| 摘要：近年来，集散控制系统（DCS） 在电厂、煤矿厂、化工厂等国家 重要企业中得到了较为广泛的应 用。期间，DCS 也表现出了不少问 题，本文与实际应用相结合，梳 理了DCS 的常见问题，即：干扰 问题、布线和接线问题、电源问 题以及接地问题等等；针对这些 问题给出了对应的解决办法，以 期给相关人员参考。 【关键词】集散控制系统 常见问题 解决方法 随着微机网络技术的不断发展，DCS 技 术也得到了较快的发展。在当前的工业过程 控制中，DCS 有着不可取代的位置，它能够 极大的提高生产的自动化水平，给企业带来巨 大的经济效益。另一方面，DCS 控制系统的 可靠性对于企业生产的安全和经济来说意义重 大。针对实际中DCS 所表现出的问题进行研 究并有针对性的给出解决措施具有十分重要的 现实意义，本文即对此展开论述。 1 集散控制系统简介 集散控制系统又被称之为分布式计算机 控制系统，它有机融合各种技术，如：计算机 技术、图形处理技术、通信技术等等；能够监 测、操作和管理生产过程，是一种新型的控制 系统。早在上世纪70 年代，DCS 技术就得以 出现，其技术核心为微处理机，同时结合了控 制技术以及通信技术。对DCS 的特点进行分 析，主要体现在：它实现了对分散控制对象的 集中监视、操作以及控制；能够从全局出发进 行系统的掌握，其功能表现得较为分散，实现 了数据共享。其主要优点在于：具有较强的控 制能力，易于维护和扩展，具有较强的适应性。 在DCS 中，设备被分为四个层次，分别是： 管理层、操作监控层、过程控制层以及现场层。 在生产过程中，这些设备可以将各种物理量信 号转变为电信号以及数字信号，将其发送到过 程控制站，并将相应的控制量转变为机械位移， 从而带动执行机构，最终实现对生产过程的控 制。 2 DCS系统干扰问题及解决方法 对DCS 系统中的干扰问题进行分析，首 先是干扰的来源，主要有以下两种：1. 系统外 引线的干扰。这种干扰主要是通过电源以及信 号线引入的，也被称之为传导干扰。在我国的 工业现场中，这种干扰十分严重。首先是空间 的辐射干扰，它是通过电力网络、雷电、无线 电、雷达、高频感应等引发的，其具有极为复 杂的分布。如果DCS 系统处在这样的磁场中， 就会受到这些辐射的干扰；这些辐射通过电磁 感应的方式对系统造成干扰。其次是对信号通 道的干扰。首先是共模干扰，如果系统中包含 有放大电路，这一干扰会得到放大，信号电 流通过内阻和地线阻抗产生干扰电压。信号传 输线连接到DCS 系统上，相应的干扰信号也 被传输到DCS 系统中，从而降低了测量的精 度，造成元器件的损坏。如果系统没有设置较 好的隔离功能，信号之间还会相互干扰，造成 总线回流。由于干扰信号的引入而造成DCS 系统的破坏现象屡有发生。在电路中，寄生电 容的存在使得信号的变化还会影响其他电路， 从而形成耦合干扰。再次是电源的干扰，通常 情况下，由工业用电给DCS 系统供电。在工 业系统中，常常会出现电源的过压、欠压以及 浪涌等现象。这些噪声会通过一定的方式耦合 到DCS 系统中，给系统的安全运行造成威胁。 最后是接地系统的混乱造成的干扰。它会导 致接地点电位的不平衡，从而产生电位差，引 发环流，对系统的正常工作造成影响。2.DCS 系统内部的干扰。这种干 扰主要是指在DCS 系统 内部，各元器件之间，或 者是各电路之间，由于存 在电磁辐射而造成相互之 间的干扰。例如：逻辑电 路之间的敷设干扰，逻辑 电路对模拟电路的干扰等 等。 针对以上干扰问题的 分析， 在DCS 系统中可 以采用以下几种抗干扰措 施： （1）采用优质量的 电源。在电源中，变压器 是重要的组成元件，为了 将电网引发的干扰隔离开 来，通常会采用隔离型变 压器，其容量要比实际容 量大。在实际应用中，要 求变压器的屏蔽层接地良 好，采用双绞线作为次级 线圈的连接线。当条件允 许时，还可以将滤波器加 入到系统中，图1 给出了 此时的连接电路。 （2）外部配线的抗 图2：屏蔽电缆的处理方法 图3：DCS 系统接地设计 图4：双电源单切 干扰。