淺談DCS系統(tǒng)的安全

江蘇揚農化工集團有限公司 朱祥云

1.引言

DCS集散控制系統(tǒng)是集計算機技術、通訊技術、控制技術、CRT技術為一體的綜合性高科技產品。DCS通過操作站對整個工藝過程進行集中監(jiān)視、操作、管理，通過控制站對工藝過程各部分進行分散控制，既不同于常規(guī)儀表控制系統(tǒng)，又不同于集中式的計算機控制系統(tǒng)，而是集中兩者的優(yōu)點，克服了它們的不足。DCS以其高可靠性、靈活性、人機界面友好性和通訊的方便性等特點被廣泛應用。但在實際應用過程中，我們不難發(fā)現(xiàn)DCS系統(tǒng)在設計、安裝、運行、維護過程中以及其儀器、儀表、軟件、硬件方面還存在許多設計缺陷和安全問題。本文對DCS系統(tǒng)存在的主要安全問題進行分析總結，以供相關技術人員參考。

2.系統(tǒng)接地

首先談談DCS系統(tǒng)的接地。

接地的作用總的來說只有兩種：一是保護人和設備不受損害；二是抑制干擾。前者叫保護接地，后者叫工作接地。

2.1 保護接地

保護接地又叫安全接地。保護接地是將DCS中平時不帶電的金屬部分(機柜外殼、操作臺外殼等)與地之間形成良好的導電連接，以保護設備和人身安全。原因是DCS的供電是強電供電(220V或110V)，通常情況下機殼等是不帶電的，但當故障發(fā)生(如主機電源故障或其它故障)造成電源的供電火線與外殼等導電金屬部件短路時，這些金屬部件或外殼就形成了帶電體，如果沒有很好的接地，那么這帶電體和地之間就有很高的電位差，如果人不小心觸到這些帶電體，那么就會通過人身形成通路，產生危險。因此，必須將金屬外殼和地之間作很好的連接，使機殼和地等電位。此外，保護接地還可以防止靜電的積聚。

2.2 工作接地

工作接地是為了使DCS以及與之相連的儀表均能可靠運行并保證測量和控制精度而設的接地。它分為信號回路接地、屏蔽接地，在石化和其它防爆系統(tǒng)中還有本安接地。

(1)信號回路接地，是計算機內部的邏輯電平負端公共地，也是+5V等電源的輸出地，還有各變送器的負端接地、開關量信號的負端接地等。

(2)屏蔽接地，是輸入輸出信號電纜屏蔽層的接地。

(3)本安接地，是本安儀表或安全柵的接地。

除上述幾種接地外，在很多場合下容易引起混亂的還有一個供電系統(tǒng)地，也叫交流電源工作地，它是電力系統(tǒng)中為了運行需要設的接地(如中性點接地)。此外還有系統(tǒng)的防雷接地，將在下面進行闡述。

2.3 接地原則

系統(tǒng)的接地原則總體概括只有四個字“一點接地”。DCS的系統(tǒng)地、工作地、保護地都必須遵循此原則。對于系統(tǒng)的接地電阻不可能為零，當有電流通過接地極注入大地時，接地極處的大地電位勢必升高，如果系統(tǒng)有兩點或更多點接地，它們之間一定會產生電位差，從而形成環(huán)流。所以，我們必須保證系統(tǒng)進行“一點接地”。當系統(tǒng)中有多個控制站和數(shù)據站時，可以設立接地母線，把所有站中的各種接地線匯集到接地母線，同樣也必須對母線進行“一點接地”。同樣，操作站也必須進行“一點接地”。

集散控制系統(tǒng)通過輸入輸出(I/O)信號電纜實現(xiàn)控制室和現(xiàn)場的數(shù)據通信，正確的接地既能保護人和設備的安全、抑制外來干擾，又能減小設備對外界的干擾，從而提高系統(tǒng)運行的安全性和可靠性。而錯誤的接地反而會引入干擾，嚴重的甚至會導致集散控制系統(tǒng)無法正常工作。所以說，正確的接地是保證DCS系統(tǒng)良好運行的重要條件。

