分散控制系统课程设计

华分史力*肾科技学院课程设计（综合实验）报告（2012--2013年度第1学期）名称：分散控制系统与现场总线技术题目：分散控制系统接地系统设计与可靠性分析院 系： 动力工程系班 级： 自动化学号：学生姓名： 指导教师： 设计周数： 1成绩： 日期：2013年1月17日任务书一、目的与要求通过本课程设计教学环节，使学生加深对所学课程内容的理解和掌握；结合工程问题，培养提高学生查阅文献、相关资料以及组织素材的能力；培养锻炼学生结合工程问题独立分析思考和解决问题的能力；要求学生能够运用所学课程的基本理论和设计方法，根据工程问题和实际应用方案的要求，进行方案的总体设计和分析评估；报告原则上要求依据相应工程技术规范进行设计、制图、分析和撰写等。二、主要内容1.每个学生依据个人情况选择课程设计题目；分散控制系统抗干扰技术与安全可靠性措施综述；分散控制系统工程应用方案设计分析；现场总线技术发展应用综述；基于现场总线技术的工程应用方案设计分析；分散控制系统差错、容错控制技术设计分析；工程师站、操作员站功能应用综述；现场控制站工程应用控制方案设计分析；SOE、事故追忆技术分析综述；分散控制系统接地系统设计与可靠性分析；分散控制系统电源安全供电系统配置方案综述。三、进度计划序号设计内容完成时间备注1选择课程设计题目，查阅相关文献资料2013年1月14日2文献资料的学习根据所选题目进行方案设计2013年1月15日3与指导教师讨论设计内容、修改设计方案2013年1月16日4撰写课程设计报告2013年1月17日5课程设计答辩2013年1月18日四、设计成果要求针对所选题目的国内外应用发展概述；课程设计正文内容，包括设计方案、硬件电路和软件流程，以及综述、分析等；课程设计总结或结论以及参考文献；要求设计报告规范完整按照《华北电力大学课程设计标准格式》撰写。五、考核方式《分散控制系统与现场总线技术》课程设计成绩评定依据如下：课程设计报告；独立工作能力及设计过程的表现；答辩时回答问题情况。成绩综合评定分为优、良、中、及格、不及格五个等级。学生姓名：指导教师：2013年1月17日一、分散控制系统接地系统设计与分析摘要：接地系统在DCS安装和应用过程中是很重要的一环，很多令人费解的故障现象往往都是系统接地不良引起的，各种干扰影响着DCS准确可靠测量。对常见的信号干扰类型进行了分析，并对DCS系统接地的分类及接地方式进行了说明。同时对电厂常见的由于DCS接地引起的信号跳变现象进行了分析，并提出了解决方案。随着电站热控自动化水平的提高，分散控制系统（DCS）已广泛应用于电厂自动化控制。DCS合理、可靠的系统接地是DCS系统正常工作的重要保证°DCS接地可有效防止系统干扰，而DCS接地系统的可靠性，又在很大程度上决定了该系统抗干扰能力的强弱。本文就DCS系统常见的干扰类型、接地方式及要求进行了分析，并阐述了DCS系统抗干扰措施。1干扰的原因及分类干扰是窜入或叠加在系统电源、信号线上的与信号无关的电信号。干扰会造成测量的误差、严重的干扰会造成设备损坏。常见的干扰有以下几种：1.1电阻耦合引入的干扰当几种信号线在一起传输时，由于绝缘材料老化，漏电而影响到其他信号，即在其他信号中引入干扰。在一些用电能作为执行手段的控制系统中（如加热器等）信号传感器漏电，接触到带电体，也会引入很大的干扰。在一些执行机构中，现场端采用220V供电，由于设备烧坏而造成电源与信号线间短路，也会造成较大的干扰。由于接地不合理，例如在信号线的两端接地，会因为地电位差而产生较大的干扰。信号线的两端同时接地，这样，如果两点的距离较远，则可能会有较大的电位差，这个电位差可能会在两端之间的信号线上产生一个很大的环流。1.2电容电感耦合引入的干扰在控制系统中，往往很多信号同时接入DCS，这些信号线或者走电缆槽，或者走电缆管，造成现场很多根信号在一起走线。