DCS在开关量信号长距离传输中应用

肖峰

摘 要：随着化工行业自动化快速发展，对信号传输的品质要求越来越高，线缆传输中的压降和电容是客观存在的，是无法彻底消除的，安全紧急停机按钮是独立于控制系统之外的紧急停机设备，它需要直接接到设备控制回路中，线缆长距离传输如何有效降低信号衰减率，对紧急停机系统安全可靠性十分重要。

关键词：电压降；电容；解决方案；DCS系统；实施效果

引言 前期化工行业操作室位置的选择没有考虑到高压蒸汽管道及周围环境，现面临操作室远距离搬迁，装置的紧急停机按钮线缆长距离传输遇到一些问题，一方面信号容易受到外界电磁干扰，导致传输信号发生畸变或失真；一方面由于线缆的线阻抗、电容和电压降，限制了线缆的安全使用距离。本文采用增加一套DCS系统进行监视开关量信号传输状态，一方面DCS控制站之间采用双网光纤通讯，冗余设计，既可以抑制外界干扰信号，提高传输质量及可靠性，也增加了开关量信号传输距离，另一方面能够实时监测信号通讯情况，能够及时发现隐患，提高紧急按钮的可靠性。实验证明，采用该措施既可以保证开关量信号传输品质也可以有效监视信号传输情况。

集中控制室的位置应选择在非爆炸，无火灾危险的区域内，其位置应符合《石油化工企业设计防火规范》（GB 50160）的规定，操作室易布置在工艺装置的一侧，四周不应同时布置甲、乙类装置，应独立设置，不得与非抗爆建筑物合并建造。对于控制室初期建在装置内部比较危险的环境中，就需要考虑操作室搬迁。如：2016年湖北当阳市一电厂高压蒸汽管道破裂，造成蒸汽外泄，当时操作室就建在高压蒸汽管道附近，受冲击波影响，蒸汽把墙冲穿，操作室里面的人全部受害。因此操作室位置的选择十分重要。在操作室的搬迁中对于紧急停机系统的改造存在一些难题。

1 线缆长距离传输存在的问题

1.1 线缆电压降

线缆长距离传输时，就需要考虑电缆电压的“压降”问题，如果忽略压降，就会导致设备无法正常启停，而因此造成经济损失和安全生产事故。线路的电压降是因为导体存在电阻，所以不管导体采用哪些材料都会造成线路一定的电压损耗，而这种损耗不大于本身电压的5%时一般是不会对线路的电力驱动产生影响的。对于线缆大于500米或电压精度要求较高的场合就需要考虑压降,线缆横截面积和长短都会影响压降的大小。

1.2 线缆电容

电容是电容元件（电容器）的简称，以储存电荷为其特征，因此具有储存电场能量的功能。可见传送信号的线缆中就会存在电容。

可以将电缆内的线间电容看成是一个平板式电容器，介质为电缆线的绝缘材质，极板间的距离为电缆线中心距，面积为线径乘以长度，电缆内的线间电容与电缆的长度成正比。

操作台紧急停机系统是在紧急情况下，能够快速将设备安全停运，避免事故的发生。这就要求紧急按钮系统有效性。如何防止长距离线缆的压降和电容成为难题。

2 解决方案

2.1 对线缆选材上进行要求，选择信号电缆应满足如下条件:①电缆的Cc、 Lc越小越好;②线路阻抗要小,R1越小越好;③信号线最好选用带外层屏蔽的单股双绞线。此方法适合工程项目建设前期控制室与集散控制室相邻或短距离传输信号场所使用。

2.2 采用无线传输装置，它是一种远端测控单元装置，测控终端集A/D功能和I/O功能为一体，分为发射装置和接收装置。通过无线方式进行传输。它们安装方便，抗干扰自纠能力强，但是无法实时监测通讯运行情况，不能在线进行维护，受到距离限制无线可靠传输距离在1米~3000米范围内。

