The Reliable Measures of Field Control Station in DCS System

Hou Huishu； Liu Wenxing
（①内蒙古化工职业学院，呼和浩特 010051；②中海石油天野化工有限责任公司，呼和浩特 010070）
（①Inner Mongolia Chemical Engineering Professional College，Hohhot 010051，China；
②TianYe Chemical Co.，Ltd.，CNOOC，Hohhot 010070，China）

摘要： 现场控制站是集散控制系统（DCS）组成中的核心部分。现场控制站的安全可靠运行直接关系到整个DCS系统的可靠性、关系到工业生产的连续性、关系到生产装置的安全和工艺人员的人身安全。针对如何提高现场控制站的可靠性问题，从硬件选取、软件设计、施工安装、日常维护等角度提出了具体的措施与方法。
Abstract: Field control station is the key component of distribute control system. Safe and reliable running of field control station is directly related to the reliability of the DCS system, related to the continuity of industrial production, related to the safety of equipments and operators. For how to improve the reliability of the field control station, the article puts forward specific measures and methods from aspects of hardware selection, software design, construction and installation, routine maintenance, etc.
关键词： 集散控制系统 现场控制站 可靠性措施
Key words: Distribute Control System；field control station；reliable measures
中图分类号：TU71文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）32-0065-02
0引言
DCS系统（Distributed Control System）即集散控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展演变而来，克服了集中式控制系统危险集中的缺点，是一个以通信网络为纽带的多级计算机系统。因其具有控制分散、危险分散、操作集中、分级管理、配置灵活以及组态方便的优点，自二十世纪70年代问世以来短短的三十多年时间已成为自动控制领域的主流。
DCS系统一般由以下几部分构成：现场监测站、现场控制站、操作员站、工程师站、上位机和通讯网络。其中现场控制站是一个可独立运行对现场信号进行监测和控制的环节，由于其直接与生产过程相连接，因此对它的可靠性提出了较高的要求。现场控制站主要采取以下措施保证DCS系统较高的可靠性[1]。
1元器件的层层筛选
虽然不同厂家的DCS系统对现场控制站的命名各有不同，但其结构一般都是由标准化的模块插接在机柜内组装而成。要保证现场控制站的可靠运行，必须要对构成这些模块的元器件经过层层筛选。首先选用高可靠性的CMOS电路与专用集成电路ASIC，并对这些元器件进行一般静态与动态技术指标测试和高温老化与高低温冲击试验，以剔除早期失效元器件；对于接插件和各种开关，除采用双接点结构外，还要对其表面进行镍打底镀金除处理，以保证接点和接触面通断的可靠；采用多层印刷板高密度表面安装技术，减少外部引线数目和长度，缩小印刷板面积，增强抗干扰性。以上措施的采取能够保证各种模块的无故障工作时间达到数十万小时。
