聚酯装置DCS系统的硬件配置及在接地和电源方面的问题分析
1.前言
dcs系统的稳定可靠运行对聚酯装置的安、稳、长、优生产起着至关重要的作用。dcs即分散控制系统，又名集散控制系统，是集计算机技术、控制技术、通讯技术和 crt技术为一体的综合性高技术产品，dcs通过操作站对整个工艺过程进行集中监视、操作和管理，通过控制站对工艺过程各部分进行分散控制，既不同于常规仪表控制系统，又不同于集中式的计算机控制系统，而是集中了两者的优点，克服了它们各自的不足，以高可靠性、灵活性、人机界面友好性及通讯的方便性等特点日益被广泛应用。
2.tps系统概貌
聚酯装置dcs系统采用国际着名的美国honeywell公司的tps系统，tps全称total plant solution，即全厂一体化解决方案系统，是第一个将整个工厂的商业信息系统与生产过程控制系统统一在一个平台上的自动化系统，它分为以下网络形式：
1）工厂控制网络pcn（plant control network），是开放的网络系统，可以访问过程网络数据；
2）本地控制网络tpn（tps process network），也称lcn，是tps系统的主干网，pcn上的节点需通过tpn来访问过程网络的数据；
3）万能控制网ucn（universal control network），是tps的过程控制网络。
tpn （lcn）网上的网络设备有：
全方位操作站（gus），是tps系统的人机接口，基于ms nt工作native window窗口，用于整个lcn系统的信息访问，工厂信息通过pcn网络访问，gus平台支持过程操作和过程工程组态及设计功能。
网络接口模件（nim），提供lcn网络访问ucn网络的接口，转换lcn的通讯技术和协议到ucn的通讯技术和协议历史模件（hm），tps的文件服务器，支持tpn 网络的系统活动、历史数据和系统事件存贮，用于系统性能的监测、调整和故障排除。
ucn网上的网络设备有：
高性能过程管理器（hpm），用于扫描和控制tps系统过程数据，具有快速的内部处理器和大内存容量。
安全管理器（sm），用于实现工厂安全停车策略，可独立操作，也可接入tps系统。
值得注意的是nim既是lcn网络节点，又是ucn网络接点，完成ucn网和lcn网的数据交换。
3.聚酯dcs的硬件配置
聚酯装置根据生产工艺的需要，设置了4台gus工作站，其中3台作为操作站，一台作为工程师站。设置两套分别冗余的hpm，一套作为聚酯主装置的控制站，考虑到短纤装置增压泵在工艺上与聚酯装置的关系非常密切，而且也由于dcs系统的高可靠性，在工程设计时将另一套hpm作为短纤装置熔体增压泵及聚酯辅助系统的控制站。
图1 聚酯装置dcs硬件配置
主要硬件配置如下：
1）gus操作站4台
2）hm历史模件1套
3）nim网络接口模件2套，互为冗余
4）hpm高性能过程管理器4套，2套互为冗余
5）lcn网2套，互为冗余
6）ucn网2套，互为冗余
7）hlai高电平模拟量输入卡件，14块
8）ao模拟量输出卡件，11块
9）di数字量输入卡件，13块
10）do数字量输出卡件，8块
11）pi脉冲量输入卡件，1块
12）llmux多路低电平模拟量输入卡件，2块
4.dcs接地存在的问题
4.1 dcs接地的目的
在dcs系统中，接地是抑制噪声和防止干扰的主要方法，在设计和施工中如能把接地和屏蔽正确结合起来使用，即能解决大部分噪声问题。
接地有4个基本目的：
1）消除各电路电流流经一个公共地线阻抗时所接生的噪声电压；
2）避免受磁场和地电位差的影响，即不使其形成地环路，如果接地方式处理的不好，就会形成噪声耦合；
3）使屏蔽和滤波有环路；
4）安全接地。
4.2 honeywell 对tps接地的要求
4.2.1 安全地
