孫樹旺 ，魏新利 ，張偉廣

(1.鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南鄭州450001;2.中國石油天然氣股份有限公司管道鄭州輸油氣分公司，河南鄭州 450000)

作為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)主要手段之一的DCS技術(shù)，自從20世紀(jì)80年代在國內(nèi)企業(yè)推廣應(yīng)用以來，使用已經(jīng)十分普遍，不但大、中型工程項(xiàng)目采用，小型項(xiàng)目也開始采用;不但在石化、化工、火電站、冶金、食品、造紙行業(yè)等普遍采用，其他如水泥、熱網(wǎng)管道、輸氣管線、凈水和污水處理等領(lǐng)域也已開始采用。今后DCS應(yīng)用領(lǐng)域仍會(huì)繼續(xù)拓展。

DCS技術(shù)應(yīng)用使過程控制發(fā)生了質(zhì)的變化，不僅大大提高了生產(chǎn)自動(dòng)化水平，為企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)保證了工藝裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。但在實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)DCS系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行、維護(hù)過程中以及其儀器、儀表、軟件、硬件方面還存在許多設(shè)計(jì)缺陷和安全問題。本文對(duì)一些具有代表性的大、中、小型企業(yè)DCS系統(tǒng)的調(diào)查研究，對(duì)DCS系統(tǒng)存在的主要安全問題進(jìn)行分析總結(jié)，以供相關(guān)技術(shù)人員參考。

1 供電故障

DCS對(duì)電源要求特別嚴(yán)格，電源是DCS能否正常工作的重要環(huán)節(jié)，DCS制造廠家對(duì)硬件的配電部分都十分重視，一般都配備冗余電源，但DCS電源的可靠性除與本身電源的可靠性有關(guān)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(zhì)量有密切關(guān)系。

1.1 DCS工業(yè)應(yīng)用中的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(huì)引起DCS斷電，不符合DCS供電要求。單電源雙路供電方式:采用雙路供電，但電源來自一個(gè)變電站(配電室)，一旦供電電源發(fā)生故障，就會(huì)引起DCS斷電，也不符合DCS供電要求。

②雙電源雙路供電方式:供電可靠性相對(duì)前兩種方式較高，但也存在兩路供電電源同時(shí)發(fā)生故障的可能性。

③一路廠用電、一路UPS的雙路單切供電方式:采用雙路自動(dòng)切換電路，一路UPS、一路廠用電，在正常時(shí)工作電源由UPS供給。此種供電方式把所有的負(fù)載加在一個(gè)UPS上，當(dāng)UPS電源發(fā)生故障時(shí)，切換至廠用電，存在風(fēng)險(xiǎn)集中問題。

④一路廠用電、一路UPS的雙路雙切供電方式:采用雙路自動(dòng)切換電路，一路UPS、一路廠用電，在正常時(shí)工作電源由兩套電源同時(shí)供電。此種供電方式存在的問題是切換接觸器本身滿足不了需要時(shí)，當(dāng)供電電壓跌落現(xiàn)象發(fā)生后沒有積極補(bǔ)救，就使得電能的質(zhì)量沒有保證，即在系統(tǒng)沖擊時(shí)，電壓降低使電源系統(tǒng)不能提供有效可靠的供電電源。應(yīng)選用快速通斷回差比較小的接觸器，或者采取對(duì)廠用電質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)視、預(yù)防的措施，如采用欠壓保護(hù)切換、報(bào)警，采用第三路電源等方法。

一路廠用電、一路UPS的雙路雙切供電方式再增加一路廠用電供電方式(三路單切供電):此種供電方式很好的解決了雙路雙切供電方式的缺點(diǎn)。

⑤雙路 UPS電源供電方式:可靠性較高，但UPS電源種類繁多，價(jià)格差異較大，性能優(yōu)劣不同。應(yīng)根據(jù)DCS系統(tǒng)的要求選擇合適功率的UPS，UPS備用電池的供電時(shí)間應(yīng)按系統(tǒng)滿負(fù)荷工作30 min來考慮。由于UPS的故障不可避免，UPS類型應(yīng)考慮能夠在線更換，避免更換或維修UPS影響DCS系統(tǒng)的運(yùn)行，UPS裝置的輸出電能質(zhì)量一定要符合要求。三路UPS電源供電方式:采用三路的UPS電源，投資較大，線路比較復(fù)雜，幾乎沒有企業(yè)采用。