这些信号之间均有分布电容存在，会通过这些分布电容将干扰加到别的信号线上。同时，在交变信号线的周围会产生交变的磁通，而这些交变磁通会在并行的导体之间产生电动势，这也会造成线路上的干扰。DCS供电线路上引入的干扰电厂大型电气设备启动频繁，大的开关装置动作也较频繁，这些电动机的启动、开关的闭合产生的火花会在其周围产生很大的交变磁场.这些交变磁场既可以通过在信号线上耦合产生干扰，也可能通过电源线上产生高频干扰，这些干扰如果超过容许范围，也会影响DCS系统的工作。1.4雷击引入的干扰雷击可能在系统周围产生很大的电磁干扰，也可能通过各种接地线引入干扰。系统受雷击干扰有两种方式：架空电源线，信号线可能会遭受雷击，另一种是信号电缆附近受到雷击，通过分布电容和电感耦合到信号线，在信号线上产生一个很大的脉冲干扰，有时甚至会烧坏设备，影响人员安全。针对不同的干扰原因，可以采用两种措施防雷击：①对于耦合干扰，可用金属电缆管或槽铺设信号线，电缆管或金属槽有很好的接地；②对于架空信号线，则必须在计算机输入端子处采取防雷措施，如装避雷器，加压敏电阻、较强的滤波电路等来抑制其干扰。2干扰抑制消除的方法以上列举分析了产生干扰的几种原因，这些干扰如果得不到很好的抑制和防止，轻则影响系统的测量技术精度，因而使正常的控制无法实现，重则会造成设备损坏，工程实践中总结出了很多干扰抑制的方法，方法如下：2.1隔离方法（1）保证信号线绝缘。使所有的信号线很好地绝缘，确保不漏电。这样，可有效防止由于接触引入的干扰。（2） 电缆分层敷设。将不同种类的信号线分层敷设，也就是动缆、控缆分层敷设。（3） 电气隔离。还有一种隔离是将信号源同DCS在电气上进行隔离，这样，会大大地减小共模干扰对计算机造成的危害。用隔离放大器将信号的输入端子与计算机部分完全隔离（有的系统中采用隔离变压器，或继电器等方式隔离，对开关量则可以采用光电器件，或继电器进行隔离）。这样，由于电位不同所产生的干扰信号形不成回路，抑制了干扰的危害。（4） 供电系统的隔离。为了防止供电线路上引入共模高频干扰信号，可以在供电线路上设隔离变压器进行干扰隔离。2.2屏蔽屏蔽是用金属（屏蔽体）把电场或磁场等外界干扰阻止在受干扰物之外。现场中常用的屏蔽手段是采用屏蔽电缆。使用屏蔽电缆时，应注意进入DCS的信号电缆应采用单点接地的方式。当屏蔽电缆有中继点时，在中继处应注意屏蔽层的连续性。为保证屏蔽层一点接地，屏蔽层外应有良好的绝缘性能。2.3绞线用双绞线代替两根平行导线是抑制磁场干扰的有效办法。每个小绞纽环中会通过交变的磁通，而这些变化磁通会在周围的导体中产生电动势，它由电磁通感应定律决定。分析得知，相邻绞纽环中在同一导体上产生的电动势方向相反，相互抵消，这对电磁干扰起到较好的抑制作用。3DCS接地接地就是将电路、单元与充作信号公共参考点的一等位点或等位面实现低阻抗连接。接地系统能否符合规程要求，主要指标是接地电阻大小，DCS接地电阻一般小于4Q。具体DCS接地电阻值，因不同的DCS厂家而不同，以制造厂要求为准。DCS接地的要求在DCS安装及使用中，必须遵循以下要求：不得通过非DCS设备接地，不得接到高压设备所用的接地点，非系统设备不得通过DCS系统接地，不得把接地接到结构件上。DCS接地的分类3.2.1保护接地保护接地是将DCS中平时不带电的金属部分（机柜外壳，操作台外壳等）与地之间形成良好的导电连接，以保护设备和人身安全。原因是DCS的供电是强电供电，通常情况下机壳等是不带电的，当故障发生（如主机电源故障或其它故障）造成电源的供电火线与外壳等导电金属部件短路时，这些金属部件或外壳就形成了带电体，如果没有很好的接地，那么这带电体和地之间就有很高的电位差，如果人不小心触到这些带电体，那么就会通过人身形成通路，产生危险。