DCS系統(tǒng)的可靠性研究

一、前言

　　分散控制系統(tǒng)(DCS)的主要作用是對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制、監(jiān)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(jīng)濟(jì)運(yùn)行。隨著大規(guī)模計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，可靠性問(wèn)題己經(jīng)成為一個(gè)十分重要的問(wèn)題，其理論也在這種形勢(shì)下不斷地發(fā)展和完善?？煽啃约夹g(shù)的研究?jī)?nèi)容大致分為四個(gè)方面：可靠性設(shè)計(jì)、可靠性分析、可靠性試驗(yàn)、可靠性管理。

　　二、DCS系統(tǒng)的可靠性措施

　　在DCS系統(tǒng)中，采用了許多提高可靠性的技術(shù)措施。這些技術(shù)措施是建立在以下四種基本思想上的：① 使系統(tǒng)本身不易發(fā)生故障，即所謂的故障預(yù)防;② 在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)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(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，能夠讓系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，即所謂的故障容錯(cuò);④ 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可以在不停止系統(tǒng)運(yùn)行的情況下進(jìn)行維修，即所謂的在線維修?；谶@四種基本思想，DCS系統(tǒng)中采用了各種各樣的可靠性措施降低事故的發(fā)生及所造成的損失。

　　1、嚴(yán)格進(jìn)行質(zhì)量管理和提高系統(tǒng)硬件水平

　　為了實(shí)現(xiàn)DCS系統(tǒng)的硬件可靠，DCS系統(tǒng)的制造商采取了一系列提高硬件質(zhì)量的措施，如對(duì)元器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選、老化元器件的降額使用、充分考慮到參數(shù)變化的影響、采用低功耗元件、采用噪聲抑制技術(shù)等。

　　2、DCS系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)的可靠性措施

　　DCS出現(xiàn)問(wèn)題后，將會(huì)有無(wú)法操作、無(wú)法監(jiān)視等造成設(shè)備失控的情況出現(xiàn)。輕者出現(xiàn)設(shè)備停運(yùn)影響經(jīng)濟(jì)效益，重者危及人身和設(shè)備的安全。所以在設(shè)計(jì)中一定要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況認(rèn)真的考慮系統(tǒng)以下幾點(diǎn)可靠性：

　　(1)電源系統(tǒng)

　　DCS系統(tǒng)的供電系統(tǒng)是其運(yùn)行的基礎(chǔ)，電源負(fù)荷不要超過(guò)60%，以免電源高負(fù)荷運(yùn)行。同時(shí)要考慮用高品質(zhì)的電源，一般筆者采用UPS電源，采用兩臺(tái)UPS互為備用最好，一臺(tái)出現(xiàn)故障后備用機(jī)能夠無(wú)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(jù)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(xiàn)問(wèn)題后不會(huì)影響DCS系統(tǒng)的電源。DCS電源系統(tǒng)(UPS、電源柜等)在現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)要安裝在滿足無(wú)塵、無(wú)振動(dòng)、防腐等要求的電子設(shè)備間內(nèi)，同時(shí)安裝完畢通電前把電纜孔封堵，以防泄漏蒸汽從電纜孔進(jìn)入電源系統(tǒng)造成電源短路。在DCS電源上電后，要在UPS、電源柜等設(shè)備上掛“設(shè)備帶電運(yùn)行禁止操作”標(biāo)識(shí)牌，更不準(zhǔn)可以在DCS電源系統(tǒng)上接入與DCS系統(tǒng)無(wú)關(guān)的負(fù)載，如檢修電源、檢修照明、充電設(shè)備、空調(diào)等。

　　(2)冗余系統(tǒng)

　　現(xiàn)場(chǎng)考慮人們有必要對(duì)重要的I/O模塊進(jìn)行冗余，同時(shí)考慮操作員站的N:1冗余結(jié)構(gòu)，這樣避免由于卡件或操作員站出現(xiàn)硬件故障造成設(shè)備停運(yùn)。

　　(3)采用后備措施

　　① 手動(dòng)后備

　　對(duì)于重要的控制回路，可以采用手動(dòng)后備的方法來(lái)提高可靠性。一旦自動(dòng)控制失靈，用手動(dòng)操作站直接進(jìn)行操作，在這種情況下，手動(dòng)操作站直接輸出4～20mA或1～5V的模擬量信號(hào)去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)或直接接地進(jìn)行設(shè)備的操作，可以手動(dòng)控制生產(chǎn)過(guò)程。