1）接地极应采用100mm2以上截面电缆连接到tps系统pdp柜的接地母排。
2）接地母排以下的安全接地系统连接应采用20mm2以上截面电缆，且该电缆应带黄/绿相间的绝缘护套。
3）从接地级到接地系统中任何终端（操作台或机柜）的连接长度不超过152m。
4）本接地系统应为 tps设备所专用，不应与其它无关设备混用。
5）对于非本安系统，应保证其接地桩的接地电阻不大于5？ 。
6）对于本安系统（使用齐纳安全栅），应保证安全接地（acg）的接地电阻不大于0.1？
4.2.2 主参考地（master reference ground）
4.2.2.1 主参考地的常规要求
1）本接地系统应为tps专用，为独立接地系统不应与其它无关设备混用。tps系统中又称为逻辑地。
2）对于非本安系统，应保证其接地电阻不大于5？。
3）对于本安系统（使用齐纳安全栅），应保证主参考地（mrg）的接地电阻不大于1？
4）主参考接地桩与安全接地桩及其它地下金属物体间的距离应大于3m，以保证有效的隔离。
4.2.2.2 主参考接地系统的连接
1）系统接地采用星形接构，视系统大小而定可在主星形板下挂辅助星形板， 但星形板的级联不得超过两级。hpm柜的接地应直接与星形板相联，而不应采用链形（daisy chain） 连接。
2）主参考接地极应采用100 mm2以上截面的电缆连接到控制室内的主星形板，且电缆的长度应控制在15m左右，该电缆应带绿色绝缘护套。
3）主星形板以下的接地系统的连接应采用20 mm2以上截面的绿色绝缘护套电缆。
4）从主参考接地极到接地系统中任何一端hpm机柜的连接长度不得超过152m。
4.3工程设计要求
4.3.1 安全地
1）安全接地极到接地母排电缆线径设计院设计为16 mm2。
2）接地母排以下的线径设计院设计为16 mm2。
4.3.2 主参考地
某设计院原设计要求接地电阻小于1ω，mrg汇流排至接地极的电缆为16 mm2。在现场施工中，由于施工单位图省事，仅打了三根接地极，且埋地深度不够，更为严重的是离聚酯装置电气主接地网和2000kva的10kv变压器太近（最近的接地极距离变压器只有5m），变压器的电磁干扰严重影响主参考接地系统，2006年7月26日dcs上电以后，在dcs的ucn cable监控上产生大量的噪声，且每日的累积数上升极快，严重影响到dcs系统的正常运行，在8月12日，出现ucn网故障，故障现象为“hpm alive”，断电后故障依旧，后故障自行恢复。8月23日，nim15在6：02分出现故障，gus操作站所有的数据全无，经查nim15处一个ucna电缆tap头上的终端电阻坏了一个，更换以后系统恢复，分析原因为主参考地接地系统不符合硬件厂家的要求。
4.3.3 接地系统的整改
针对出现的问题，我们重点对接地网的位置、接地网的施工、接地线线径等方面进行整改。
根据dcs厂家的要求，主参考地接地网应远离大的电磁干扰源，我们对接地网的选址进行慎重考虑，由于现场场地的限制，为满足既远离干扰源，又满足接地电阻的要求，将原来的三根接地极废弃，另择新址，共打了7要接地极，接地极互相连为三角形的网状，在任何连接偏铁腐蚀断裂的情况下，也能保证任一根接地极与接地网相连。
此次重新打接地网，公司安排专人全程监督施工过程，要求接地极打入深度不低于3m，接地极间距为3m，连接偏铁为l40的镀锌偏钢，连接偏铁壕沟深度不低于800mm，焊接时要求四面施焊，焊口用涂沥清防腐。
由于各级接地线径过细，不符合硬件厂家要求，统一将各级接地线更换为符合honeywell规范要求的接地铜线。
经过以上各项目的整改，dcs运行情况大为好转，从gus工程师站上监控的ucn cable网络噪声从改造前的每日200-500个左右，降为0，且至今没有出现一个噪声，对以后dcs的运行提供了可靠的保证。