1.2 其它保證DCS供電可靠性的措施

①對(duì)用電負(fù)載分配進(jìn)行合理布局:DCS系統(tǒng)大都有冗余電源裝置，卡件、主控、部分服務(wù)器有雙路電源，但還有部分設(shè)備沒有雙路電源。對(duì)沒有雙路電源控制的設(shè)備應(yīng)對(duì)主輔設(shè)備、操作員站進(jìn)行合理布置，使其符合危險(xiǎn)分散、集中控制的原則。

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

③定期進(jìn)行DCS系統(tǒng)電源的切換試驗(yàn)，以防止切換繼電器故障。

DCS電源系統(tǒng)故障引起的損失原因是多方面的，應(yīng)引起設(shè)計(jì)部門和用戶的關(guān)注與重視。應(yīng)嚴(yán)格按照國家電力公司的反事故措施從前期的設(shè)計(jì)、施工以及后期的維護(hù)、完善進(jìn)行落實(shí)，確保DCS供電的安全可靠。

2 防雷防靜電接地措施不完善

DCS對(duì)接地的要求非常嚴(yán)格，接地比較容易出現(xiàn)的問題有:連接頭未壓焊或焊接不牢造成虛焊、螺栓連接點(diǎn)因震動(dòng)而引起松動(dòng)、連接點(diǎn)因腐蝕引起接觸不良、接地極電阻增大、接地極同電網(wǎng)斷開、地線布線不合理等。

DCS系統(tǒng)是對(duì)雷電、靜電十分敏感的弱電子設(shè)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(shè)備內(nèi)置大量的CMOS半導(dǎo)體集成模塊，導(dǎo)致過壓、過流保護(hù)能力極其脆弱，使各類電子設(shè)備的耐過電壓能力下降，易遭雷電和過電壓破壞，對(duì)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)的的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅。DCS系統(tǒng)防雷防靜電防護(hù)措施是必不可少的。企業(yè)中存在防雷、防靜電措施不完善的情況，如室內(nèi)設(shè)備沒有進(jìn)行等電位連接、沒有鋪設(shè)防靜電地板、DCS機(jī)柜接地線松動(dòng)等現(xiàn)象。

控制室應(yīng)按二類防雷建筑物設(shè)計(jì)，外接地網(wǎng)應(yīng)采用聯(lián)合接地，室內(nèi)應(yīng)設(shè)置環(huán)形工作接地網(wǎng)，室內(nèi)設(shè)備應(yīng)進(jìn)行等電位連接，設(shè)備的接地線應(yīng)以最短的方式直接連接到環(huán)狀工作地接地網(wǎng)上，防靜電地板的金屬支架和靜電地板下的線橋都應(yīng)直接連接到環(huán)狀工作地接地網(wǎng)上。

電源部分應(yīng)采用電源防雷器設(shè)置兩級(jí)防雷。

DCS系統(tǒng)控制線路應(yīng)采用屏蔽、安裝防雷器兩種防雷措施，即所有的控制線路應(yīng)采用屏蔽電纜，對(duì)于穿越不同防雷分區(qū)的控制線路應(yīng)在兩端安裝防雷器。DCS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要選擇重要的數(shù)據(jù)過程量進(jìn)行防雷。DCS機(jī)柜接地電纜應(yīng)采用冗余連接，防止接地線松動(dòng)或損壞。在對(duì)系統(tǒng)卡件進(jìn)行操作時(shí)需要佩戴防靜電手環(huán)，或者在操作前先摸一下機(jī)柜外殼釋放一下靜電。

3 過程通道的干擾與通信網(wǎng)絡(luò)故障

3.1 過程通道的干擾

在工業(yè)現(xiàn)場，在距離較遠(yuǎn)的電氣設(shè)備、儀表、PLC控制系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)之間進(jìn)行信號(hào)傳輸時(shí)，往往存在干擾，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至誤操作。除系統(tǒng)內(nèi)、外部干擾影響外，還有一個(gè)十分重要的原因就是各種儀器設(shè)備的接地處理問題。一般情況下，設(shè)備外殼需要接地，電路系統(tǒng)也要有公共參考地。但是，由于各儀表設(shè)備的參考點(diǎn)之間存在電勢差，因而形成接地環(huán)路，由于地線環(huán)流會(huì)帶來共模及差模噪聲及干擾，常常造成系統(tǒng)不能正常工作。

解決方案是采用信號(hào)隔離器對(duì)設(shè)備進(jìn)行電氣隔離，使原本相互聯(lián)接的地線網(wǎng)絡(luò)變?yōu)橄嗷オ?dú)立的單元，相互之間的干擾將會(huì)大大減弱。一般情況下，傳輸距離超過10 m，就需要對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行隔離。信號(hào)隔離器優(yōu)先選用無源信號(hào)隔離器。

