DCS系統(tǒng)的可靠性研究

一、前言

　　分散控制系統(tǒng)(DCS)的主要作用是對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制、監(jiān)視、管理和決策，因此必須具有很高的可靠性，才能保證工廠的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。隨著大規(guī)模計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，可靠性問題己經(jīng)成為一個(gè)十分重要的問題，其理論也在這種形勢下不斷地發(fā)展和完善。可靠性技術(shù)的研究內(nèi)容大致分為四個(gè)方面：可靠性設(shè)計(jì)、可靠性分析、可靠性試驗(yàn)、可靠性管理。

　　二、DCS系統(tǒng)的可靠性措施

　　在DCS系統(tǒng)中，采用了許多提高可靠性的技術(shù)措施。這些技術(shù)措施是建立在以下四種基本思想上的：① 使系統(tǒng)本身不易發(fā)生故障，即所謂的故障預(yù)防;② 在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)盡可能減少故障所造成的影響，即所謂的故障保安和故障弱化;③ 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，能夠讓系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，即所謂的故障容錯(cuò);④ 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可以在不停止系統(tǒng)運(yùn)行的情況下進(jìn)行維修，即所謂的在線維修。基于這四種基本思想，DCS系統(tǒng)中采用了各種各樣的可靠性措施降低事故的發(fā)生及所造成的損失。

　　1、嚴(yán)格進(jìn)行質(zhì)量管理和提高系統(tǒng)硬件水平

　　為了實(shí)現(xiàn)DCS系統(tǒng)的硬件可靠，DCS系統(tǒng)的制造商采取了一系列提高硬件質(zhì)量的措施，如對元器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選、老化元器件的降額使用、充分考慮到參數(shù)變化的影響、采用低功耗元件、采用噪聲抑制技術(shù)等。

　　2、DCS系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)計(jì)的可靠性措施

　　DCS出現(xiàn)問題后，將會有無法操作、無法監(jiān)視等造成設(shè)備失控的情況出現(xiàn)。輕者出現(xiàn)設(shè)備停運(yùn)影響經(jīng)濟(jì)效益，重者危及人身和設(shè)備的安全。所以在設(shè)計(jì)中一定要根據(jù)現(xiàn)場的具體情況認(rèn)真的考慮系統(tǒng)以下幾點(diǎn)可靠性：

　　(1)電源系統(tǒng)

　　DCS系統(tǒng)的供電系統(tǒng)是其運(yùn)行的基礎(chǔ)，電源負(fù)荷不要超過60%，以免電源高負(fù)荷運(yùn)行。同時(shí)要考慮用高品質(zhì)的電源，一般筆者采用UPS電源，采用兩臺UPS互為備用最好，一臺出現(xiàn)故障后備用機(jī)能夠無擾切換，提高電源的可靠性。UPS輸入電源不要采用電氣的同一母線，要根據(jù)電氣廠用接線取可靠性高的不同母線段電源，這樣保證電氣一段母線出現(xiàn)問題后不會影響DCS系統(tǒng)的電源。DCS電源系統(tǒng)(UPS、電源柜等)在現(xiàn)場安裝時(shí)要安裝在滿足無塵、無振動(dòng)、防腐等要求的電子設(shè)備間內(nèi)，同時(shí)安裝完畢通電前把電纜孔封堵，以防泄漏蒸汽從電纜孔進(jìn)入電源系統(tǒng)造成電源短路。在DCS電源上電后，要在UPS、電源柜等設(shè)備上掛“設(shè)備帶電運(yùn)行禁止操作”標(biāo)識牌，更不準(zhǔn)可以在DCS電源系統(tǒng)上接入與DCS系統(tǒng)無關(guān)的負(fù)載，如檢修電源、檢修照明、充電設(shè)備、空調(diào)等。

　　(2)冗余系統(tǒng)

　　現(xiàn)場考慮人們有必要對重要的I/O模塊進(jìn)行冗余，同時(shí)考慮操作員站的N:1冗余結(jié)構(gòu)，這樣避免由于卡件或操作員站出現(xiàn)硬件故障造成設(shè)備停運(yùn)。