3.系統(tǒng)供電

電源是DCS能否正常工作的重要環(huán)節(jié)，DCS電源的可靠性除與本身電源的可靠性有關外，還與電源的供電方式和供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及電氣元器件質量有密切關系。

3.1 供電方式及安全分析

(1)單電源單路供電方式：采用一路電源供電，此種供電方式在不少企業(yè)還是存在的，一旦供電電源或供電線路發(fā)生故障，就會引起DCS斷電，不符合DCS供電要求。

(2)單電源雙路供電方式：采用雙路供電，但電源來自同一個變電站(配電室)，一旦供電電源發(fā)生故障，就會引起DCS斷電，也不符合DCS供電要求。

(3)一路廠用電、一路UPS雙路供電方式：供電可靠性相對前兩種方式較高，目前大多數(shù)都是采用此種供電方式。

(4)雙路UPS供電方式：可靠性高，但是由于UPS價格較高，投資比較大。

3.2 保證DCS供電可靠性的措施

(1)對用電負載合理分配：DCS系統(tǒng)大都有冗余電源裝置，主控制器、I/O卡件、部分服務器都有雙路電源，但還有部分設備沒有雙路電源。對沒有雙路電源控制的設備應對主輔設備、操作員站進行合理布置，使其符合危險分散、集中管理的原則。

(2)保證供電的品質：供電電壓的波動可能引起DCS斷電、擊穿設備等危害，所以應保證供電的品質，最好把UPS作為DCS的主供電電源。

4.系統(tǒng)防雷、防靜電

DCS系統(tǒng)是對雷電、靜電十分敏感的弱電子設備，電子元器件的微型化、集成化程度較高，高精度的微電子設備內置大量的CMOS半導體集成模塊，導致過壓、過流保護能力極其脆弱，使各類電子設備的耐過電壓能力下降，易遭雷電和過電壓破壞，對系統(tǒng)的安全運行造成嚴重威脅。所以說，DCS系統(tǒng)的防雷防靜電是必不可少的。

4.1 雷電侵入DCS系統(tǒng)的途徑

雷電對DCS系統(tǒng)的危害主要是通過直擊雷和雷電電磁脈沖干擾(也稱雷電波)兩種形式。主要是通過以下的幾種耦合途徑給DCS系統(tǒng)帶來危害的：

(1)直擊雷造成的地電位浮動而導致的雷電反擊。DCS系統(tǒng)建筑物的防直擊雷裝置在接閃時，強大的瞬間雷電流通過引下線流入接地裝置，會使局部的地電位浮動并產生跨步電壓，如果防雷的接地裝置是獨立的，它和DCS系統(tǒng)的接地體沒有足夠的絕緣距離的話，則它們之間會產生放電，這種現(xiàn)象稱為雷電反擊，它會對控制室內的DCS系統(tǒng)產生干擾乃至破壞。

(2)當DCS系統(tǒng)建筑物的防直擊雷裝置接閃時，在引下線內會通過強大的瞬間雷電流，如果在引下線周圍的一定距離內設有連接DCS系統(tǒng)的電纜(包括電源、通信以及I/O電纜)，則引下線內的雷電流會對DCS的電纜產生電磁輻射，將雷電波(高電位)引入DCS系統(tǒng)，干擾或損壞DCS系統(tǒng)。

(3)當DCS系統(tǒng)周圍發(fā)生雷擊放電時，空間輻射的電磁場會在各種金屬管道、電纜線路上產生感應電壓(包括電磁感應和靜電感應)，從而使DCS系統(tǒng)失效或損壞。

4.2 DCS系統(tǒng)防雷、防靜電的主要措施

企業(yè)中存在防雷、防靜電措施不完善的情況，如室內設備沒有進行等電位連接、沒有鋪設防靜電地板、DCS機柜接地線松動等現(xiàn)象。解決這些問題的主要措施有：