3.2 通信網(wǎng)絡(luò)故障

3.2.1 節(jié)點(diǎn)總線故障

節(jié)點(diǎn)總線的傳送介質(zhì)一般為同軸電纜，當(dāng)總線的干線任一處中斷時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致該總線上所有站及其子設(shè)備通信故障。同軸電纜一般采用雙路冗余配置的方式，同時(shí)應(yīng)防止總線接觸不良或開路，其連接方式最好在通信模件的后面，可以避免處理通信模件故障誤碰同軸電纜，除專門進(jìn)行檢查外，任何時(shí)候都不能去觸動(dòng)，防止因多次插拔同軸電纜的插頭造成松動(dòng)，最后應(yīng)定期進(jìn)行檢查與更換。

3.2.2 就地總線故障

就地總線或現(xiàn)場總線一般是由雙絞線組成的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，其連接的設(shè)備是與生產(chǎn)過程直接發(fā)生聯(lián)系的一次元件或控制設(shè)備，工作環(huán)境惡劣，故障率高，容易受到檢修人員的誤動(dòng)而影響生產(chǎn)過程;總線本身也會(huì)因種種原因造成通信故障。就在總線最好采用雙路冗余配置，總線分支應(yīng)安裝在不易碰觸的地方，就地總線與就地設(shè)備的聯(lián)接點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行妥善處理，避免拆裝設(shè)備時(shí)影響總線的正常運(yùn)行。

3.2.3 地址標(biāo)志的錯(cuò)誤

地址標(biāo)識(shí)錯(cuò)誤會(huì)造成通信網(wǎng)絡(luò)的紊亂。要防止各組件的地址標(biāo)識(shí)故障，防止人為的誤動(dòng)、誤改，系統(tǒng)擴(kuò)展應(yīng)在系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)進(jìn)行。

4 環(huán)境影響

環(huán)境對(duì)DCS的運(yùn)行狀況有很大的影響，影響DCS部件壽命的要素主要包括溫度、濕度、灰塵、腐蝕性氣體等方面。

①溫度:高溫會(huì)造成CPU死機(jī)、絕緣性能退化、元器件損壞、材料老化、低熔點(diǎn)焊縫開裂、焊點(diǎn)脫落等，溫度升高電阻阻值降低，高溫會(huì)降低電容器的使用壽命，會(huì)使變壓器、扼流圈絕緣材料的性能下降，溫度升高會(huì)使晶體管的電流放大倍數(shù)迅速增加，導(dǎo)致集電極電流增加，結(jié)溫更進(jìn)一步升高，最終導(dǎo)致組件失效。低溫會(huì)改變其組成材料的物理特性，因此可能會(huì)對(duì)其工作性能造成暫時(shí)或永久性的損害。高、低溫的迅速變化還容易造成結(jié)露和產(chǎn)品物理特性改變。最好保證DCS系統(tǒng)硬件環(huán)境溫度在23℃±2℃。

②濕度:濕度會(huì)影響設(shè)備的物理和化學(xué)性能，溫度和濕度的變化能在設(shè)備上引起凝露、電氣絕緣和隔熱特性變化引起電氣短路;表面潮氣與外來附著物相互作用，會(huì)加速化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生腐蝕層，加速金屬的氧化或電蝕。

③灰塵:導(dǎo)電性灰塵含有導(dǎo)電物質(zhì)，危害性較大。非導(dǎo)電性粉塵在干燥的環(huán)境下危害相對(duì)較小，當(dāng)空氣濕度較大時(shí)容易造成腐蝕、短路、接觸不良等現(xiàn)象。同時(shí)灰塵會(huì)妨礙設(shè)備散熱，從而導(dǎo)致部件溫度過高進(jìn)而損壞。應(yīng)使用合適的過濾網(wǎng)減少灰塵和腐蝕性氣體進(jìn)入機(jī)柜或設(shè)備。

④腐蝕性氣體:酸性、堿性氣體和水汽會(huì)在電子元件局部位置上形成“導(dǎo)電溶液池”造成短路，并會(huì)生成結(jié)晶并形成電鍍層;滲入、接觸電子設(shè)備的金屬母材，造成各種化學(xué)反應(yīng)物的堆積，在電路上形成絕緣層，導(dǎo)致熱態(tài)故障或者短路，同時(shí)還會(huì)發(fā)生點(diǎn)蝕和金屬損傷。