5.dcs电源系统
根据设计院的设计和honeywell厂家的要求，dcs各部分的电源从ups配出，ups后备时间为30分钟，在装置停电或晃电时，保证dcs 系统用电正常，满足装置停工过程中现场仪表和dcs系统用电需要。hpm用冗余稳压电源，保证任何一个电源模块出现故障时，另一冗余电源工作正常，不影响 hpm的运行。但由于设计和硬件集成时考虑不周，整个dcs系统电源部分存在诸多问题。下图为整个dcs供电系统图。
图2 聚酯dcs供电图
5.1 dcs电源问题分析
1.dcs系统所有设备均由一台ups供电，一旦ups故障停机或ups总配电开关qf01故障跳闸，所有dcs系统将全部掉电，所谓的nim、 hpm、gus等冗余起不到任何作用，系统将陷入瘫痪状态。如某炼油厂重整装置在2006年夏季时，由于ups故障停止向dcs供电，导致装置失控被迫停工。
2.对dcs运行至关重要的两互相冗余的nim电源用同一个空气开关qf06供电，一旦由于nim卡笼箱内部短路或空气开关的故障而导致qf6跳闸，nim15/16将同时掉电，所有现场与gus之间的数据无法进行交换，整个dcs系统也将陷入瘫痪状态。
5.2 dcs电源系统整改对策
由上面的分析可知，dcs电源部分存在的问题主要在于在硬件冗余的情况下，由于总电源或电源开关为共用，当电源故障时，硬件冗余起不到任何作用。改造思路如图3中虚线所示，dcs各冗余硬件hpm09/10、hpm11/12、nim15/16的电源分别由ups和市电供电，hpm09、 hpm11、nim15电源由ups供电，而hpm10、hpm12、nim16的电源由市电经稳压电源供电，由于以上设备均为互相冗余的设备，这样可以保证ups及其断路器、市电及其稳压电源以及三组冗余设备中的任何部分出现故障，dcs能够正常运行，真正实现电源冗余、设备冗余。这种方案要求ups和市电分别从低压配电系统的两段母线上配出，可以最大限度的保证供电正常，对于目前绝大多数连续生产的化工装置电网采用的双回路分列运行的系统，均能满足要求。整改方案如图3，虚线为改造部分。
图3 聚酯dcs供电改造方案
6.结束语
dcs系统的稳定可靠运行对聚酯装置的安、稳、长、优生产起着至关重要的作用，接地和电源方面是多数设计院和硬件集成商在工程设计、安装时考虑最容易忽视的两个方面。而这两个方面确对dcs稳定运行起着至关重要的作用，整改以后，dcs运行稳定，并可彻底解决了ups故障而引起dcs瘫痪的后顾之忧。
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2.tps系统概貌
聚酯装置dcs系统采用国际着名的美国honeywell公司的tps系统，tps全称total plant solution，即全厂一体化解决方案系统，是第一个将整个工厂的商业信息系统与生产过程控制系统统一在一个平台上的自动化系统，它分为以下网络形式：
1）工厂控制网络pcn（plant control network），是开放的网络系统，可以访问过程网络数据；
2）本地控制网络tpn（tps process network），也称lcn，是tps系统的主干网，pcn上的节点需通过tpn来访问过程网络的数据；
3）万能控制网ucn（universal control network），是tps的过程控制网络。
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值得注意的是nim既是lcn网络节点，又是ucn网络接点，完成ucn网和lcn网的数据交换。
3.聚酯dcs的硬件配置