　　(3)采用后備措施

　?、?手動(dòng)后備

　　對于重要的控制回路，可以采用手動(dòng)后備的方法來提高可靠性。一旦自動(dòng)控制失靈，用手動(dòng)操作站直接進(jìn)行操作，在這種情況下，手動(dòng)操作站直接輸出4～20mA或1～5V的模擬量信號去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)或直接接地進(jìn)行設(shè)備的操作，可以手動(dòng)控制生產(chǎn)過程。

　?、?自動(dòng)后備

　　自動(dòng)后備是采用冗余的方式設(shè)置另外一套或幾套備用控制裝置。當(dāng)處于運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)控制裝置發(fā)生故障時(shí)，備用控制裝置自動(dòng)投入，維持系統(tǒng)的自動(dòng)控制。自動(dòng)后備是冗余系統(tǒng)的一種形式，冗余有主控單元冗余、電源系統(tǒng)冗余、網(wǎng)絡(luò)冗余、I/O模塊冗余、操作員站冗余、服務(wù)器冗余等。運(yùn)行設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，熱備設(shè)備會自動(dòng)無擾的運(yùn)行，同時(shí)不影響對故障設(shè)備的檢修。

　　3、使系統(tǒng)故障時(shí)處于安全狀態(tài)

　　DCS系統(tǒng)本身在工作中不斷地進(jìn)行在線故障檢測，一旦發(fā)現(xiàn)故障，就將故障設(shè)備與系統(tǒng)隔離，使它不至于影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行。故障出現(xiàn)后同時(shí)會發(fā)出聲光報(bào)警，維護(hù)人員根據(jù)報(bào)警的提示進(jìn)行分析故障原因并盡快的處理故障，避免故障擴(kuò)大。在處理過程中要做好現(xiàn)場的技術(shù)措施，不要輕易重啟CPU，以免對設(shè)備造成擾動(dòng)。如果需要重啟CPU，需要與操作人員配合做好預(yù)防措施，一般DCS在CPU復(fù)位時(shí)會對模擬量輸出信號進(jìn)行復(fù)位，這樣可以對執(zhí)行器和變頻器采用手動(dòng)切換控制方式，執(zhí)行器也可以采用斷電方式或?qū)⒛M量輸出卡件拔掉方式(執(zhí)行器具有斷信號保持功能)，系統(tǒng)正常后將信號加到正常值后再給執(zhí)行器上電和插卡件。但是一定要根據(jù)DCS本身的特點(diǎn)進(jìn)行，有的設(shè)計(jì)中有開關(guān)量安全輸出(開、關(guān)、保持等)，如果用戶在組態(tài)時(shí)選的安全輸出是開，那當(dāng)重啟CPU后開關(guān)量會發(fā)出開的指令。

　　三、現(xiàn)場條件

　　1、現(xiàn)場環(huán)境

　　DCS系統(tǒng)一般都放在控制室內(nèi)或計(jì)算機(jī)電子間內(nèi)，計(jì)算機(jī)室應(yīng)隔熱、防塵還需要避開強(qiáng)電磁場的干擾及遠(yuǎn)離強(qiáng)振動(dòng)、強(qiáng)噪音場所。計(jì)算機(jī)室的凈高宜不小于3.2m，面積宜不小于20m2(一臺計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備)，室內(nèi)應(yīng)有電插座。地面應(yīng)采用無塵、無靜電作用光滑地板，該地板宜用活動(dòng)地板，下部空間高度不小于150mm。計(jì)算機(jī)室應(yīng)保證室內(nèi)溫度在18～25℃范圍內(nèi)，溫度變化率小于5℃/h，相對濕度在45%～70%范圍內(nèi)，任何情況下不許結(jié)露。當(dāng)空調(diào)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)維持室溫在24小時(shí)內(nèi)不超過制造廠允許值。以上條件需要在DCS系統(tǒng)上電工作前嚴(yán)格控制，工作環(huán)境是保證設(shè)備可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)，若環(huán)境要求達(dá)不到要求，DCS系統(tǒng)在運(yùn)行過程中會受到不同程度的影響，如溫度高、濕度大、震動(dòng)大等都會影響DCS系統(tǒng)的正常運(yùn)行。