集散控制系統(tǒng)在氯堿企業(yè)的應(yīng)用

陳榮霞，武 婷，王振云

（億利化學(xué)公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014300）

1 概述

分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，簡稱DCS），在國內(nèi)自控行業(yè)又稱為集散控制系統(tǒng)，是相對(duì)于集中式控制系統(tǒng)而言的一種新型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。是在集中式控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展、演變而來的，是一個(gè)由過程控制級(jí)和過程監(jiān)控級(jí)組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，綜合了計(jì)算機(jī)，通信、顯示和控制等4C技術(shù)，其基本思想是分散控制、集中操作、分級(jí)管理、配置靈活以及組態(tài)方便[1]。

DCS系統(tǒng)由控制站、操作員站、工程師站兼操作員站組成，系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備之間采用1套完全冗余的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和通訊。整個(gè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)見圖1。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 DCS的三大基本部分

2.1.1 定義

自1975年以來，DCS控制系統(tǒng)的硬件和軟件功能不斷完善和強(qiáng)化，已經(jīng)經(jīng)歷了3代，但從基本結(jié)構(gòu)來看，特性相同，可分解為三大基本部分。

（1）過程控制站是集散控制系統(tǒng)與生產(chǎn)過程之間的界面，生產(chǎn)過程的各種過程變量和狀態(tài)信息通過過程控制站轉(zhuǎn)化為操作監(jiān)視的數(shù)據(jù)，而操作的各種信息也通過過程控制站送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在過程控制裝置內(nèi)，進(jìn)行模擬量與數(shù)字量的相互轉(zhuǎn)換，完成各種控制算法的運(yùn)算以及對(duì)輸入和輸出量的數(shù)據(jù)處理等。

（2）操作站是操作人員與集散控制系統(tǒng)的界面，操作人員通過操作站了解生產(chǎn)過程的運(yùn)行狀況，并通過它發(fā)出操作指令。生產(chǎn)過程的各種參數(shù)在操作站上顯示，以便于操作人員監(jiān)視和操作。

（3）工程師站是對(duì)DCS進(jìn)行離線的配置、組態(tài)工作和在線的系統(tǒng)監(jiān)督、控制、維護(hù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其主要功能是提供對(duì)DCS進(jìn)行組態(tài)，配置工作的工具軟件（即組態(tài)軟件），并在DCS在線運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)，地監(jiān)視DCS網(wǎng)絡(luò)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況，使系統(tǒng)工程師可以通過工程師站及時(shí)調(diào)整系統(tǒng)配置及一些系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定，使DCS隨時(shí)處在最佳的工作狀態(tài)之下。

2.1.2 基本部分之間的聯(lián)系

在DCS系統(tǒng)中，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)是一些4～20mA的模擬量值或一些高、低電平的開關(guān)量值。如圖1中的現(xiàn)場(chǎng)變送器、執(zhí)行器，這些數(shù)值經(jīng)DCS系統(tǒng)的I/O模塊采集、轉(zhuǎn)換后，送至控制器，在控制器內(nèi)，經(jīng)過轉(zhuǎn)化與運(yùn)算將以人能識(shí)別的方式來顯示。比如，將4～20 mA的采樣值轉(zhuǎn)換成測(cè)量的實(shí)際物理量，或?qū)?～20 mA的驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥的電流信號(hào)以閥位的形式表達(dá)，或?qū)⒏叩碗娖睫D(zhuǎn)換成信號(hào)燈的形式等。所有的測(cè)量值的顯示、調(diào)節(jié)回路和電機(jī)的操作、報(bào)警圖、趨勢(shì)圖的歸檔保存、打印，這些涉及到生產(chǎn)的操作過程在DCS中是采用微機(jī)來完成的。在DCS系統(tǒng)中用于生產(chǎn)操作的微機(jī)就是操作站。為便于操作，通常會(huì)繪制帶控制點(diǎn)的流程圖，將控制參數(shù)放到對(duì)應(yīng)流程位置上。DCS系統(tǒng)是一個(gè)集成軟、硬件系統(tǒng)的完整的自動(dòng)化平臺(tái)。操作站是提供操作工了解現(xiàn)場(chǎng)情況、操作現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備使用的。工程師站就是定義軟硬件資源、操作指令、連鎖條件、顯示方式的微機(jī)。通常把這些定義的過程稱為“組態(tài)”，工程師站就是供系統(tǒng)維護(hù)人員組態(tài)使用的。簡而言之，操作站就是一臺(tái)用于操作、監(jiān)視、報(bào)警、趨勢(shì)顯示、記錄和打印報(bào)表的PC機(jī)。操作站通常裝有操作軟件以完成上述功能，并且是通過以太網(wǎng)與過程控制站相連；工程師站就是一臺(tái)用于組態(tài)過程控制軟件，診斷、監(jiān)視過程控制站運(yùn)行情況，供DCS工程師開發(fā)、測(cè)試、維護(hù)DCS系統(tǒng)使用的計(jì)算機(jī)。