聚酯装置根据生产工艺的需要，设置了4台gus工作站，其中3台作为操作站，一台作为工程师站。设置两套分别冗余的hpm，一套作为聚酯主装置的控制站，考虑到短纤装置增压泵在工艺上与聚酯装置的关系非常密切，而且也由于dcs系统的高可靠性，在工程设计时将另一套hpm作为短纤装置熔体增压泵及聚酯辅助系统的控制站。
图1 聚酯装置dcs硬件配置
主要硬件配置如下：
1）gus操作站4台
2）hm历史模件1套
3）nim网络接口模件2套，互为冗余
4）hpm高性能过程管理器4套，2套互为冗余
5）lcn网2套，互为冗余
6）ucn网2套，互为冗余
7）hlai高电平模拟量输入卡件，14块
8）ao模拟量输出卡件，11块
9）di数字量输入卡件，13块
10）do数字量输出卡件，8块
11）pi脉冲量输入卡件，1块
12）llmux多路低电平模拟量输入卡件，2块
4.dcs接地存在的问题
4.1 dcs接地的目的
在dcs系统中，接地是抑制噪声和防止干扰的主要方法，在设计和施工中如能把接地和屏蔽正确结合起来使用，即能解决大部分噪声问题。
接地有4个基本目的：
1）消除各电路电流流经一个公共地线阻抗时所接生的噪声电压；
2）避免受磁场和地电位差的影响，即不使其形成地环路，如果接地方式处理的不好，就会形成噪声耦合；
3）使屏蔽和滤波有环路；
4）安全接地。
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4.2.1 安全地
1）接地极应采用100mm2以上截面电缆连接到tps系统pdp柜的接地母排。
2）接地母排以下的安全接地系统连接应采用20mm2以上截面电缆，且该电缆应带黄/绿相间的绝缘护套。
3）从接地级到接地系统中任何终端（操作台或机柜）的连接长度不超过152m。
4）本接地系统应为 tps设备所专用，不应与其它无关设备混用。
5）对于非本安系统，应保证其接地桩的接地电阻不大于5？ 。
6）对于本安系统（使用齐纳安全栅），应保证安全接地（acg）的接地电阻不大于0.1？
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1）本接地系统应为tps专用，为独立接地系统不应与其它无关设备混用。tps系统中又称为逻辑地。
2）对于非本安系统，应保证其接地电阻不大于5？。
3）对于本安系统（使用齐纳安全栅），应保证主参考地（mrg）的接地电阻不大于1？
4）主参考接地桩与安全接地桩及其它地下金属物体间的距离应大于3m，以保证有效的隔离。
4.2.2.2 主参考接地系统的连接
1）系统接地采用星形接构，视系统大小而定可在主星形板下挂辅助星形板， 但星形板的级联不得超过两级。hpm柜的接地应直接与星形板相联，而不应采用链形（daisy chain） 连接。
2）主参考接地极应采用100 mm2以上截面的电缆连接到控制室内的主星形板，且电缆的长度应控制在15m左右，该电缆应带绿色绝缘护套。
3）主星形板以下的接地系统的连接应采用20 mm2以上截面的绿色绝缘护套电缆。
4）从主参考接地极到接地系统中任何一端hpm机柜的连接长度不得超过152m。
4.3工程设计要求
4.3.1 安全地
1）安全接地极到接地母排电缆线径设计院设计为16 mm2。
2）接地母排以下的线径设计院设计为16 mm2。
4.3.2 主参考地
某设计院原设计要求接地电阻小于1ω，mrg汇流排至接地极的电缆为16 mm2。在现场施工中，由于施工单位图省事，仅打了三根接地极，且埋地深度不够，更为严重的是离聚酯装置电气主接地网和2000kva的10kv变压器太近（最近的接地极距离变压器只有5m），变压器的电磁干扰严重影响主参考接地系统，2006年7月26日dcs上电以后，在dcs的ucn cable监控上产生大量的噪声，且每日的累积数上升极快，严重影响到dcs系统的正常运行，在8月12日，出现ucn网故障，故障现象为“hpm alive”，断电后故障依旧，后故障自行恢复。8月23日，nim15在6：02分出现故障，gus操作站所有的数据全无，经查nim15处一个ucna电缆tap头上的终端电阻坏了一个，更换以后系统恢复，分析原因为主参考地接地系统不符合硬件厂家的要求。