2.3 增加一套DCS系统

集控操作室与运行机组距离较远时，紧急设备较多时易采用。在操作室附近安装一套DCS控制柜，操作台至DCS主控柜之间敷设屏蔽线缆，通过线缆将操作台上的紧急停机信号传递到DCS主控制柜上的开关量输入卡件上，DCS主控制柜和扩展柜之间是通过光纤进行双向通讯连接的。在DCS系统逻辑中将开关量输入信号赋值给开关量输出卡件上，在DCS扩展柜的开关量输出卡件上通过线缆传递到设备的控制回路中，实现操作台按钮控制紧急停机设备。

3 DCS控制系统优点

3.1 具有安全可靠的控制器软硬件

操作系统内置防火墙功能，完善的控制软件冗余机制提高了控制的可靠性，100M通信网络运用高速以太网保证了系统的高可靠性。

3.2 具有灵活可靠的网络结构

单层控制网：结构简洁，操作方便，安全可靠网络结构。

可靠的监控功能：操作员与控制器点对点通讯，保证可靠的数据采集和操作。

便携的下装过程：增加测点，修改画面或方案页，下装操作站和控制站直接生效。

安全的历史站：提供丰富的历史数据。可与控制站通信，提供数据采集的备份功能。

网络安全方案：交换机预防网络风暴。

操作站直接与控制站直接通讯，系统更加稳定，风险更加分散，减轻了网络数据负荷，提高了系统的稳定度。

3.3 在线参数同步：在线运行与离线文件数据始终一致。

同步离线组态与控制器的在线数据，即保持了工程师组态软件与控制器数据功能的一致。

3.4 下装类别无区分：下装完全无扰

无全局下装和增量下装之分，即可在开车的条件下直接将系统下装控制站，不会造成生产的扰动；在对组态功能修改后，无论增加模块、程序、测点等全部无扰。

3.5 在线增删模块：无需停车

支持在开车的条件，直接添加硬件设备。此最大的优势是能缩短施工周期，降低客户运营成本。

3.6 画面监视

能够实时监视操作员站、网络状态、控制站的运行情况，能够查找历史趋势、操作日志、报警及监视设备运行情况。

4 光纤与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优点
(1)传输频带极宽，通信容量很大；一根光纤的潜在带宽可达20THz。采用这样的带宽，只需一秒钟左右，即可将人类古今中外全部文字资料传送完毕 (2)由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远；目前石英光纤损耗可低于0.2dB/km，因此，无中继传输距离可达几十、甚至上百公里 (3)串扰小，信号传输质量高； (4)光纤抗电磁干扰，保密性好； (5)光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设； (6)耐化学腐蚀； (7)光纤是石英玻璃拉制成形,原材料来源丰富，环境保护好，并节约了大量有色金属；(8)光缆适应性强,寿命长。

5 实施效果

鲁西集团某个装置就涉及大规模的操作室搬迁，现采用方案3增加了一套和利时DCS系统，它的特点就是操作台紧急按钮的动作信号传输通过单独的DCS系统替代了普通线缆，有效解决了开关量信号长距离传输难题。

5.1 通讯利用DCS系统代替线缆，有效避免了线缆长距离传输对信号品质带来的影响，防止了紧急情况下运行设备的拒动或误动。

5.2 实现实时监视信号通讯的运行情况，将DCS控制系统参数采集上传，利用鲁西智慧化园区平台，能够及时快速发现DCS系统隐患并进行消除。

5.3 维护、维修更加方便，能够离线进行逻辑的查看、故障的排查，在线逻辑修改、添加、删除。

5.4 安全稳定性提高，双网通讯、冗余配置、双UPS供电。在紧急情况时能够准确有效的进行停机。

5.5 DCS系统卡件、交换机等电子元件一旦出现故障，紧急停机系统就会失效。

5.6、投用成本高。

6 结束语

通过以上分析增加一套DCS系统，装置紧急停机开关量信号传输即解决了信号长距离传输受电磁干扰影响和线缆本身距离的限制也提高了信号的可靠性及安全性增添了信号监测性，能够实时监测运行情况，实现在线维护维修，该方法投用稳定，对装置的安全稳定运行提供了保障。

参考文献

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