⑤通風(fēng):通風(fēng)能力不足會(huì)使操作室內(nèi)空氣污濁，影響操作維護(hù)人員安全。應(yīng)保證整個(gè)系統(tǒng)所有設(shè)備的通風(fēng)能力，特別是交直流電源設(shè)備、控制設(shè)備和大功率二極管;機(jī)柜的前后門應(yīng)視內(nèi)部實(shí)際設(shè)備的散熱情況確定是否增加風(fēng)扇等制冷設(shè)備;應(yīng)避免使用頂部直接排風(fēng)方式(特別是DCS系統(tǒng)機(jī)柜)以免冷凝水進(jìn)入機(jī)柜，機(jī)柜內(nèi)部最好設(shè)置溫度監(jiān)測報(bào)警。

⑥電磁干擾:電磁干擾主要由變頻、無線設(shè)備或其它強(qiáng)電設(shè)備造成。應(yīng)注意進(jìn)行屏蔽，應(yīng)把環(huán)境磁場強(qiáng)度限制在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)規(guī)范所允許的最小磁場強(qiáng)度以下，如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)附近不應(yīng)使用較大的動(dòng)力電器設(shè)備，不應(yīng)在計(jì)算機(jī)室內(nèi)使用較大功率的對(duì)講機(jī)、手提電話等，其它因素:振動(dòng)、碰撞、靜電、噪聲等也會(huì)導(dǎo)致DCS故障或操作故障。要注意DCS的操作室和機(jī)柜室的布局、地面樣式或地板選擇、墻壁類型、照明方式、隔斷選擇、隔音效果等。

5 硬件、軟件故障

5.1 硬件故障

硬件故障主要為卡件故障、一次元件或控制設(shè)備故障、人機(jī)接口故障等。

①卡件故障:故障原因有卡件長時(shí)間工作元器件老化或損壞、外部信號(hào)接地或強(qiáng)電信號(hào)竄入卡件導(dǎo)致通道故障，卡件故障會(huì)直接造成過程控制或監(jiān)察功能不正常?？旧響?yīng)采取良好的隔離措施，出現(xiàn)故障應(yīng)及時(shí)查明故障原因，及時(shí)更換卡件。

②一次元件或控制設(shè)備故障:會(huì)直接影響控制或檢測功能，后果嚴(yán)重。控制處理機(jī)應(yīng)采用1∶1冗余配置，對(duì)一次元件應(yīng)定期檢查。

③人機(jī)接口故障:人機(jī)接口主要指用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)聯(lián)系功能的工程師站、操作員站、打印機(jī)、鍵盤、鼠標(biāo)等，人機(jī)接口故障常見的有控制操作失效、球操作失效、操作員站死機(jī)、薄膜鍵盤功能不正常、打印機(jī)不工作等。

控制操作失效是由于球標(biāo)的操作信號(hào)不能改變過程通道的狀態(tài)，一方面可能是過程通道硬件本身故障，另一方面可能是操作員站本身軟件缺陷，在設(shè)備負(fù)荷過重或打開的過程窗口過多時(shí)，導(dǎo)致不響應(yīng)。在檢查過程通道功能正常后，應(yīng)對(duì)操作員站進(jìn)行檢查，必要時(shí)進(jìn)行重啟，初始化操作員站。

球標(biāo)操作不正常一般是由于內(nèi)部機(jī)械裝置長期工作老化或被污染，使觸點(diǎn)不能可靠通斷，或因電纜插接不牢固造成與主機(jī)不通信，應(yīng)及時(shí)檢查、更換。

薄膜鍵盤組態(tài)錯(cuò)誤、鍵盤接觸不良、信號(hào)電纜松動(dòng)或主機(jī)啟動(dòng)時(shí)誤動(dòng)鍵盤造成啟動(dòng)不完整，均可導(dǎo)致其功能不正常。

打印機(jī)故障主要有配置原因、打印機(jī)本身的硬件故障等，應(yīng)檢查打印機(jī)的設(shè)置及其硬件是否正常。

5.2 軟件故障

軟件主要包括系統(tǒng)軟件、組態(tài)及開發(fā)的應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件開發(fā)已經(jīng)相當(dāng)成熟，對(duì)應(yīng)的組態(tài)軟件也具有完善的檢驗(yàn)功能，可能存在問題的是使用系統(tǒng)提供的開發(fā)語言或工具編制的順序程序、聯(lián)鎖程序或其他應(yīng)用程序，在測試時(shí)應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格檢查。

隨著系統(tǒng)開放性的增強(qiáng)，給系統(tǒng)帶來的負(fù)面影響也要注意，體現(xiàn)在操作系統(tǒng)平臺(tái)的安全性、計(jì)算機(jī)外設(shè)接口的防護(hù)等方面。另操作員權(quán)限設(shè)置要規(guī)范，使用U盤、光盤等數(shù)據(jù)設(shè)備要注意病毒防治。

