DCS系统故障判断及处理
一 DCS系统概述：
分散控制系统（Distributed Control System）简称DCS系统，又名集中分散控制系统（简称集散控制系统），其是集计算机技术，控制技术，通迅技术，CRT技术及网络技术为一体的综合性高技术产品，DCS通过控制操作站对整个工艺过程进行集中监视，操作、管理，通过控制站对工艺过程各部份进行控制，既不同于常规仪表控制，又不同于集中式计算机控制系统，而是集中了两者的优点，克服了它们各自的不足。DCS以其可靠、灵活性，人机界面友好性及通迅的方便性等特点，日益被广泛应用。
DCS系统的构成概括起来分为三部份：集中管理部份、分散控制监视部份和通信部份。如图：
集中管理部份又可分为操作站、工程师站和上位站计算机。操作站是由微处理器、CRT、键盘、打印机等组成的人机系统，实现集中显示、集中操作和集中管理。工程师站主要用于组态和维护。上位计算机用于全系统的信息管理和优化控制。分散控制监测部份按功能可分为现场控制站和现场监测站。现场控制站是由一个微处理器、存储器、I/O输入输出板、A/D、D/A转换器，内部总线、电源和通信接口等组成，可以控制多个回路，具有较强的运算能力和各种控制算法功能，可自主地完成回路控制任务，实现分散控制。现场监测站或叫数据采集装置也是微计算机结构，主要是采集非控制变量以进行数据处理，并将采集的过程信息经过高速数据通路送到上计算机、控制站和监测站等各个部份，完成数据、指令及其他信息的传递。DCS是一个以微机为基础的标准产品，这些产品可以根据控制对象任意组合，为连续或间隙过程提供任意组合的分散控制，其主要特点如下：
1．控制功能多样化：DCS的最低级为现场控制站或现场控制单元，一般都具有几十种运算控制算法或其他数学和数字逻辑功能，如四则运算、逻辑运算、前馈、超前控制、PID控制、自适应控制和滞后时间补偿等，还有顺序控制和各种联锁保护、报警功能。根据控制对象的不同要求，把这些功能有机组合起来，能方便地满足系统的要求。
2．操作简便：DCS各级都配备了灵活且功能强的人机接口。操作只通过CRT可以对被控对象进行集中监视，通过各种功能键实现各种操作功能。打印机可以打印各种需要的信息及报表。
3．系统便于扩展：DCS的设计是根据不同规模的工程对象进行的，部件设计采用积木式的结构，以模块、模板箱及控制柜和站等为单位，逐步增加。用户通过通迅链路可以方便地从单台数字调节器或过程控制站扩展成小系统，或将小系统扩展成中规模或大规格系统。DCS设置有工程师站或工程师键盘，系统工程师根据控制对象可生成需要的自动控制系统。
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4．维护方便：DCS的设计是按照标准化、积木化、系统化进行的，积木式的模板功能单一，便于装配和维修更换，系统配置有智能的自动故障检查诊断程序和再启动功能，维修非常方便。
5．可靠性高：DCS是监视集中而控制分散，故障影响面小，并且在设计时已考虑到有联锁保护功能、自诊断功能、冗余功能、系统故障人工手运控制操作措施等，使系统可靠性大大提高。
6．便于与其他计算机联用：DCS配备有高、中、低不同速率和不同模式的通迅接口，可方便地与个人计算机或其他大型计算机联网，组成工厂自动化综合控制和管理系统。随着DCS系统向开放系统发展，在符合开放系统的各制造厂产品间可以相互连续、相互通信和进行数据交换，第三方的应用软件也能在系统中应用，从而使DCS进入了更高的阶段。 二 DCS系统故障诊断
DCS系统在工业生产过程中的广泛应用，使可靠性、稳定性问题更加突出，也使人们对整个系统要求越来越高，人们希望DCS系统尽量少出故障，又希望DCS系统一量出现故障，能尽快诊断出故障部位，并尽快修复处理，使系统重新工作。为了便于分析、诊断DCS系统故障发生部位和产生原因，现把故障分为以下几类来进行论述。 1．现场仪表设备故障：
现场仪表设备包括与生产过程直接联系的各种变送器、各种开关、执行机构、负载及各种温度的一此元件等。现场仪表若发生故障，直接影响DCS系统的控制功能及操作人员对工艺参数的监视，从而给工艺操作带来一定困难。在目前的DCS控制系统设计中，这类故障占绝大部份，这类故障一般是由于仪表设备本身的质量和寿命所致。对这类故障比较直观，在判断和处理上也相对容易，在处理按常规仪表的处理方法一般不会有什么问题。对这类故障的处理要求维护人员对常规仪表的故障处理比较熟练，以保证故障处理的及时性及准确性。由于这类故障属于单点故障，对工艺影响不大，维护人员对DCS系统知识的要求不高，只须按常规仪表处理即可。 2．系统故障：
这是影响系统运行的全局性故障，系统故障可分为固定性故障和偶然性故障。如果系统发生故障后可重新启动使系统恢复正常则可认为是偶然性故障。相反若重新启动后不能恢复正常而需要更换硬件或软件系统才能恢复则认为是固定性故障。这种故障一般是由于系统设计不当或系统运行年限较长所致。 3．硬件故障：
这类故障主要指DCS系统中（I/O模块）损坏造成的故障。这类故障一般比较明显且影响也是局部的，它们主是由于使用不当或使用时间较长，模块内元件老化所致。
