聚酯裝置DCS系統(tǒng)的硬件配置及在接地和電源方面的問題分析

1.前言

DCS系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行對聚酯裝置的安、穩(wěn)、長、優(yōu)生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。DCS即分散控制系統(tǒng)，又名集散控制系統(tǒng)，是集計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)和 CRT技術(shù)為一體的綜合性高技術(shù)產(chǎn)品，DCS通過操作站對整個工藝過程進行集中監(jiān)視、操作和管理，通過控制站對工藝過程各部分進行分散控制，既不同于常規(guī)儀表控制系統(tǒng)，又不同于集中式的計算機控制系統(tǒng)，而是集中了兩者的優(yōu)點，克服了它們各自的不足，以高可靠性、靈活性、人機界面友好性及通訊的方便性等特點日益被廣泛應(yīng)用。

2.TPS系統(tǒng)概貌

聚酯裝置DCS系統(tǒng)采用國際著名的美國HONEYWELL公司的TPS系統(tǒng)，TPS全稱Total Plant Solution，即全廠一體化解決方案系統(tǒng)，是第一個將整個工廠的商業(yè)信息系統(tǒng)與生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)統(tǒng)一在一個平臺上的自動化系統(tǒng)，它分為以下網(wǎng)絡(luò)形式：

1）工廠控制網(wǎng)絡(luò)PCN（Plant control network），是開放的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以訪問過程網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)；

2）本地控制網(wǎng)絡(luò)TPN（TPS process network），也稱LCN，是TPS系統(tǒng)的主干網(wǎng)，PCN上的節(jié)點需通過TPN來訪問過程網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)；

3）萬能控制網(wǎng)UCN（Universal control network），是TPS的過程控制網(wǎng)絡(luò)。

TPN （LCN）網(wǎng)上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有：

全方位操作站（GUS），是TPS系統(tǒng)的人機接口，基于MS NT工作NativeWindow窗口，用于整個LCN系統(tǒng)的信息訪問，工廠信息通過PCN網(wǎng)絡(luò)訪問，GUS平臺支持過程操作和過程工程組態(tài)及設(shè)計功能。

網(wǎng)絡(luò)接口模件（NIM），提供LCN網(wǎng)絡(luò)訪問UCN網(wǎng)絡(luò)的接口，轉(zhuǎn)換LCN的通訊技術(shù)和協(xié)議到UCN的通訊技術(shù)和協(xié)議歷史模件（HM），TPS的文件服務(wù)器，支持TPN 網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)活動、歷史數(shù)據(jù)和系統(tǒng)事件存貯，用于系統(tǒng)性能的監(jiān)測、調(diào)整和故障排除。

UCN網(wǎng)上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有：

高性能過程管理器（HPM），用于掃描和控制TPS系統(tǒng)過程數(shù)據(jù)，具有快速的內(nèi)部處理器和大內(nèi)存容量。

安全管理器（SM），用于實現(xiàn)工廠安全停車策略，可獨立操作，也可接入TPS系統(tǒng)。

值得注意的是NIM既是LCN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，又是UCN網(wǎng)絡(luò)接點，完成UCN網(wǎng)和LCN網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換。

3.聚酯DCS的硬件配置

聚酯裝置根據(jù)生產(chǎn)工藝的需要，設(shè)置了4臺GUS工作站，其中3臺作為操作站，一臺作為工程師站。設(shè)置兩套分別冗余的HPM，一套作為聚酯主裝置的控制站，考慮到短纖裝置增壓泵在工藝上與聚酯裝置的關(guān)系非常密切，而且也由于DCS系統(tǒng)的高可靠性，在工程設(shè)計時將另一套HPM作為短纖裝置熔體增壓泵及聚酯輔助系統(tǒng)的控制站。