2设计施工的安全措施
2.1 环境设计因为现场控制站安装在室内，因此充分要考虑现场控制站机柜室的布局、地面样式或地板选择、墙壁类型、照明方式、地磁电磁干扰、隔断选择、隔音效果、空气洁净度、恒温、恒湿及通风设计等，应着重强调的是通风及恒温设计。保证通风能力的原因是在满足机房空气洁净度要求的基础上进行新鲜空气的补充，避免操作室内空气浑浊，影响操作维护人员安全。在确保控制站机柜内硬件环境温度在23±2℃的基础上，尽量避免选择集中式空调或恒温恒湿空调，以节约资金并减少空调维护难度。比较典型的设计是分体式空调加过滤换风机的配置方案。必须注意两个问题：一是空调出入风道的设计位置在考虑调节效果的基础上应避面正对机柜，防止夏天冷凝水滴落到顶部开孔的机柜内部而带来设问题；二是由于机柜室有诸多热源，应考虑机柜室与操作室之间的热平衡问题。

2.2 安装施工在施工中要注意确保控制站机柜与地的可靠绝缘和机柜母线的可靠接地；机柜等设备须配有防振动措施[2]；在铺设电缆时，尤其要注意将强电和弱电分开，屏蔽线必须可靠接地，并具有抗干扰的能力，接地电阻应不大于4欧姆；接线过程中，电缆以及芯线标记要清晰、完整，并能长期保持，压接端子必须用绝缘管预装端头进行处理。
2.3 确保电源系统的工作稳定DCS系统属于一级用电负荷，供电的突然中断会导致整个系统的瘫痪，甚至造成设备损坏，或引发火灾、爆炸等重大生产事故。因此稳定高效的电源系统是现场控制站以及DCS系统安全运行的基本保证。
2.3.1 可靠稳定的交流供电对控制站的交流电源采用异地两相交流电源供电，且互为冗余，两路电源由不同的电网提供，如果工作电源发生故障时备用电源能无扰动投入工作；如果控制站附近有大功率用电设备时，采用超级隔离变压器，以隔离电磁干扰；若电网电压波动严重，就考虑采用交流电子调压器，达到快速稳定输入电压的目的。
2.3.2 配备不间断供电电源UPSUPS（Uninterruptible Power Supply）的作用是当现场控制站的电源因故障等原因意外停电时，系统供电由UPS接管，立即转人后备电池供电。保证现场控制站乃至整个DCS系统仍然能够正常工作，而工艺操作人员可利用电池供电的时间将工艺系统调整到安全状态。UPS不仅能在系统供电中断时立即提供电源，而且在电源输入正常时，也可对品质不良的电源进行稳压、稳频、抑制浪涌、滤除噪声、防雷击、净化电源、避免高频干扰等以提供稳定纯净的电源。
2.3.3 经济灵活的直流稳压电源配置现场控制站内各功能模块供电采用直流供电，用户可从经济、安全、灵活等角度出发，在以下常用的直流供电方式中选择适合自己的供电方案。①柜内集成供电，相各模块提供所需的直流电源。集成电源如采用冗余的集中式双电源方式，则每一种电压应有输出微调装置，以调节并联的两电源使之处于负载均衡状态，各电源输出端应串接隔离二极管，以保护掉电侧稳压源的安全。②由统一的主电源单元将交流电整流成直流电（一般为24V）供给柜内母线。各层机架内设有子电源单元，采用DC-DC变换方式，将母线上送来的单一电压值的直流电压变换为本层机架所需的电压值，一方面为现场二线制变送器提供24V直流电压，另一方面为机架中的各模块供电。子电源单元采用1：1或N：1冗余方式。这种供电方式在现场控制站中使用较多；③采用体积小、轻便高效的开关电源，直接将交流电转变为模块所需的各种电压等级的直流电。
2.3.4 冗余技术的采用通过采取以上措施，系统的故障率已经降到了很低的程度，但为了进一步增加系统运行的可靠性，DCS的厂家无一例外都采用了冗余技术。现场控制站采用的冗余措施主要有以下几个方面。①电源。在现场控制站中，交流电源与直流稳压电源一般采用1:1冗余，以在线并联的方式工作，保证故障发生时切换干扰最小。在采用多个电源子模块的系统中，可采用N:1冗余的方式，即N个电源子模块配备一个备用电源。②CPU卡。一般采用1:1冗余（双机热备），以离线热备工作方式。双机热备主要是实时数据、报警信息和变量历史记录的热备。主从机都正常工作时，主机从设备采集数据，并产生报警和事件信息。从机通过网络从主机获取实时数据和报警信息，而不会从设备读取或自己产生报警信息。