集散控制系统在氯碱企业的应用

陈荣霞，武 婷，王振云

（亿利化学公司，内蒙古 鄂尔多斯 014300）

1 概述

分布式控制系统（Distributed Control System，简称DCS），在国内自控行业又称为集散控制系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统。是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的，是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便[1]。

DCS系统由控制站、操作员站、工程师站兼操作员站组成，系统中各个设备之间采用1套完全冗余的网络系统进行数据的读取和通讯。整个系统体系结构见图1。

2 系统结构

2.1 DCS的三大基本部分

2.1.1 定义

自1975年以来，DCS控制系统的硬件和软件功能不断完善和强化，已经经历了3代，但从基本结构来看，特性相同，可分解为三大基本部分。

（1）过程控制站是集散控制系统与生产过程之间的界面，生产过程的各种过程变量和状态信息通过过程控制站转化为操作监视的数据，而操作的各种信息也通过过程控制站送到执行机构。在过程控制装置内，进行模拟量与数字量的相互转换，完成各种控制算法的运算以及对输入和输出量的数据处理等。

（2）操作站是操作人员与集散控制系统的界面，操作人员通过操作站了解生产过程的运行状况，并通过它发出操作指令。生产过程的各种参数在操作站上显示，以便于操作人员监视和操作。

（3）工程师站是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络节点，其主要功能是提供对DCS进行组态，配置工作的工具软件（即组态软件），并在DCS在线运行时实时，地监视DCS网络上各个节点的运行情况，使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定，使DCS随时处在最佳的工作状态之下。

2.1.2 基本部分之间的联系

在DCS系统中，生产现场的数据是一些4～20mA的模拟量值或一些高、低电平的开关量值。如图1中的现场变送器、执行器，这些数值经DCS系统的I/O模块采集、转换后，送至控制器，在控制器内，经过转化与运算将以人能识别的方式来显示。比如，将4～20 mA的采样值转换成测量的实际物理量，或将4～20 mA的驱动调节阀的电流信号以阀位的形式表达，或将高低电平转换成信号灯的形式等。所有的测量值的显示、调节回路和电机的操作、报警图、趋势图的归档保存、打印，这些涉及到生产的操作过程在DCS中是采用微机来完成的。在DCS系统中用于生产操作的微机就是操作站。为便于操作，通常会绘制带控制点的流程图，将控制参数放到对应流程位置上。DCS系统是一个集成软、硬件系统的完整的自动化平台。操作站是提供操作工了解现场情况、操作现场设备使用的。工程师站就是定义软硬件资源、操作指令、连锁条件、显示方式的微机。通常把这些定义的过程称为“组态”，工程师站就是供系统维护人员组态使用的。简而言之，操作站就是一台用于操作、监视、报警、趋势显示、记录和打印报表的PC机。操作站通常装有操作软件以完成上述功能，并且是通过以太网与过程控制站相连；工程师站就是一台用于组态过程控制软件，诊断、监视过程控制站运行情况，供DCS工程师开发、测试、维护DCS系统使用的计算机。

2.2 其他

2.2.1 安全栅

现场本安仪表信号经过安全栅接入系统。

2.2.2 继电器及端子柜

现场隔爆仪表信号经过端子接入系统；电机控制中心过来的电气信号经过继电器隔离后接入系统。

2.2.3 配电柜

DCS系统是由不间断电源（UPS）进行供电的，UPS蓄电池备用时间为30 min。UPS供电到DCS配电柜，由配电柜配电到每个机柜、工作站及现场的仪表设备。

3 通讯网络

DCS系统主要由现场控制站和操作站组成，操作站与操作站之间及操作站与上位计算机之间的通讯为E网（Ethernet），控制站与控制站之间及控制站与操作站之间的通讯为V网（Vnet）。

（1）E网是操作站与操作站之间及操作站与上位计算机之间的通讯线，是通过HUB集线器用E网线来连接的，每根线都是独立的，没有备用线，即取掉1根，该操作站或上位计算机则与网络断开，但不影响其他操作站和上位计算机。

（2）V网是控制站与控制站之间及控制站与操作站之间的通讯线，站与站之间并连连接，有2根V网线互为热备用，可以单独取下某一操作站或控制站的V网线，而不影响其他站的正常工作，但若同时取下一个站的2根V网线，则将造成本站通讯中断。

（3）I/O总线把多种I/O信号送到控制器，由控制器读取I/O信号，I/O模件之间并不交换数据，I/O总线包括并行总线和串行总线。I/O总线的传输速率不高，从几十千比特到几兆不等，为了快速，最好是并行总线。采用并行总线，其I/O模件必须与控制器模件相邻；若采用串行总线，I/O模件和控制器之间的距离也要比较近才行。通常把控制器模件和I/O模件装在1个机柜内或相邻的机柜内。