圖1 聚酯裝置DCS硬件配置

主要硬件配置如下：

1）GUS操作站4臺

2）HM歷史模件1套

3）NIM網(wǎng)絡(luò)接口模件2套，互為冗余

4）HPM高性能過程管理器4套，2套互為冗余

5）LCN網(wǎng)2套，互為冗余

6）UCN網(wǎng)2套，互為冗余

7）HLAI高電平模擬量輸入卡件，14塊

8）AO模擬量輸出卡件，11塊

9）DI數(shù)字量輸入卡件，13塊

10）DO數(shù)字量輸出卡件，8塊

11）PI脈沖量輸入卡件，1塊

12）LLMUX多路低電平模擬量輸入卡件，2塊

4.DCS接地存在的問題

4.1 DCS接地的目的

在DCS系統(tǒng)中，接地是抑制噪聲和防止干擾的主要方法，在設(shè)計和施工中如能把接地和屏蔽正確結(jié)合起來使用，即能解決大部分噪聲問題。

接地有4個基本目的：

1）消除各電路電流流經(jīng)一個公共地線阻抗時所接生的噪聲電壓；

2）避免受磁場和地電位差的影響，即不使其形成地環(huán)路，如果接地方式處理的不好，就會形成噪聲耦合；

3）使屏蔽和濾波有環(huán)路；

4）安全接地。

4.2 HONEYWELL 對TPS接地的要求

4.2.1 安全地

1）接地極應(yīng)采用100mm2以上截面電纜連接到TPS系統(tǒng)PDP柜的接地母排。

2）接地母排以下的安全接地系統(tǒng)連接應(yīng)采用20mm2以上截面電纜，且該電纜應(yīng)帶黃/綠相間的絕緣護套。

3）從接地級到接地系統(tǒng)中任何終端（操作臺或機柜）的連接長度不超過152M。

4）本接地系統(tǒng)應(yīng)為 TPS設(shè)備所專用，不應(yīng)與其它無關(guān)設(shè)備混用。

5）對于非本安系統(tǒng)，應(yīng)保證其接地樁的接地電阻不大于5？ 。

6）對于本安系統(tǒng)（使用齊納安全柵），應(yīng)保證安全接地（ACG）的接地電阻不大于0.1？

4.2.2 主參考地（MASTER REFERENCE GROUND）

4.2.2.1 主參考地的常規(guī)要求

1）本接地系統(tǒng)應(yīng)為TPS專用，為獨立接地系統(tǒng)不應(yīng)與其它無關(guān)設(shè)備混用。TPS系統(tǒng)中又稱為邏輯地。

2）對于非本安系統(tǒng)，應(yīng)保證其接地電阻不大于5？。

3）對于本安系統(tǒng)（使用齊納安全柵），應(yīng)保證主參考地（MRG）的接地電阻不大于1？

4）主參考接地樁與安全接地樁及其它地下金屬物體間的距離應(yīng)大于3M，以保證有效的隔離。

4.2.2.2 主參考接地系統(tǒng)的連接

1）系統(tǒng)接地采用星形接構(gòu)，視系統(tǒng)大小而定可在主星形板下掛輔助星形板， 但星形板的級聯(lián)不得超過兩級。HPM柜的接地應(yīng)直接與星形板相聯(lián)，而不應(yīng)采用鏈形（DAISY CHAIN） 連接。

2）主參考接地極應(yīng)采用100 mm2以上截面的電纜連接到控制室內(nèi)的主星形板，且電纜的長度應(yīng)控制在15M左右，該電纜應(yīng)帶綠色絕緣護套。

3）主星形板以下的接地系統(tǒng)的連接應(yīng)采用20 mm2以上截面的綠色絕緣護套電纜。

4）從主參考接地極到接地系統(tǒng)中任何一端HPM機柜的連接長度不得超過152M。

4.3工程設(shè)計要求

4.3.1 安全地

1）安全接地極到接地母排電纜線徑設(shè)計院設(shè)計為16 mm2。

2）接地母排以下的線徑設(shè)計院設(shè)計為16 mm2。

4.3.2 主參考地

某設(shè)計院原設(shè)計要求接地電阻小于1Ω，MRG匯流排至接地極的電纜為16 mm2。在現(xiàn)場施工中，由于施工單位圖省事，僅打了三根接地極，且埋地深度不夠，更為嚴重的是離聚酯裝置電氣主接地網(wǎng)和2000KVA的10KV變壓器太近（最近的接地極距離變壓器只有5m），變壓器的電磁干擾嚴重影響主參考接地系統(tǒng)，2006年7月26日DCS上電以后，在DCS的UCN CABLE監(jiān)控上產(chǎn)生大量的噪聲，且每日的累積數(shù)上升極快，嚴重影響到DCS系統(tǒng)的正常運行，在8月12日，出現(xiàn)UCN網(wǎng)故障，故障現(xiàn)象為“HPM ALIVE”，斷電后故障依舊，后故障自行恢復(fù)。8月23日，NIM15在6：02分出現(xiàn)故障，GUS操作站所有的數(shù)據(jù)全無，經(jīng)查NIM15處一個UCNA電纜TAP頭上的終端電阻壞了一個，更換以后系統(tǒng)恢復(fù)，分析原因為主參考地接地系統(tǒng)不符合硬件廠家的要求。