6 系統(tǒng)配線與維護(hù)應(yīng)注意的問題

6.1 系統(tǒng)配線應(yīng)注意的問題

系統(tǒng)配線包括DCS供貨商提供的專用通訊、電源、信號(hào)電線電纜及接地線和由設(shè)計(jì)部門提供的供電(包括220 V交流供電線纜和24 V直流配電線)、信號(hào)和接地系統(tǒng)線纜:系統(tǒng)配套通訊、供電、信號(hào)及接地電線纜應(yīng)檢查其連接質(zhì)量。

220 V交流電線纜根據(jù)實(shí)際消耗功率確定供電線芯截面積，一般應(yīng)選擇不小于2.5 mm2的三芯硬銅線。供電距離較近(如在機(jī)柜內(nèi)部或相臨機(jī)柜)可使用兩條或三條單芯硬線，供電距離較遠(yuǎn)時(shí)應(yīng)使用鎧甲屏蔽電纜。交流電線纜應(yīng)走槽盒或穿管(屏蔽絕緣電纜根據(jù)實(shí)際情況可靈活鋪設(shè))，防護(hù)金屬盒或管應(yīng)可靠的接地。

24 V直流電線一般選用不小于1 mm2的普通電線或銅網(wǎng)屏蔽電纜，設(shè)備負(fù)荷電流較大時(shí)，截面積可適當(dāng)擴(kuò)大至2.5 mm2。

I/O輸入輸出普通信號(hào)線最好選擇屏蔽電纜，也可使用非屏蔽電纜，盡量避免使用電線。

地線:應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)要求配置。

6.2 系統(tǒng)維護(hù)應(yīng)注意的問題

DCS系統(tǒng)的維護(hù)對(duì)保持系統(tǒng)原有性能、消除系統(tǒng)故障隱患、保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行非常重要，系統(tǒng)的維護(hù)主要包括備品備件的儲(chǔ)備、日常維護(hù)檢查、故障發(fā)生后的及時(shí)處理等。

①備品備件的儲(chǔ)備:系統(tǒng)定貨時(shí)應(yīng)訂購合適的備品、備件，在DCS系統(tǒng)維護(hù)過程期間應(yīng)根據(jù)實(shí)際的備品備件消耗情況補(bǔ)充備品、備件的儲(chǔ)備。各類型的控制器CPU卡、I/O LINK卡、外設(shè)卡、I/O卡、電源設(shè)備、專用風(fēng)扇和后備電池，特別是控制卡、操作站CPU卡、專用顯示器等應(yīng)必須保證至少不少于一個(gè)備件。

②日常維護(hù):重點(diǎn)檢查空調(diào)設(shè)備、電源設(shè)備及風(fēng)扇(包括電源內(nèi)部風(fēng)扇)的運(yùn)行狀況，定時(shí)清掃過濾網(wǎng)設(shè)備。通過查看狀態(tài)指示是否正常、聽電源和風(fēng)扇運(yùn)行有無異常聲音、觸摸電源表面確認(rèn)溫度是否異常等，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備可能存在的故障隱患并及時(shí)采取措施，避免事故的發(fā)生。

③系統(tǒng)組態(tài)修改:系統(tǒng)運(yùn)行過程中應(yīng)盡量避免組態(tài)修改，必須進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)修改并下裝后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)備份，以避免在硬盤故障不能恢復(fù)時(shí)出現(xiàn)的控制器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫與工程師站備份數(shù)據(jù)庫不匹配問題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫拒絕修改的嚴(yán)重后果。

④故障的及時(shí)處理:維護(hù)人員發(fā)現(xiàn)或接到系統(tǒng)故障信息后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行處理。對(duì)于可能影響整個(gè)系統(tǒng)安全的故障處理應(yīng)有兩人以上協(xié)商處理，避免發(fā)生人為失誤。同時(shí)，防靜電手鐲等類似器械的使用是必須的，以防止損壞集成電路設(shè)備。

7 人為故障

因現(xiàn)場維護(hù)工程師的維護(hù)水平及其他因素，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)或故障處理時(shí)經(jīng)常會(huì)發(fā)生人為誤操作，導(dǎo)致?lián)p壞系統(tǒng)卡件、故障擴(kuò)大等。

8 小結(jié)

DCS的先進(jìn)性和實(shí)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(shè)計(jì)和制造、安裝、維護(hù)和維修等，具體應(yīng)注意電源供電、防雷防靜電接地措施、抗干擾措施、通信網(wǎng)絡(luò)、環(huán)境因素、硬件、軟件、系統(tǒng)配線、系統(tǒng)維護(hù)及人為因素等方面。