在外部配线之间，存在着互感以及分布 电容，在信号的传送过程中会发生一定的窜扰。 为了防止外部配线之间的干扰，在进行电缆设 计时，应该分别设计交流输入和输出的电缆、 直流输入和输出的电缆。另外，对于集成电路 以及晶体管设备来说，其输入和输出的信号线 应该采用屏蔽电缆；在其两侧应该悬空，并且 将控制器侧有效接地。图2 给出了具体的电路 设计。 （3）合理选择接地点。通常情况下，接 地一是为了安全，二是为了进行干扰的抑制。 对于DCS 控制系统而言，进行接地系统的合 理设计是抑制电磁干扰的有效手段。当前系统 的接地方式主要有三种，分别是：浮地、直接 接地、电容接地[3]。由于DCS 系统属于高速 低电平控制，因此采用直接接地方式。为了避 免偶然出现的过电压对系统造成危害，接地是 必须的；在接线上，一般是将接地线和接卸的 接地端连接在一起，同时系统的基本单元也应 该接地。 3 DCS系统的布线问题及解决方法 在DCS 系统中，合理布线能够大大降低 外部环境的信号干扰，同时也可以抑制电缆之 间的相互干扰，从而提高DCS 信号的准确性 和稳定性。 对信号电缆布线的总体原则进行分析，主 要有以下几点：首先，对于信号电缆来说，应 该采用屏蔽电缆，最好是屏蔽双绞电缆；其次， 对于控制电缆而言，如果是24V-48V 的直流 感性负载以及50mA 以上的阻性负载开关量输 出信号电缆，既可以将它们与电源线一起进行 走线，也可以将它们与信号线一起走线；就后 者而言，应该采用屏蔽电缆，同时与信号电缆 保持15cm 以上的距离，防止对信号电缆所传 输的信号造成干扰。如果是110V 或是220V 的交流开关信号电缆，则不能与信号和通讯电 缆并在一起走线。最后，就动力电缆而言，不 能将其与信号线一起走线，可以将其与110V 或是220V 的交流开关信号电缆一起走线，同 时保证距离在15cm 以上。 在现场施工过程中，需要按照一定的规 定进行电缆的敷设。当条件允许时，应该分层 进行信号电缆、控制电缆以及电源电缆的走 线；当电缆进入到DCS 机房时，电缆与电缆 之间的距离也应该尽可能的远。当其距离无法 满足要求时，应该采用屏蔽电缆并且满足以下 要求：如果信号电源与动力电缆之间的距离在 15 cm 以内时，应该在其间设置相应的金属隔 板。如果环境的干扰很大，如：控制电缆的挂 接电压为220V，电流在10A 以上，同时不带 屏蔽层，则在垂直方向上，要将其与信号电缆 保持60cm 以上的距离。 4 DCS系统的电缆接线问题及解决方法 就电缆的接线而言，主要包括两个部分， 一个是机柜的接线，另一个是就地设备、接线 箱、盒接线；后者的要求较为简单。只需要将 电缆信号校对，依据接线图纸进行接线即可。在此主要对机柜接线中存在的问 题进行分析。 首先是电缆的绑扎。通常 情况下，一个DCS 机柜上有上 百根电缆，首先要将这些电缆与 DCS 电缆的清册一一对照，查 看是否存在少敷设和多敷设的现 象。随后，将电缆扎成一排，当 一排扎不下时，可以分层进行， 注意绑扎的整齐。要防止出现多 根电缆的成捆绑扎。其次是剥电 缆，进入到DCS 系统中的电缆 通常都是屏蔽电缆，需要将其外 面的绝缘层剥掉，此时应该采用 专用的工具，注意不能将屏蔽层也剥掉了，芯 线也不能出现划伤现象。再次是线芯的绑扎， 机柜中的芯线，在绑扎成束之前需要进行拉直 处理，将成束的芯线绑扎成排，要求横平竖直， 不能出现有走斜线的现象。接下来是接线。在 接线之前，要将端子排的接线图贴在机柜中， 并且将电缆的规格型号、起点和终点、备用芯 线、接线的位置等都标清楚。接线过程中，工 作人员要严格按照接线图进行接线，不能乱接， 要保证接线弧度的统一。但进行单股线芯的弯 曲时，其方向应该与螺栓固定的方向保持一致； 当多股软线的线芯和端子连接时，应该加上连 接片，要保证导线和端子的良好接触；端子一 侧的接线要注意为一把，不能将裸芯露出在端 子之外，保证芯线布置的整齐和美观。在接线 之前，工作人员应该对线芯的正确性进行核实， 如果电缆的另一头已经接上，则应该进行校线； 在校线之前，要检查接地是否良好。