4.3.3 接地系統(tǒng)的整改

針對出現(xiàn)的問題，我們重點對接地網(wǎng)的位置、接地網(wǎng)的施工、接地線線徑等方面進行整改。

根據(jù)DCS廠家的要求，主參考地接地網(wǎng)應(yīng)遠離大的電磁干擾源，我們對接地網(wǎng)的選址進行慎重考慮，由于現(xiàn)場場地的限制，為滿足既遠離干擾源，又滿足接地電阻的要求，將原來的三根接地極廢棄，另擇新址，共打了7要接地極，接地極互相連為三角形的網(wǎng)狀，在任何連接偏鐵腐蝕斷裂的情況下，也能保證任一根接地極與接地網(wǎng)相連。

此次重新打接地網(wǎng)，公司安排專人全程監(jiān)督施工過程，要求接地極打入深度不低于3m，接地極間距為3m，連接偏鐵為L40的鍍鋅偏鋼，連接偏鐵壕溝深度不低于800mm，焊接時要求四面施焊，焊口用涂瀝清防腐。

由于各級接地線徑過細，不符合硬件廠家要求，統(tǒng)一將各級接地線更換為符合HONEYWELL規(guī)范要求的接地銅線。

經(jīng)過以上各項目的整改，DCS運行情況大為好轉(zhuǎn)，從GUS工程師站上監(jiān)控的UCN CABLE網(wǎng)絡(luò)噪聲從改造前的每日200-500個左右，降為0，且至今沒有出現(xiàn)一個噪聲，對以后DCS的運行提供了可靠的保證。

5.DCS電源系統(tǒng)

根據(jù)設(shè)計院的設(shè)計和HONEYWELL廠家的要求，DCS各部分的電源從UPS配出，UPS后備時間為30分鐘，在裝置停電或晃電時，保證DCS 系統(tǒng)用電正常，滿足裝置停工過程中現(xiàn)場儀表和DCS系統(tǒng)用電需要。HPM用冗余穩(wěn)壓電源，保證任何一個電源模塊出現(xiàn)故障時，另一冗余電源工作正常，不影響 HPM的運行。但由于設(shè)計和硬件集成時考慮不周，整個DCS系統(tǒng)電源部分存在諸多問題。下圖為整個DCS供電系統(tǒng)圖。

圖2 聚酯DCS供電圖

5.1 DCS電源問題分析

1.DCS系統(tǒng)所有設(shè)備均由一臺UPS供電，一旦UPS故障停機或UPS總配電開關(guān)QF01故障跳閘，所有DCS系統(tǒng)將全部掉電，所謂的NIM、 HPM、GUS等冗余起不到任何作用，系統(tǒng)將陷入癱瘓狀態(tài)。如某煉油廠重整裝置在2006年夏季時，由于UPS故障停止向DCS供電，導(dǎo)致裝置失控被迫停工。

2.對DCS運行至關(guān)重要的兩互相冗余的NIM電源用同一個空氣開關(guān)QF06供電，一旦由于NIM卡籠箱內(nèi)部短路或空氣開關(guān)的故障而導(dǎo)致QF6跳閘，NIM15/16將同時掉電，所有現(xiàn)場與GUS之間的數(shù)據(jù)無法進行交換，整個DCS系統(tǒng)也將陷入癱瘓狀態(tài)。

5.2 DCS電源系統(tǒng)整改對策

由上面的分析可知，DCS電源部分存在的問題主要在于在硬件冗余的情況下，由于總電源或電源開關(guān)為共用，當電源故障時，硬件冗余起不到任何作用。改造思路如圖3中虛線所示，DCS各冗余硬件HPM09/10、HPM11/12、NIM15/16的電源分別由UPS和市電供電，HPM09、 HPM11、NIM15電源由UPS供電，而HPM10、HPM12、NIM16的電源由市電經(jīng)穩(wěn)壓電源供電，由于以上設(shè)備均為互相冗余的設(shè)備，這樣可以保證UPS及其斷路器、市電及其穩(wěn)壓電源以及三組冗余設(shè)備中的任何部分出現(xiàn)故障，DCS能夠正常運行，真正實現(xiàn)電源冗余、設(shè)備冗余。這種方案要求UPS和市電分別從低壓配電系統(tǒng)的兩段母線上配出，可以最大限度的保證供電正常，對于目前絕大多數(shù)連續(xù)生產(chǎn)的化工裝置電網(wǎng)采用的雙回路分列運行的系統(tǒng)，均能滿足要求。整改方案如圖3，虛線為改造部分。

圖3 聚酯DCS供電改造方案

6.結(jié)束語

DCS系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行對聚酯裝置的安、穩(wěn)、長、優(yōu)生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用，接地和電源方面是多數(shù)設(shè)計院和硬件集成商在工程設(shè)計、安裝時考慮最容易忽視的兩個方面。而這兩個方面確對DCS穩(wěn)定運行起著至關(guān)重要的作用，整改以后，DCS運行穩(wěn)定，并可徹底解決了UPS故障而引起DCS癱瘓的后顧之憂。