因此，必须将金属外壳和地之间作很好的连接，使机壳和地等电位。此外，保护接地还可以防止静电的积聚。3.2.2工作接地工作接地是为了使DCS以及与之相连的仪表均能可靠运行并保证测量和控制精度而设的接地。不同资料对工作接地的分类和表述不同，一般分为逻辑地、信号地、系统地和屏蔽地。DCS接地方式DCS系统一般接地方式包括：利用电气接地网作为DCS接地网，即与电气接地网共地;设DCS系统专用独立的接地网；设DCS专用接地网，经接地线、再接至电气接地网。信号屏蔽及其接地。根据有关技术规定要求，计算机或DCS系统信号电缆的屏蔽层不得浮空，必须接地，其接地方式应符合下列规定：当信号源浮空时，屏蔽层应在计算机侧接地；当信号源接地时，屏蔽层应在信号源侧接地。DCS接地原则3.4.1DCS系统设置的接地装置操作台、打印台、服务器柜：设有保护地螺钉。继电器柜、UPS柜、配电柜：设有保护地螺钉。DCS的I\O机柜：设有屏蔽接地汇流排，保护地螺钉。系统地（+24V地）悬浮。仪表柜、手操盘台：设有屏蔽地接地汇流排，保护地螺钉。安全栅柜：设有屏蔽地接地汇流排，本安地接地汇流排，保护地螺钉。3.4.2信号屏蔽及其接地根据有关技术规定要求，计算机或DCS系统信号电缆的屏蔽层不得浮空，必须接地，其接地方式应符合下列规定；当信号源浮空时，屏蔽层应在计算机侧接地；当信号源接地时，屏蔽层应在信号源侧接地；当屏蔽电缆途经接线盒分断或合并时，应在接线盒内将其两端电缆的屏蔽层连接。DCS系统信号电缆的选择与敷设，应严格按照有关规定执行。屏蔽电缆的屏蔽层应按以上要求进行接地。为了提高DCS系统的抗干扰能力，DCS系统开关量输入\输出信号，选用阻燃型对绞铜网屏蔽计算机电缆还是比较恰当的。3.5接地安装规范3.5.1电源系统电源系统由于已经有地线和电气地连接在一起，可以采用浮地方式供电。（1） 采用专用配电箱。配电箱应安装在控制室的电源进线处，接地线应与电气地相连或就近接地。（2） 配UPS的电源系统。由于UPS交流输入端、输出端中的接地线已连在一起，且与外壳相连，因此在配线时注意：UPS输入端的接地线单独与供电系统电气地相连，无电气地时，应在交流电源进线处就近接地，不要引到DCS系统中；UPS交流输出端只引出相线和零线与控制站或操作站开关电源相连；UPS外壳不能与控制站或操作站外壳相连或碰在一起。（3） 不配UPS的电源系统。只须引出相线和零线与控制站或操作站开关电源相连。3.5.2操作站和控制站接地（1） 基本接地方法。控制站和操作站应远离避雷泻流通路，其整个接地网和避雷接地点的最短距离应大于15m。（2） 控制站接地。控制站机柜的正面底部装有一根接地汇流铜条，控制站内部的三地都连接在该铜条上。控制站安装到位后其任何金属部件应和大地处于悬浮状态，包括固定用地脚螺栓，以利于系统的一点接地。控制站开关电源接地：它主要是指开关电源的交流侧接地与直流侧接地。交流侧接地是将交流进线侧的电气保护地引到机柜GMD或铜条，直流接地侧则是将直流侧地通过DCS机笼供电端子的地端引到机柜GND铜条。（3） 操作站接地。操作台底部安装有一根接地汇流排，安全地即外壳连接到此汇流排上。它的任何金属部件应和大地处于浮置状态，以利于系统的一点接地。操作站上都提供接地螺栓，此点为系统的三地。3.6电气系统进入DCS信号接地根据电气专业相关规范的规定，当采用静态保护时，采用屏蔽电缆时屏蔽层宜在两端接地。故电气与热控专业对于电缆屏蔽层接地的规定产生了矛盾。对于通过电容耦合的电场干扰，一点接地即可大大降低干扰电压，发挥屏蔽作用。对于通过感应耦合的磁场干扰，传递信号的屏蔽双绞线两线上感应的干扰电压接近相等且方向相反，在应用回路中是互相抵消的。3.7DCS接地注意事项现场控制站：接地螺丝因机柜本体与底座间有胶皮形成绝缘，屏蔽地汇流排与底座间绝缘，现场控制站必须按规定做好接地处理。即分别接至现场控制站接地汇流排上。I\O柜的电源地与UPS的电源地必须接至同一个地，保证等电位。现场控制站：操作员站、工程师站、网络交换机、服务器主机、系统显示器等采用外壳接地或直接将电源地线连接至