主从机都各自记录变量历史数据。同时，从机通过网络监听主机，从机与主机之间的监听采取请求与应答的方式，从机以一定的时间间隔（冗余机心跳检测时间）向主机发出请求，主机应答表示工作正常，主机如果没有作出应答，从机将切断与主机的网络数据传输，转入活动状态，改从下位设备获取数据，并产生报警和事件信息。此后，从机还会定时监听主机状态，一旦主机恢复，就切换到热备状态。通过这种方式确保了现场控制站工作的可靠性。③通信网络。DCS中的所有信息都要通过通信网络进行传递，必需确保通信网络的可靠工作。现场控制站不仅要与现场的仪表和设备通信，各控制站之间、控制站和操作站之间也要进行通信，为提高通信网络工作的可靠性，通常对网卡和网络冗余配置，工业现场大多采用了双网卡双网络的冗余结构。④I/O通道的冗余。1）控制用I/O卡一般采用1：1冗余，并以在线并联方式工作；2）对一些非常重要的开关量输入输出点，为预防因现场开关或I/O通道故障产生误动作，造成不必

要的工艺扰动或停车，常常在现场的开关量取样点附近安装三个同样的开关，将这三个相同的开关量分别通过三条输入通道输入，由CPU比较这三个信号，取两个以上相同的值为真值，作出相应的控制决策。
2.3.5 完善高效的故障诊断技术为了保证系统在出现故障时冗余部分能及时投入工作，必须有精确的在线故障诊断技术，实现故障发现、故障定位、故障隔离和故障报警。故障诊断包括CPU自检、开关量和模拟量正确性检查、电路断路自检、网络节点状态检测、数据通讯链路、数据总线及I/O状态等。精确及时地发现故障后，还需要及时确定故障的部位、分析故障的严重性，通过前文提到的冗余控制电路，对工作、备用故障状态进行分析、比较和仲裁，以判定是否需要进行工作/备用之间的状态切换。控制权切换到冗余备用部件还必须保证快速、安全、无扰动。当处于工作状态的部件出现故障（断电、复位、软件故障、硬件故障等）或者工作部件的故障较备用部件严重时，备用部件必须快速地无扰动地接替工作部件的所有控制任务，对现场控制不造成任何影响。同时要求切换时间应为毫秒级，甚至是微秒级，这样就不会因为该部件的故障而造成外部控制对象的失控或检测信息失效等等。另外，还需要尽快通过网络通讯或就地LED显示进行报警，通知用户出现故障的部件和故障情况，以便进行及时维护。
现场控制站内的各模块均配有运行灯、电源灯、故障灯、通信状态灯等指示灯，DCS维护人员打开机柜即可看到各模块是否运行正常，各模块支持带电插拔，维护人员可以在不影响系统正常运行情况下将故障模块取下，插入备用模块。
2.3.6 日常维护制度的建立健全对现场控制站的日常维护工作也不可忽视，维护人员至少要做到每班两次巡检。巡检的内容主要有：检查和保持控制柜内外的清洁，是否有鼠迹；检查控制柜内的温度是否正常，是否有凝露现象，是否有腐蚀现象；检查供电电源是否正常，检查系统电源箱输出是否正常，检查各风扇是否正常运转，如有故障及时更换；检查各模块的指示灯是否正常，如有故障灯亮或闪烁以及其它指示灯出现非正常状态，则立即对该部件或相关部件进行检查，及时更换及送修故障部件；检查各线缆连接是否正确，是否有松动或错误连接；检查接地是否良好；查看操作站上的故障诊断情况和历史记录，发现非正常情况则进一步检查和处理[3]。
3结语
DCS系统的开放性，标准化、模块化、系列化和易于扩展等特点，使得DCS系统已经成为自动控制领域的三大支柱之一。设计、施工、安装、维护、硬件和软件方面的种种措施保证了现场控制站及整个DCS系统的可靠性，从而保证了生产装置的安、稳、长、满、优运行，为生产企业的经济效益作出更大的贡献。
参考文献：
[1]马应魁.计算机控制技术[M].北京：化学工业出版社，2009.
[2]庞启强.浅析如何提高DCS系统的可靠性[J].川化，2007，1：31-33.
[3]中控DCS工程应用手册-操作手册.浙江中控技术有限公司，2005.
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作者简介：侯慧姝（1973-），女，内蒙古武川人，内蒙古化工职业学院测控与机电工程系自动化教研室主任，高级工程师，工学硕士，从事自动化工程研究和教学工作。