江蘇揚(yáng)農(nóng)化工集團(tuán)有限公司 朱祥云

1.引言

DCS集散控制系統(tǒng)是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、控制技術(shù)、CRT技術(shù)為一體的綜合性高科技產(chǎn)品。DCS通過操作站對(duì)整個(gè)工藝過程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、管理，通過控制站對(duì)工藝過程各部分進(jìn)行分散控制，既不同于常規(guī)儀表控制系統(tǒng)，又不同于集中式的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，而是集中兩者的優(yōu)點(diǎn)，克服了它們的不足。DCS以其高可靠性、靈活性、人機(jī)界面友好性和通訊的方便性等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，我們不難發(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)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。

2.系統(tǒng)接地

首先談?wù)凞CS系統(tǒng)的接地。

接地的作用總的來說只有兩種：一是保護(hù)人和設(shè)備不受損害；二是抑制干擾。前者叫保護(hù)接地，后者叫工作接地。

2.1 保護(hù)接地

保護(hù)接地又叫安全接地。保護(hù)接地是將DCS中平時(shí)不帶電的金屬部分(機(jī)柜外殼、操作臺(tái)外殼等)與地之間形成良好的導(dǎo)電連接，以保護(hù)設(shè)備和人身安全。原因是DCS的供電是強(qiáng)電供電(220V或110V)，通常情況下機(jī)殼等是不帶電的，但當(dāng)故障發(fā)生(如主機(jī)電源故障或其它故障)造成電源的供電火線與外殼等導(dǎo)電金屬部件短路時(shí)，這些金屬部件或外殼就形成了帶電體，如果沒有很好的接地，那么這帶電體和地之間就有很高的電位差，如果人不小心觸到這些帶電體，那么就會(huì)通過人身形成通路，產(chǎn)生危險(xiǎn)。因此，必須將金屬外殼和地之間作很好的連接，使機(jī)殼和地等電位。此外，保護(hù)接地還可以防止靜電的積聚。

2.2 工作接地

工作接地是為了使DCS以及與之相連的儀表均能可靠運(yùn)行并保證測(cè)量和控制精度而設(shè)的接地。它分為信號(hào)回路接地、屏蔽接地，在石化和其它防爆系統(tǒng)中還有本安接地。

(1)信號(hào)回路接地，是計(jì)算機(jī)內(nèi)部的邏輯電平負(fù)端公共地，也是+5V等電源的輸出地，還有各變送器的負(fù)端接地、開關(guān)量信號(hào)的負(fù)端接地等。

(2)屏蔽接地，是輸入輸出信號(hào)電纜屏蔽層的接地。

(3)本安接地，是本安儀表或安全柵的接地。

除上述幾種接地外，在很多場(chǎng)合下容易引起混亂的還有一個(gè)供電系統(tǒng)地，也叫交流電源工作地，它是電力系統(tǒng)中為了運(yùn)行需要設(shè)的接地(如中性點(diǎn)接地)。此外還有系統(tǒng)的防雷接地，將在下面進(jìn)行闡述。

2.3 接地原則

系統(tǒng)的接地原則總體概括只有四個(gè)字“一點(diǎn)接地”。DCS的系統(tǒng)地、工作地、保護(hù)地都必須遵循此原則。對(duì)于系統(tǒng)的接地電阻不可能為零，當(dāng)有電流通過接地極注入大地時(shí)，接地極處的大地電位勢(shì)必升高，如果系統(tǒng)有兩點(diǎn)或更多點(diǎn)接地，它們之間一定會(huì)產(chǎn)生電位差，從而形成環(huán)流。所以，我們必須保證系統(tǒng)進(jìn)行“一點(diǎn)接地”。當(dāng)系統(tǒng)中有多個(gè)控制站和數(shù)據(jù)站時(shí)，可以設(shè)立接地母線，把所有站中的各種接地線匯集到接地母線，同樣也必須對(duì)母線進(jìn)行“一點(diǎn)接地”。同樣，操作站也必須進(jìn)行“一點(diǎn)接地”。

集散控制系統(tǒng)通過輸入輸出(I/O)信號(hào)電纜實(shí)現(xiàn)控制室和現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)通信，正確的接地既能保護(hù)人和設(shè)備的安全、抑制外來干擾，又能減小設(shè)備對(duì)外界的干擾，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性。而錯(cuò)誤的接地反而會(huì)引入干擾，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致集散控制系統(tǒng)無法正常工作。所以說，正確的接地是保證DCS系統(tǒng)良好運(yùn)行的重要條件。

3.系統(tǒng)供電

電源是DCS能否正常工作的重要環(huán)節(jié)，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。

3.1 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。

(2)單電源雙路供電方式：采用雙路供電，但電源來自同一個(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。

(3)一路廠用電、一路UPS雙路供電方式：供電可靠性相對(duì)前兩種方式較高，目前大多數(shù)都是采用此種供電方式。

(4)雙路UPS供電方式：可靠性高，但是由于UPS價(jià)格較高，投資比較大。

3.2 保證DCS供電可靠性的措施

(1)對(duì)用電負(fù)載合理分配：DCS系統(tǒng)大都有冗余電源裝置，主控制器、I/O卡件、部分服務(wù)器都有雙路電源，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、集中管理的原則。