4.3.3 接地系统的整改
针对出现的问题，我们重点对接地网的位置、接地网的施工、接地线线径等方面进行整改。
根据dcs厂家的要求，主参考地接地网应远离大的电磁干扰源，我们对接地网的选址进行慎重考虑，由于现场场地的限制，为满足既远离干扰源，又满足接地电阻的要求，将原来的三根接地极废弃，另择新址，共打了7要接地极，接地极互相连为三角形的网状，在任何连接偏铁腐蚀断裂的情况下，也能保证任一根接地极与接地网相连。
此次重新打接地网，公司安排专人全程监督施工过程，要求接地极打入深度不低于3m，接地极间距为3m，连接偏铁为l40的镀锌偏钢，连接偏铁壕沟深度不低于800mm，焊接时要求四面施焊，焊口用涂沥清防腐。
由于各级接地线径过细，不符合硬件厂家要求，统一将各级接地线更换为符合honeywell规范要求的接地铜线。
经过以上各项目的整改，dcs运行情况大为好转，从gus工程师站上监控的ucn cable网络噪声从改造前的每日200-500个左右，降为0，且至今没有出现一个噪声，对以后dcs的运行提供了可靠的保证。
5.dcs电源系统
根据设计院的设计和honeywell厂家的要求，dcs各部分的电源从ups配出，ups后备时间为30分钟，在装置停电或晃电时，保证dcs 系统用电正常，满足装置停工过程中现场仪表和dcs系统用电需要。hpm用冗余稳压电源，保证任何一个电源模块出现故障时，另一冗余电源工作正常，不影响 hpm的运行。但由于设计和硬件集成时考虑不周，整个dcs系统电源部分存在诸多问题。下图为整个dcs供电系统图。
图2 聚酯dcs供电图
5.1 dcs电源问题分析
1.dcs系统所有设备均由一台ups供电，一旦ups故障停机或ups总配电开关qf01故障跳闸，所有dcs系统将全部掉电，所谓的nim、 hpm、gus等冗余起不到任何作用，系统将陷入瘫痪状态。如某炼油厂重整装置在2006年夏季时，由于ups故障停止向dcs供电，导致装置失控被迫停工。
2.对dcs运行至关重要的两互相冗余的nim电源用同一个空气开关qf06供电，一旦由于nim卡笼箱内部短路或空气开关的故障而导致qf6跳闸，nim15/16将同时掉电，所有现场与gus之间的数据无法进行交换，整个dcs系统也将陷入瘫痪状态。
5.2 dcs电源系统整改对策
由上面的分析可知，dcs电源部分存在的问题主要在于在硬件冗余的情况下，由于总电源或电源开关为共用，当电源故障时，硬件冗余起不到任何作用。改造思路如图3中虚线所示，dcs各冗余硬件hpm09/10、hpm11/12、nim15/16的电源分别由ups和市电供电，hpm09、 hpm11、nim15电源由ups供电，而hpm10、hpm12、nim16的电源由市电经稳压电源供电，由于以上设备均为互相冗余的设备，这样可以保证ups及其断路器、市电及其稳压电源以及三组冗余设备中的任何部分出现故障，dcs能够正常运行，真正实现电源冗余、设备冗余。这种方案要求ups和市电分别从低压配电系统的两段母线上配出，可以最大限度的保证供电正常，对于目前绝大多数连续生产的化工装置电网采用的双回路分列运行的系统，均能满足要求。整改方案如图3，虚线为改造部分。
图3 聚酯dcs供电改造方案
6.结束语
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