　?、?自動(dòng)后備

　　自動(dòng)后備是采用冗余的方式設(shè)置另外一套或幾套備用控制裝置。當(dāng)處于運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)控制裝置發(fā)生故障時(shí)，備用控制裝置自動(dòng)投入，維持系統(tǒng)的自動(dòng)控制。自動(dòng)后備是冗余系統(tǒng)的一種形式，冗余有主控單元冗余、電源系統(tǒng)冗余、網(wǎng)絡(luò)冗余、I/O模塊冗余、操作員站冗余、服務(wù)器冗余等。運(yùn)行設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，熱備設(shè)備會(huì)自動(dòng)無(wú)擾的運(yùn)行，同時(shí)不影響對(duì)故障設(shè)備的檢修。

　　3、使系統(tǒng)故障時(shí)處于安全狀態(tài)

　　DCS系統(tǒng)本身在工作中不斷地進(jìn)行在線故障檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)故障，就將故障設(shè)備與系統(tǒng)隔離，使它不至于影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行。故障出現(xiàn)后同時(shí)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，維護(hù)人員根據(jù)報(bào)警的提示進(jìn)行分析故障原因并盡快的處理故障，避免故障擴(kuò)大。在處理過(guò)程中要做好現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)措施，不要輕易重啟CPU，以免對(duì)設(shè)備造成擾動(dòng)。如果需要重啟CPU，需要與操作人員配合做好預(yù)防措施，一般DCS在CPU復(fù)位時(shí)會(huì)對(duì)模擬量輸出信號(hào)進(jìn)行復(fù)位，這樣可以對(duì)執(zhí)行器和變頻器采用手動(dòng)切換控制方式，執(zhí)行器也可以采用斷電方式或?qū)⒛M量輸出卡件拔掉方式(執(zhí)行器具有斷信號(hào)保持功能)，系統(tǒng)正常后將信號(hào)加到正常值后再給執(zhí)行器上電和插卡件。但是一定要根據(jù)DCS本身的特點(diǎn)進(jìn)行，有的設(shè)計(jì)中有開(kāi)關(guān)量安全輸出(開(kāi)、關(guān)、保持等)，如果用戶在組態(tài)時(shí)選的安全輸出是開(kāi)，那當(dāng)重啟CPU后開(kāi)關(guān)量會(huì)發(fā)出開(kāi)的指令。

　　三、現(xiàn)場(chǎng)條件

　　1、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境

　　DCS系統(tǒng)一般都放在控制室內(nèi)或計(jì)算機(jī)電子間內(nèi)，計(jì)算機(jī)室應(yīng)隔熱、防塵還需要避開(kāi)強(qiáng)電磁場(chǎng)的干擾及遠(yuǎn)離強(qiáng)振動(dòng)、強(qiáng)噪音場(chǎng)所。計(jì)算機(jī)室的凈高宜不小于3.2m，面積宜不小于20m2(一臺(tái)計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備)，室內(nèi)應(yīng)有電插座。地面應(yīng)采用無(wú)塵、無(wú)靜電作用光滑地板，該地板宜用活動(dòng)地板，下部空間高度不小于150mm。計(jì)算機(jī)室應(yīng)保證室內(nèi)溫度在18～25℃范圍內(nèi)，溫度變化率小于5℃/h，相對(duì)濕度在45%～70%范圍內(nèi)，任何情況下不許結(jié)露。當(dāng)空調(diào)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)維持室溫在24小時(shí)內(nèi)不超過(guò)制造廠允許值。以上條件需要在DCS系統(tǒng)上電工作前嚴(yán)格控制，工作環(huán)境是保證設(shè)備可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)，若環(huán)境要求達(dá)不到要求，DCS系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到不同程度的影響，如溫度高、濕度大、震動(dòng)大等都會(huì)影響DCS系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

　　2、電纜敷設(shè)

　　(1) 控制盤(pán)、臺(tái)，繼電器柜等內(nèi)部的連接線，應(yīng)選用銅芯聚氯乙烯絕緣電線。需經(jīng)插件的連接線(或FK型切換開(kāi)關(guān)的連接線)，應(yīng)選用銅芯聚氯乙烯絕緣軟線。

　　(2) 熱電偶至冷端補(bǔ)償器、恒溫箱或直接與儀表的連線，應(yīng)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(bǔ)償導(dǎo)線。

　　(3) 模擬量模入模出信號(hào)和低電平的開(kāi)關(guān)信號(hào)應(yīng)使用屏蔽電纜連接，信號(hào)電纜芯的截面應(yīng)大于等于1mm2。而高電平(或大電流)的開(kāi)關(guān)量的輸入輸出信號(hào)可用一般對(duì)絞電纜(控制電纜)連接，但應(yīng)與模擬量信號(hào)、低電平開(kāi)關(guān)信號(hào)分開(kāi)，單獨(dú)走電纜槽。