2.2 其他

2.2.1 安全柵

現(xiàn)場(chǎng)本安儀表信號(hào)經(jīng)過安全柵接入系統(tǒng)。

2.2.2 繼電器及端子柜

現(xiàn)場(chǎng)隔爆儀表信號(hào)經(jīng)過端子接入系統(tǒng)；電機(jī)控制中心過來的電氣信號(hào)經(jīng)過繼電器隔離后接入系統(tǒng)。

2.2.3 配電柜

DCS系統(tǒng)是由不間斷電源（UPS）進(jìn)行供電的，UPS蓄電池備用時(shí)間為30 min。UPS供電到DCS配電柜，由配電柜配電到每個(gè)機(jī)柜、工作站及現(xiàn)場(chǎng)的儀表設(shè)備。

3 通訊網(wǎng)絡(luò)

DCS系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)控制站和操作站組成，操作站與操作站之間及操作站與上位計(jì)算機(jī)之間的通訊為E網(wǎng)（Ethernet），控制站與控制站之間及控制站與操作站之間的通訊為V網(wǎng)（Vnet）。

（1）E網(wǎng)是操作站與操作站之間及操作站與上位計(jì)算機(jī)之間的通訊線，是通過HUB集線器用E網(wǎng)線來連接的，每根線都是獨(dú)立的，沒有備用線，即取掉1根，該操作站或上位計(jì)算機(jī)則與網(wǎng)絡(luò)斷開，但不影響其他操作站和上位計(jì)算機(jī)。

（2）V網(wǎng)是控制站與控制站之間及控制站與操作站之間的通訊線，站與站之間并連連接，有2根V網(wǎng)線互為熱備用，可以單獨(dú)取下某一操作站或控制站的V網(wǎng)線，而不影響其他站的正常工作，但若同時(shí)取下一個(gè)站的2根V網(wǎng)線，則將造成本站通訊中斷。

（3）I/O總線把多種I/O信號(hào)送到控制器，由控制器讀取I/O信號(hào)，I/O模件之間并不交換數(shù)據(jù)，I/O總線包括并行總線和串行總線。I/O總線的傳輸速率不高，從幾十千比特到幾兆不等，為了快速，最好是并行總線。采用并行總線，其I/O模件必須與控制器模件相鄰；若采用串行總線，I/O模件和控制器之間的距離也要比較近才行。通常把控制器模件和I/O模件裝在1個(gè)機(jī)柜內(nèi)或相鄰的機(jī)柜內(nèi)。

4 常見故障及處理方法

4.1 過程通道故障

過程通道故障出現(xiàn)最多的是I/O卡故障。I/O卡故障一般通過系統(tǒng)診斷來判斷，通過更換通道或更換備用件處理，至于其內(nèi)部元件老化或是其他原因造成的損壞，控制人員不好判斷，I/O卡的檢修一般是由廠家處理。由于目前的手段還不能達(dá)到像檢修常規(guī)儀表那樣檢修。而且生產(chǎn)廠家的I/O卡件已制造成一體化的趨勢(shì)，只能購買備件。這類故障只是在調(diào)試階段出現(xiàn)較多，正常運(yùn)行中出現(xiàn)的幾率很低。有時(shí)，操作員不能直接發(fā)現(xiàn)一次元件或控制設(shè)備出現(xiàn)的故障時(shí)，只有異常或報(bào)警后，才通知DCS維護(hù)人員處理。這樣，對(duì)檢修人員和運(yùn)行人員的素質(zhì)要求就要提高，運(yùn)行人員要詳細(xì)介紹故障前后的狀態(tài)便于DCS維護(hù)人員能夠快速、準(zhǔn)確地處理缺陷，減少故障的擴(kuò)大化。另外，許多DCS廠家在產(chǎn)品宣傳上都支持卡件熱撥，做為控制人員，在運(yùn)行中更換卡件時(shí)一定要做好安全防護(hù)措施否則會(huì)引起系統(tǒng)變化或負(fù)荷變化，尤其是數(shù)字量卡件。

4.2 操作站故障

操作站死機(jī)原因比較多，有硬盤或網(wǎng)卡故障，冷卻風(fēng)扇負(fù)荷過重等。目前，出現(xiàn)頻率最多的是電源風(fēng)扇故障造成的死機(jī)。對(duì)死機(jī)后重啟的時(shí)間，不同廠家不同，少則幾十秒，多則幾分鐘，人為操作發(fā)生的故障在自控專業(yè)中的不安全事件中占有很大比例，在操作中，應(yīng)引起高度重視，減少人為故障[2]。

4.3 打印機(jī)故障

打印機(jī)不工作一般是由于配置的原因，應(yīng)檢查打印機(jī)的設(shè)置及其硬件是否正常進(jìn)行處理；還有操作問題，再有就是打印機(jī)本身的問題，比如沒有墨或者是設(shè)置不對(duì)等。

4.4 電源故障

電源故障問題較多，保險(xiǎn)配置不合理，備用電源不能自投，電源波動(dòng)引起保護(hù)誤動(dòng)及接插頭接觸不良易造成無電源。處理電源故障比較容易。首先，認(rèn)真核對(duì)保險(xiǎn)的配置及容量，真正起到保險(xiǎn)的作用；其次，UPS的配備很重要，可以在電源波動(dòng)時(shí)也能保證系統(tǒng)正常供電，而且要考慮冗余和備用問題。