电气接地网。I\O模件：模拟量模件的40端即直流24伏的负端接至逻辑地汇流排上，逻辑地汇流排接至屏蔽地，再接入总接地汇流排。现场控制站的保护地应从机柜下方的接地螺钉接至接地分干线，现场控制站的屏蔽地应从接地汇流排接至公共连接板。接地系统的电阻必须进行测试，以保证接地能满足控制系统制造商的要求。4DCS的接地方式DCS系统的串联接地方式（包括汇流板设置太多时出现的串联情况）如图1所示。从理论上来讲，接地极与大地间的接地电阻应该为零，但在实际中，由于天气、土壤、施工等诸多因素的影响，接地极与大地间肯定存在着一定的电阻，如图1中的r,由于干扰信号的产生具有随机性，在各个接地点产生的影响也不尽相同。现在，假设在接地系统中，每个接地点产生的干扰信号Ii（i=、2、3 n）可等效为一个扰动信号I（地回路电流）其流向为从1#柜到n#柜再到大地，由于接地导线间也存在电阻如图1中的ri（i=1、2、3、....、n）。那么整个接地系统的电阻值可用公式：RE=r1+r2+r3+...+ri+r表示（忽略交流阻抗的影响），由公式U=I@RE可知，每个接地点间必然存在着一个微小的电位差（Ui-Ui-1=I@ri），且接地点间距离越长，这个电势差越大。如1#柜和n#柜之间其电势差为U1-Un=I@（r1+r2+r3+...+rn）,这样，1#柜和n#柜的基准电压就不在同一水平上了，在同一系统中，这种情况是绝对不允许的。因为,仪表直流信号比较小，一般为4~20mA的信号。因此，微小的干扰信号将给系统的检测和控制带来误差，尤其对大量程的仪表所产生的偏差更不可忽视。同时，这种干扰信号具有随机性，在系统联校时无法消除。它必将影响系统的正常运行。因此，这种方式的系统接地是不合理的。另一种系统接地方式如图2所示，在分散型控制系统的接地装置中，设置了汇流板。同时，将各个需要接地的点单独并联接于汇流板上。与图1相比，其特点是汇流板为整个系统设置了一个基准电势面。在汇流板上所有各点的电势均相等。然后再与接地装置相连。假设系统中存在一个等效的干扰信号I,汇流板与接地装置间存在着一个微小的电阻R,接地极与大地之间的电阻为r。那么，该干扰信号所产生的等效电压。=I@（R+r）,便始终加在汇流板与大地之间。从而使各个接地点的电势保持在同一电平U上。由于这种电势对系统中每一个检测点的影响是相同的。所以可通过联校，或一段时间的试生产，总结一个经验参数，便可人为地将它的影响消除。从而保证监控系统准确、可靠地运行，减少了系统误差但值得注意的是必须保证接地系统阻值（R+r）足够的小，使干扰信号在每一个接地点产生的干扰电压趋于零。为此最关键的就是通过改善土壤电阻率或改进接地装置的方式来尽量减少系统接地装置的接地电阻r的阻值。图2系统并联接地图2系统并联接地5结束语DCS系统可靠运行是机组稳定运行、安全监控的重要前提。为此在DCS安装及调试过程中，一定要确保DCS接地正确可靠，接地电阻值符合设计及厂家要求，同时测量回路按照正确的屏蔽接线方式进行单端接地。二、集散控制系统的可靠性分析摘要：可靠性是集散控制系统（DCS）最重要的技术指标之一。现代生产的连续性、系统化和高效率对DCS的可靠性提出了很高的要求。由于DCS软硬件结构复杂，其可靠性涉及多个层面，应当重点进行讨论和研究。1可靠性的内涵所谓DCS的可靠性，是指可修复的机器、零件或系统，在使用中不发生故障，一旦发生故障又易修复，使之具有经常使用的性能。