的要求，并要接到機柜內專用的接地螺絲上。

    (3)  系統接地與屏蔽接地不能在機柜匯合，必須單獨接入到接地網。

    (4)  柜間接地不能用機柜并接螺栓代替，必須用接地線嚴格連接。

    (5)  接地要牢固可靠，匯流連接板并要涂防腐漆。

    (6)  接地電阻符合DCS系統要求，并要進行嚴格的測定。

    (7)  接地嚴格按照DCS廠商接地要求接地，不能為了省事走捷徑或不按照接地線線徑要求進行接地。
DCS系統接地不符合要求，在運行過程中會出現很難預料的故障，如信號采集錯誤、通訊不正常、計算機死機、控制失靈、保護誤動等。

4  系統維護

    對DCS系統維護總結以下幾點：

    (1)  定期對DCS系統電源進行檢查，對于冗余電源系統要定期進行切換實驗工作。同時對UPS電源進行定期的切換檢查，對電池按照要求進行定期放電充電。

    (2)  定期檢查網絡接頭和各連接線是否牢固，控制柜內的各接線端子是否牢固可靠。

    (3)  經常檢查控制單元、I/O模塊、其他模塊等的工作是否正常。

    (4)  定期檢查接地是否牢固，測試接地電阻是否符合要求。

    (5)  定期檢查控制器、計算機等的工作負荷，并注意是否有升高現象。

    (6)  定期檢查MMI硬盤，并刪除零碎文件，歷史文件經常進行外設歸檔備份。

    (7)  利用機組檢修期間逐個復位DCS系統的DPU（分散處理單元）和MMI（人機接口），以消除計算機長期運行的累計錯誤。

    (8)  對于DCS系統和其他系統（比如MIS（計算機管理系統）、SIS（廠級監控信息系統）等）的接口，建議在其他系統側的網關站上，加裝病毒防火墻，并及時更新病毒庫。同時及時更新操作系統的補丁，提高系統的安全性。

    (9)  定期檢查系統風扇是否工作正常，風道有無阻塞，以確保系統能長期可靠地運行。

    (10)  在機組大小修停機時，應注意檢查DPU主機卡COMS電池的電量。當出現因COMS電池沒電而引起COMS數據丟失的情況時，應整批更換主機板的COMS電池。

    (11)  定期巡檢習慣、定期檢查、定期清掃，保證DCS系統運行環境清潔干凈。