(1)控制室應按二類防雷建筑物設計，外接地網應采用聯(lián)合接地，室內應設置環(huán)形工作接地網，室內設備應進行等電位連接，設備的接地線應以最短的方式直接連接到環(huán)狀工作地接地網上，防靜電地板的金屬支架和靜電地板下的線橋都應直接連接到環(huán)狀工作地接地網上。

(2)電源部分應采用電源防雷器設置兩級防雷。

(3)DCS系統(tǒng)控制線路應采用屏蔽、安裝防雷器兩種防雷措施，即所有的控制線路應采用屏蔽電纜，對于穿越不同防雷分區(qū)的控制線路應在兩端安裝防雷器。DCS數(shù)據采集系統(tǒng)應根據實際需要選擇重要的數(shù)據過程量進行防雷。DCS機柜接地電纜應采用冗余連接，防止接地線松動或損壞。在對系統(tǒng)卡件進行操作時需要佩戴防靜電手環(huán)，或者在操作前先摸一下機柜外殼釋放一下靜電。

(4)對信號電纜的屏蔽接地，原則上是規(guī)定一端接地，另一端懸空。但單端接地只能防靜電感應(即電容性耦合)，不能防磁場強度變化所感應的電壓(即電感性耦合)，無助于阻礙雷電波的侵入。為了減少屏蔽芯線的感應電壓，僅在屏蔽層一端做等電位連接的情況下，應采用有絕緣隔開的雙層屏蔽，外層屏蔽應至少在兩端作等電位連接(即兩點接地)。在這種情況下外屏蔽層與其它同樣做了等電位連接的導體構成了環(huán)路，感應出一電流，因此產生減低源磁場強度的磁通，從而基本上可抵消無外層屏蔽層時所感應的電壓。為此，可以利用金屬走線槽或穿金屬管作為第二屏蔽層并用兩端接地的方法來實現(xiàn)。作為傳輸模擬信號回路的控制電纜和屏蔽層作為信號返回回路的同軸電纜，其屏蔽層宜采用集中一點接地方式，不得兩點接地。

為了防止或減少因雷擊導致現(xiàn)場儀表及DCS系統(tǒng)的故障和損壞，確保DCS系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運行，在遵守有關國家及行業(yè)標準的基礎上，要對整個儀控系統(tǒng)根據等電位連接的原則加以設計，從控制室、I/O模塊、現(xiàn)場儀表、現(xiàn)場儀表信號電纜和電源線等多方面綜合考慮，同時需要電氣、建筑、儀表等專業(yè)協(xié)同合作來實現(xiàn)。除了考慮系統(tǒng)安全性以外，還要考慮投資的成本、運行的經濟性，做到安全可靠、技術先進、經濟合理。

5.其他因素

接地不正確、電源故障、雷擊、靜電是危害DCS系統(tǒng)安全的主要因素，這些不安全因素可以在設計和施工時解決好。其他諸如：計算機故障、I/O模塊故障、網絡故障、環(huán)境以及人為因素，這些不安全因素，我們可以通過提高維護人員的技術水平、提高維護人員的工作責任心等等來減少此類故障的發(fā)生，平時巡回檢查時做到認真細心，發(fā)現(xiàn)問題及時上報并處理，確保DCS系統(tǒng)安全的、穩(wěn)定的運行。

6.小結

DCS的先進性和實用性已為人們所接受，DCS系統(tǒng)本身可靠性高，但要防止各類事故的發(fā)生、保障DCS系統(tǒng)的安全性，還要注意DCS的設計、制造、安裝、維護等，具體應注意系統(tǒng)接地、電源供電、防雷防靜電措施、抗干擾措施、系統(tǒng)維護等方面。

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[5]浙大中控技術有限公司DCS系統(tǒng)使用說明書.