具体内涵如下：（1） DCS系统必须保证能长周期连续地无故障运行，即装置生产期间运行率要达到100%；（2） 系统发生故障时，必须具有故障自检功能、报警功能及安全保护功能；（3） 故障可在线修复，其平均修复时间MTTR越短越好。2影响可靠性的因素2.1环境因素环境因素贯穿于设计、运输、保管、安装各阶段，纷繁复杂，如温度、湿度、电源波动、电磁干扰、冲击、振动、腐蚀等，对DCS的可靠性影响较大。2.2硬件设计冗余不合理DCS系统设计要在影响整个系统安全的部分选择合理的冗余配置，提高系统的可用率，提高可修复时间。现在重要监控设备和器件虽然使用了相应的冗余设计，但由于设计、布置不合理，也会大大降低其应有的可靠率。2.3软件非标准化软件标准化意识不强，设计随意、不规范，不仅会增加运行人员的劳动强度，还影响操作和监视的正确性，使可靠性大大降低，甚至会造成比较严重的事故。3提高可靠性的措施3.1外部环境用户应为DCS提供良好的外部环境、稳定的供电系统和可靠的接地系统，注意防灰、防震、防腐蚀，应当避免把DCS设置在强磁场、大电流、震动剧烈、噪音干扰、灰尘密布的场合。在设计时尽量选用DCS原装配件，在运输、开箱、保管、安装各阶段，严格按照指导说明书要求的环境与步骤进行。3.2冗余结构所谓冗余，指通过将发生中断的单元自动切换到备用单元的方法,实现系统的不中断工作。3.2.1电源系统从系统外部供电时，采用双重化供电冗余是常用的方法。具体要求是：（1） 必须同时配备两台在线式不间断电源UPS；（2） UPS应采用双相交流电供电，分别在不同的两相电上各安装一台等同功率的UPS，互为冗余；（3） 现场控制站内各功能模件所需的直流电源必须采取1：1的冗余配置，当一台直流主电源发生故障时，另一台直流主电源能继续供电。3.2.2操作站冗余该冗余方式常采用2—3台操作站并联运行，组成双重化冗余或（2,3）表决系统冗余。各操作站可以调用工艺过程的全部画面和数据信息，有些系统采用各操作站分管工艺过程的一部分信息，当某一台操作站故障时，再把该分管部分分配给工作的操作站进行操作。此外，过程控制装置冗余、通信系统冗余、上位机冗余等，实践证明是较为可靠的冗余方式。3.3软件设计3.3.1分散结构把整体的DCS系统软件设计分散成各子系统的设计，各自独立，又资源共享，既有利于设计工作的开展，也有利于软件的调试。3.3.2容错技术容错技术是指在软件设计时，对误操作不予响应的技术。这里的不予响应是指对于操作人员的误操作，如不按设计顺序，则软件不会输出操作指令，或者输出有关提示操作出错的信息。3.3.3标准化软件标准化既可以提高软件运行的可靠性，还能为相关软件产品的移植、应用提供条件。新一代DCS在硬件上多采用全32位的CPU芯片，软件上则采用多用户分时操作系统，如Unix。采用Windows编辑技术软件和关系数据库，如Oracle等。3.4巡检维护强化日常巡检，提高维护水平，加强对系统的保养也是提高系统可靠性的重要因素。（1） 例行巡检要严肃认真，不可疏忽。发现环境异常时要紧急处理，如因空调故障引起温度超高或发现老鼠踪迹等，需立即采取相应措施。（2） 加强对系统的保养维护，定期清洗过滤网，对设备进行及时的清扫，以减少尘埃的进入。（3） 及时检测DCS部件性能，对老化的部件要紧急替换，切忌带病作业。3.5制度约束DCS是一种精密的计算机设备，对使用者有较高的要求。应对操作人员进行培训，使之树立明确的岗位意识。同时要制定切实可行的管理考核制度，形成人性化的激励约束机制，最大限度的保证DCS的可靠运行。4结束语随着DCS的广泛应用，集中管理、分散控制的优越性日益明显，同时人们对自动化控制可靠性、准确性的要求也越来越高，致使探讨提高DCS应用的可靠性有着重要的现实意义和应用价值。本文权当抛砖引玉，希望广大自控工作者在实践中不断地探索和总结，使DCS的应用再上新水平。三、课程设计总结