4 常见故障及处理方法

4.1 过程通道故障

过程通道故障出现最多的是I/O卡故障。I/O卡故障一般通过系统诊断来判断，通过更换通道或更换备用件处理，至于其内部元件老化或是其他原因造成的损坏，控制人员不好判断，I/O卡的检修一般是由厂家处理。由于目前的手段还不能达到像检修常规仪表那样检修。而且生产厂家的I/O卡件已制造成一体化的趋势，只能购买备件。这类故障只是在调试阶段出现较多，正常运行中出现的几率很低。有时，操作员不能直接发现一次元件或控制设备出现的故障时，只有异常或报警后，才通知DCS维护人员处理。这样，对检修人员和运行人员的素质要求就要提高，运行人员要详细介绍故障前后的状态便于DCS维护人员能够快速、准确地处理缺陷，减少故障的扩大化。另外，许多DCS厂家在产品宣传上都支持卡件热拨，做为控制人员，在运行中更换卡件时一定要做好安全防护措施否则会引起系统变化或负荷变化，尤其是数字量卡件。

4.2 操作站故障

操作站死机原因比较多，有硬盘或网卡故障，冷却风扇负荷过重等。目前，出现频率最多的是电源风扇故障造成的死机。对死机后重启的时间，不同厂家不同，少则几十秒，多则几分钟，人为操作发生的故障在自控专业中的不安全事件中占有很大比例，在操作中，应引起高度重视，减少人为故障[2]。

4.3 打印机故障

打印机不工作一般是由于配置的原因，应检查打印机的设置及其硬件是否正常进行处理；还有操作问题，再有就是打印机本身的问题，比如没有墨或者是设置不对等。

4.4 电源故障

电源故障问题较多，保险配置不合理，备用电源不能自投，电源波动引起保护误动及接插头接触不良易造成无电源。处理电源故障比较容易。首先，认真核对保险的配置及容量，真正起到保险的作用；其次，UPS的配备很重要，可以在电源波动时也能保证系统正常供电，而且要考虑冗余和备用问题。

4.5 干扰造成的故障

对于干扰，主要是接地问题、备用电源的切换和大功率的无线通信设备如手机、对讲机等。DCS系统的干扰信号还有可能是由本身造成的。对于DCS系统的接地问题，越来越引起人们的重视，大功率电器设备的启动和停止都会干扰DCS的控制信号，造成不必要的故障。为了防止干扰信号串入系统，要严格执行屏蔽和接地的要求和方式，信号线远离干扰源，同时采取防电源波动措施。在主/从过程控制器运行时，除非万不得已，尽量不要人为切换，已防产生干扰，如必须切换，应先将控制切手动，以免对机组运行工况产生影响。对机柜间、工程师站等重点部位，应绝对禁止使用大功率无线电通信设备。

5 日常维护

要保证DCS操作系统正常工作，必须保证有规律的维护，才能满足生产的需求。

5.1 DCS操作系统的日常检查内容

（1）在操作站上查看控制站的运行情况，定期清扫风扇和过滤网。系统设备运行环境非常重要，如果灰尘过多，将在机柜内卡板上堆积，从而造成卡件运行温度过高而影响设备的使用寿命，甚至使卡件损坏。

（2）做好防鼠工作，以免老鼠咬断控制电缆，同时，要避免鼠尿造成卡件线路的短路[3]。

（3）每天检查并保持系统温度湿度变化情况应符合系统工作要求。

（4）检查系统输入、输出卡件指示灯显示的运行状态。

（5）检查供电电压后备电源和直流电源运行情况。

（6）检查通信网络的运行状态。

（7）检查冗余状态是否正常。检查报警连锁是否存在异常等。

5.2 DCS操作系统维护过程中应注意事项

（1）在日常维护过程中，要避免乱拉电缆或碰伤电缆和网线，尤其是电缆的连接处，避免引起虚接和接触不良。

（2）利用设备大修的机会，进行有计划的系统全面维护，在全面系统维护时，要停电进行。DCS操作系统断电的步骤为：每个操作站依次退出监控界面和操作系统，关闭主机和显示器电源；逐个关闭控制站分电源，然后关闭总电源开关；系统停电后，检查系统供电线路，接线端子，安全栅等，确保线路正常接线可靠，总之，要对系统进行全面检查维护。系统全面维护后，要按照要求进行送电：控制站送电，先合总电源再合分电源，然后给操作站送电。对控制站先检查220 V交流、然后检查UPS输出电压，检查电源箱，检查卡件配电。

6 结束语

DCS应从设计、施工、调试、运行进行全过程全方位管理，作为系统维护人员应根据系统配置和生产设备控制情况，制定科学、合理、可行的维护策略和方式方法，做到预防性维护、日常维护紧密配合，定期维护，对运行中出现的各种故障，应具体问题具体分析。减少DCS故障的关键是要做到预防第一，保证系统在要求的环境下长期良好运行，及时备份软件及数据、减少人为误动、提高设备健康水平。

［1］周荣富，陶文英.集散控制系统.北京：北京大学出版社.2010.

［2］朱明飘，席亚宾.DCS系统常见故障分析及处理措施探讨.自动化与仪器仪表，2008（5）：6－7.

［3］电力行业热工自动化标准化技术委员会.中华人民共和国电力行业标准.DL／T774－2001.火力发电厂分散控制系统运行检修导则.北京：中国电力出版社，2002.