4.5 干擾造成的故障

對(duì)于干擾，主要是接地問題、備用電源的切換和大功率的無線通信設(shè)備如手機(jī)、對(duì)講機(jī)等。DCS系統(tǒng)的干擾信號(hào)還有可能是由本身造成的。對(duì)于DCS系統(tǒng)的接地問題，越來越引起人們的重視，大功率電器設(shè)備的啟動(dòng)和停止都會(huì)干擾DCS的控制信號(hào)，造成不必要的故障。為了防止干擾信號(hào)串入系統(tǒng)，要嚴(yán)格執(zhí)行屏蔽和接地的要求和方式，信號(hào)線遠(yuǎn)離干擾源，同時(shí)采取防電源波動(dòng)措施。在主/從過程控制器運(yùn)行時(shí)，除非萬不得已，盡量不要人為切換，已防產(chǎn)生干擾，如必須切換，應(yīng)先將控制切手動(dòng)，以免對(duì)機(jī)組運(yùn)行工況產(chǎn)生影響。對(duì)機(jī)柜間、工程師站等重點(diǎn)部位，應(yīng)絕對(duì)禁止使用大功率無線電通信設(shè)備。

5 日常維護(hù)

要保證DCS操作系統(tǒng)正常工作，必須保證有規(guī)律的維護(hù)，才能滿足生產(chǎn)的需求。

5.1 DCS操作系統(tǒng)的日常檢查內(nèi)容

（1）在操作站上查看控制站的運(yùn)行情況，定期清掃風(fēng)扇和過濾網(wǎng)。系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境非常重要，如果灰塵過多，將在機(jī)柜內(nèi)卡板上堆積，從而造成卡件運(yùn)行溫度過高而影響設(shè)備的使用壽命，甚至使卡件損壞。

（2）做好防鼠工作，以免老鼠咬斷控制電纜，同時(shí)，要避免鼠尿造成卡件線路的短路[3]。

（3）每天檢查并保持系統(tǒng)溫度濕度變化情況應(yīng)符合系統(tǒng)工作要求。

（4）檢查系統(tǒng)輸入、輸出卡件指示燈顯示的運(yùn)行狀態(tài)。

（5）檢查供電電壓后備電源和直流電源運(yùn)行情況。

（6）檢查通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)。

（7）檢查冗余狀態(tài)是否正常。檢查報(bào)警連鎖是否存在異常等。

5.2 DCS操作系統(tǒng)維護(hù)過程中應(yīng)注意事項(xiàng)

（1）在日常維護(hù)過程中，要避免亂拉電纜或碰傷電纜和網(wǎng)線，尤其是電纜的連接處，避免引起虛接和接觸不良。

（2）利用設(shè)備大修的機(jī)會(huì)，進(jìn)行有計(jì)劃的系統(tǒng)全面維護(hù)，在全面系統(tǒng)維護(hù)時(shí)，要停電進(jìn)行。DCS操作系統(tǒng)斷電的步驟為：每個(gè)操作站依次退出監(jiān)控界面和操作系統(tǒng)，關(guān)閉主機(jī)和顯示器電源；逐個(gè)關(guān)閉控制站分電源，然后關(guān)閉總電源開關(guān)；系統(tǒng)停電后，檢查系統(tǒng)供電線路，接線端子，安全柵等，確保線路正常接線可靠，總之，要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查維護(hù)。系統(tǒng)全面維護(hù)后，要按照要求進(jìn)行送電：控制站送電，先合總電源再合分電源，然后給操作站送電。對(duì)控制站先檢查220 V交流、然后檢查UPS輸出電壓，檢查電源箱，檢查卡件配電。

6 結(jié)束語

DCS應(yīng)從設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試、運(yùn)行進(jìn)行全過程全方位管理，作為系統(tǒng)維護(hù)人員應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)配置和生產(chǎn)設(shè)備控制情況，制定科學(xué)、合理、可行的維護(hù)策略和方式方法，做到預(yù)防性維護(hù)、日常維護(hù)緊密配合，定期維護(hù)，對(duì)運(yùn)行中出現(xiàn)的各種故障，應(yīng)具體問題具體分析。減少DCS故障的關(guān)鍵是要做到預(yù)防第一，保證系統(tǒng)在要求的環(huán)境下長期良好運(yùn)行，及時(shí)備份軟件及數(shù)據(jù)、減少人為誤動(dòng)、提高設(shè)備健康水平。

［1］周榮富，陶文英.集散控制系統(tǒng).北京：北京大學(xué)出版社.2010.

［2］朱明飄，席亞賓.DCS系統(tǒng)常見故障分析及處理措施探討.自動(dòng)化與儀器儀表，2008（5）：6－7.

［3］電力行業(yè)熱工自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).DL／T774－2001.火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)運(yùn)行檢修導(dǎo)則.北京：中國電力出版社，2002.