(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。

4.系統(tǒng)防雷、防靜電

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)系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅。所以說，DCS系統(tǒng)的防雷防靜電是必不可少的。

4.1 雷電侵入DCS系統(tǒng)的途徑

雷電對(duì)DCS系統(tǒng)的危害主要是通過直擊雷和雷電電磁脈沖干擾(也稱雷電波)兩種形式。主要是通過以下的幾種耦合途徑給DCS系統(tǒng)帶來危害的：

(1)直擊雷造成的地電位浮動(dòng)而導(dǎo)致的雷電反擊。DCS系統(tǒng)建筑物的防直擊雷裝置在接閃時(shí)，強(qiáng)大的瞬間雷電流通過引下線流入接地裝置，會(huì)使局部的地電位浮動(dòng)并產(chǎn)生跨步電壓，如果防雷的接地裝置是獨(dú)立的，它和DCS系統(tǒng)的接地體沒有足夠的絕緣距離的話，則它們之間會(huì)產(chǎn)生放電，這種現(xiàn)象稱為雷電反擊，它會(huì)對(duì)控制室內(nèi)的DCS系統(tǒng)產(chǎn)生干擾乃至破壞。

(2)當(dāng)DCS系統(tǒng)建筑物的防直擊雷裝置接閃時(shí)，在引下線內(nèi)會(huì)通過強(qiáng)大的瞬間雷電流，如果在引下線周圍的一定距離內(nèi)設(shè)有連接DCS系統(tǒng)的電纜(包括電源、通信以及I/O電纜)，則引下線內(nèi)的雷電流會(huì)對(duì)DCS的電纜產(chǎn)生電磁輻射，將雷電波(高電位)引入DCS系統(tǒng)，干擾或損壞DCS系統(tǒng)。

(3)當(dāng)DCS系統(tǒng)周圍發(fā)生雷擊放電時(shí)，空間輻射的電磁場(chǎng)會(huì)在各種金屬管道、電纜線路上產(chǎn)生感應(yīng)電壓(包括電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng))，從而使DCS系統(tǒng)失效或損壞。

4.2 DCS系統(tǒng)防雷、防靜電的主要措施

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。解決這些問題的主要措施有：

(1)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。

(2)電源部分應(yīng)采用電源防雷器設(shè)置兩級(jí)防雷。

(3)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。

(4)對(duì)信號(hào)電纜的屏蔽接地，原則上是規(guī)定一端接地，另一端懸空。但單端接地只能防靜電感應(yīng)(即電容性耦合)，不能防磁場(chǎng)強(qiáng)度變化所感應(yīng)的電壓(即電感性耦合)，無助于阻礙雷電波的侵入。為了減少屏蔽芯線的感應(yīng)電壓，僅在屏蔽層一端做等電位連接的情況下，應(yīng)采用有絕緣隔開的雙層屏蔽，外層屏蔽應(yīng)至少在兩端作等電位連接(即兩點(diǎn)接地)。在這種情況下外屏蔽層與其它同樣做了等電位連接的導(dǎo)體構(gòu)成了環(huán)路，感應(yīng)出一電流，因此產(chǎn)生減低源磁場(chǎng)強(qiáng)度的磁通，從而基本上可抵消無外層屏蔽層時(shí)所感應(yīng)的電壓。為此，可以利用金屬走線槽或穿金屬管作為第二屏蔽層并用兩端接地的方法來實(shí)現(xiàn)。作為傳輸模擬信號(hào)回路的控制電纜和屏蔽層作為信號(hào)返回回路的同軸電纜，其屏蔽層宜采用集中一點(diǎn)接地方式，不得兩點(diǎn)接地。

為了防止或減少因雷擊導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)儀表及DCS系統(tǒng)的故障和損壞，確保DCS系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行，在遵守有關(guān)國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，要對(duì)整個(gè)儀控系統(tǒng)根據(jù)等電位連接的原則加以設(shè)計(jì)，從控制室、I/O模塊、現(xiàn)場(chǎng)儀表、現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)電纜和電源線等多方面綜合考慮，同時(shí)需要電氣、建筑、儀表等專業(yè)協(xié)同合作來實(shí)現(xiàn)。除了考慮系統(tǒng)安全性以外，還要考慮投資的成本、運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，做到安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理。

5.其他因素

接地不正確、電源故障、雷擊、靜電是危害DCS系統(tǒng)安全的主要因素，這些不安全因素可以在設(shè)計(jì)和施工時(shí)解決好。其他諸如：計(jì)算機(jī)故障、I/O模塊故障、網(wǎng)絡(luò)故障、環(huán)境以及人為因素，這些不安全因素，我們可以通過提高維護(hù)人員的技術(shù)水平、提高維護(hù)人員的工作責(zé)任心等等來減少此類故障的發(fā)生，平時(shí)巡回檢查時(shí)做到認(rèn)真細(xì)心，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)上報(bào)并處理，確保DCS系統(tǒng)安全的、穩(wěn)定的運(yùn)行。

6.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)、制造、安裝、維護(hù)等，具體應(yīng)注意系統(tǒng)接地、電源供電、防雷防靜電措施、抗干擾措施、系統(tǒng)維護(hù)等方面。

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