当完成接 线之后，不得随意变动图纸，如果发现问题或 者是错误，应该向上级提出书面建议。最后是 备用芯线的处理。由于备用芯线常常被人们忽 视，经常出现备用线芯绑扎到线束内而无法找 到的现象。对此，应该将备用线芯按照最远端 子实施预留，同时打印电缆编号以及备用字样， 为以后的工作提供方便。 5 DCS系统的电源问题及解决方法 在DCS 系统各种，一些重要的场合都会 用到UPS 电源、保安电源、双切电源等，以 保证电源的安全可靠。在实际运行中发现，由 于DCS 系统十分敏感，对电源有着较高的要 求，实际中也常常出现一些问题。 首先是双路单切电源的风险。在供电配 置上，采用双路自动切换电路；其中，一路为 UPS 电源，另一路为保安电源。正常情况下， K1 和K2 是闭合的，保安电源为系统提供电 能，图4 给出了其示意图。该设计的主要问题 在于：由一个保安电源为所有的负载提供电能， 只有当保安电源发生故障时，采用切换到UPS 上，因此，它将风险集中了。其次是双路双切 电源的风险。在供电配置上，通过双路自动切 换电路进行供电；其中，一路为UPS 电源，另一路为保安电源。正常运行时，两套电源同 时供电，图5 给出了其示意图。这种设计存在 的问题主要是：当前的切换接触器无法满足瞬 时切换的要求。一旦供电系统中出现电压跌落 的现象，电能质量将无法得到保证。这也意味 着，当系统出现冲击时，电压跌落会严重影响 到DCS 系统的稳定。保安电源所提供的电源 无法满足设备的正常工作。 针对以上所提出的两个问题。可以从以 下三个方面着手考虑：1. 当采用了保安电源供 电方式时，由于当前市面上的接触器无法满足 瞬时切换的要求，所以在设计过程中，可以加 强对保安电源的监视和预防。如：采用欠压保 护切换、异常报警等。2. 在用电负载的分配上， 实施合理的布局。当前，在DCS 系统中，都 设置有相应的冗余电源装置，有的服务器中也 设置有相应的双路电源。如果没有双路电源控 制，则应该坚持设备危险分散和集中控制的原 则。3. 采用在线式UPS 电源。当前，市面上 的UPS 电源种类繁多，性能也参差不齐。对 于DCS 系统而言，所选用的UPS 电源，应该 是在线式的。当UPS 电源出现故障时，它能 够利用自身的蓄电池保证系统在相应的时间内 能够稳定运行。另外，UPS 装置的输出电能质 量要满足要求。在使用过程中发现，采用某类 UPS 给磁饱和稳压电源供电时，测量仪器的输 出中存在±0.3 的摆动；如果选型合适，采用 双路UPS 电源供电则更为合理。引发DCS 电 源系统故障的原因是多种多样的，这也已经引 起了相应的设计单位的重视。 6 结束语 对于DCS 控制系统而言，其应用过程十 分复杂，难免会出现一些问题。本文与实际相 结合，对其工程实际中出现过的一些问题进行 了分析和研究，主要包括：干扰、布线、接线、 电源等，以期给相关工程人员参考。在解决措 施上除文中所给出的解决方法之外，还应该充 分利用软件编程，实现冗余设计，以屏蔽干扰 信号，防止元器件的误动作。在具体设计上， 应该综合考虑各个方面的因素，合理抑制各项 干扰，共同保证DCS 控制系统的安全稳定运 行。 参考文献 [1] 王树青. 工业过程控制工程[M]. 北京： 化学工业出版社,2003(02):78-90． [2]JX-300XP 系统使用手册[Z]. 浙江中控技 术有限公司,2005(07):35-63． [3] 何衍庆等. 集散控制系统原理及应用( 第 二版)[M]. 化学工业出版社,2003. [4]S.Tanenbaum. 分布控制系统- 原理与范例 [M]. 北京: 清华大学出版社,2002. [5] 王常力. 分布式控制系统DCS 设计与应用 实例[M]. 北京: 电子工业出版社,2004. 作者单位 盛云科技有限公司 云南省昆明市 650051 |
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