　　(4) 微弱信號(hào)及低電平信號(hào)，特別是要求抗干擾信號(hào)(如計(jì)算機(jī)、分相儀表轉(zhuǎn)換器前)，不應(yīng)與強(qiáng)電回路合用一根電纜或敷設(shè)在同一根保護(hù)管內(nèi)。

　　(5) 不同信號(hào)或不同電壓等級(jí)的電纜，不宜在同一層托架中敷設(shè);當(dāng)在同一層托架中敷設(shè)時(shí)，應(yīng)分類(lèi)布置，必要時(shí)用隔板隔開(kāi)。

　　(6) 嚴(yán)禁電纜平行敷設(shè)在油管路的正上方或燃?xì)夤苈返恼戏剑约霸谟凸苈方涌诘南路酵ㄟ^(guò)。

　　(7) 計(jì)算機(jī)的輸入輸出信號(hào)電纜應(yīng)敷設(shè)在帶蓋的電纜槽中，電纜槽道及蓋板應(yīng)保證良好接地。單根信號(hào)電纜應(yīng)穿在鋼制電纜管中敷設(shè)，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、現(xiàn)場(chǎng)接地常用注意事項(xiàng)

　　DCS系統(tǒng)對(duì)接地要求比較嚴(yán)格，在現(xiàn)場(chǎng)接地時(shí)一定要嚴(yán)格按照DCS廠商的接地規(guī)范嚴(yán)格接地，否則會(huì)影響DCS系統(tǒng)的可靠性。對(duì)DCS系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)接地時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

　　(1) I/O柜的電源地與UPS的電源地必須接至同一個(gè)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(jī)柜內(nèi)專(zhuān)用的接地螺絲上。

　　(3) 系統(tǒng)接地與屏蔽接地不能在機(jī)柜匯合，必須單獨(dú)接入到接地網(wǎng)。

　　(4) 柜間接地不能用機(jī)柜并接螺栓代替，必須用接地線嚴(yán)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(tǒng)要求，并要進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)定。

　　(7) 接地嚴(yán)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(jìn)行接地。

　　DCS系統(tǒng)接地不符合要求，在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)很難預(yù)料的故障，如信號(hào)采集錯(cuò)誤、通訊不正常、計(jì)算機(jī)死機(jī)、控制失靈、保護(hù)誤動(dòng)等。

　　四、系統(tǒng)維護(hù)

　　對(duì)DCS系統(tǒng)維護(hù)總結(jié)以下幾點(diǎn)：

　　(1) 定期對(duì)DCS系統(tǒng)電源進(jìn)行檢查，對(duì)于冗余電源系統(tǒng)要定期進(jìn)行切換實(shí)驗(yàn)工作。同時(shí)對(duì)UPS電源進(jìn)行定期的切換檢查，對(duì)電池按照要求進(jìn)行定期放電充電。

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

　　(3) 經(jīng)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(cè)試接地電阻是否符合要求。

　　(5) 定期檢查控制器、計(jì)算機(jī)等的工作負(fù)荷，并注意是否有升高現(xiàn)象。

　　(6) 定期檢查MMI硬盤(pán)，并刪除零碎文件，歷史文件經(jīng)常進(jìn)行外設(shè)歸檔備份。

　　(7) 利用機(jī)組檢修期間逐個(gè)復(fù)位DCS系統(tǒng)的DPU(分散處理單元)和MMI(人機(jī)接口)，以消除計(jì)算機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行的累計(jì)錯(cuò)誤。

　　(8) 對(duì)于DCS系統(tǒng)和其他系統(tǒng)(比如MIS(計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng))、SIS(廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng))等)的接口，建議在其他系統(tǒng)側(cè)的網(wǎng)關(guān)站上，加裝病毒防火墻，并及時(shí)更新病毒庫(kù)。同時(shí)及時(shí)更新操作系統(tǒng)的補(bǔ)丁，提高系統(tǒng)的安全性。

　　(9) 定期檢查系統(tǒng)風(fēng)扇是否工作正常，風(fēng)道有無(wú)阻塞，以確保系統(tǒng)能長(zhǎng)期可靠地運(yùn)行。

　　(10) 在機(jī)組大小修停機(jī)時(shí)，應(yīng)注意檢查DPU主機(jī)卡COMS電池的電量。當(dāng)出現(xiàn)因COMS電池沒(méi)電而引起COMS數(shù)據(jù)丟失的情況時(shí)，應(yīng)整批更換主機(jī)板的COMS電池。

　　(11) 定期巡檢習(xí)慣、定期檢查、定期清掃，保證DCS系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境清潔干凈。