4．软件故障：
这类故障是软件本身所包含的错误所引起的。软件故障又分为系统软件故障和应用软件故障。系统软件是DCS系统所带来的，若设计考虑不周，在执行中一但条件满足就会引发故障，造成停机或死机等现象。此类故障并不常见，应用软件是用户自己编定的，在实际工程应用中，由于应用软件工作复杂，工作量大，因此应用软件错误几乎难以避免，这就要求在DCS系统调试及试运行中十分认真、仔细，及时发现并解决。 5．操作使用不当造成故障：
在实际运行操作中，有时会出现DCS系统某功能不能使用或某控制部份不能正常工作，但实际上DCS系统并没有故障，而是操作人员操作不熟练或操作错误所引起的。这对于初次使用DCS系统的操作工较为常见。
DCS系统一旦出现故障，正确分析和诊断故障发生的部位和原因是当务这急，故障的诊断是根据经验、根据发生故障的环境和现象来确定故障的部份和原因。根据平时在工作中对系统
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故障处理的经验和方法，对DCS系统故障诊断可按下述步骤来进行：
（1）是否为使用不当引起的故障。这类故障常见的有供电电源故障、端子接线故障、模块安装错误、现场操作错误等。
（2）是否为DCS系统操作错误引起的故障。这类故障常见的有某整定参数整定错误、某设定状态错误造成的。
（3）确认是现场仪表设备故障还是DCS系统故障。若是现场一次仪表故障，修复相应现场仪表或更换一次仪表。
（4）若是系统故障，应确认是硬件故障还是软件故障。
（5）若是硬件故障，则找出相应硬件部位，修复或更换硬件模块。 （6）若是软件故障，还应确定是系统软件故障还是应用软件故障。
（7）若是系统软件有故障，可重启动看是否能恢复正常或重新装载系统软件，重新启动后若不能恢复则与系统管理人员或系统厂家联系解决。
（8）若应用软件故障，可检查用户编写的程序和组态的所有数据，找出故障原因。
（9）利用DCS系统的自诊断测试功能。DCS系统的各部份的设计有相应的自诊断功能，在系统发生故障时，一定要充分利用这一功能来分析和判断故障的部位和原因。
在实际应用中，对DCS系统故障要根据实际情况去分析和判断。在实际使用过程中，现场常见的系统硬件故障一般包括如下几方面：
（1）系统模块和元件故障，可能产生的原因是元器件质量不良、使用条件不当、调整不当、错误的接线引入不正常电压而形成的短路等。有时由于现场环境的因素，如温度、湿度、灰尘、振动、冲击、鼠害等原因也会造成系统硬件故障。
（2）线路故障：可能产生的原因是，电缆导线端子、插头损坏或松动造成接触不良，或因接线错误、调试中临时接线、折线或跨接线不当，或因外界腐蚀损坏等。
（3）电源故障：可以产生的原因是供电线路事故，线路负载不匹配可引起系统或局部的电源消失，或电压波动幅度超限，或某元件损坏，或误操作等产生电源故障。
软件故障包括：（1）程序错误，设计、编程和操作都可能出现程序错误，特别是联锁、顺控软件，不少问题是由于工艺过程对控制的要求未被满足而引起的。
（2）组态错误：设计和输入组态数据时发生错误，这可以调出组态数据显示进行检查和修改。
由于DCS系统的都带有自诊断程序，系统能及时对挂在总线上或网络上的各回路及功能模块进行周期诊断。通过诊断，如发现异常现象，其内容就被编成代码或相应的故障提示，经由总线的操作站传递信息，从而在CRT上显示和报告故障发生的位置。通过CRT了解故障情况后，应进一步通过机柜里插卡或者模块上的一系列发光二极管的显示状态，查询不正常状态的故障内容。插卡或模块外部的故障则要逐步检查分析。常用的故障判断方法有：
（1）直接判断法：根据故障现象，范围、特点以及故障发生的记录直接分析判断产生的原因和故障部位，查出故障。
（2）外部检查法：对一些明显的有外部特征的故障，通过外部检查，判断故障部位，如插头松动、断线、碰线、短路、元件发热烧坏、虚焊、脱焊等。有的故障，特别是暂时性故障，可以通过人为摇动，敲击来发现故障。
（3）替换对比法：对有怀疑的故障部件，用备件或同样的插卡或模块进行替换，或相互比较，但要注意，替换前，要先分析排除一些危害性故障，如电源异常、负载短路等引起元件损坏的故障，若不先排除，则替换上的插件或模块会继续损坏。
（4）分段查找法：当故障范围及原因不明时，可对故障相关的部件、线路进行分段，逐段分析检查、测试和替换。
（5）隔离法：可以分段查找法相配合，将某些部位或线路暂时断开，观察故障现象变化情
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况，逐步缩小怀疑对象，最终查出故障部位，进行处理或更换。
对于组态错误，只要确认认为存在组态错误，只要核对组态表格及组态数据，对相应的组态数据进行修改即可，一般不存在困难。另外，充分利用系统厂家提供的故障检查流程图和故障诊断表也是快速诊断和判断处理故障的方法。
通常在实际工作中，经常遇到的DCS系统故障，还有死机、黑屏及通信故障，这些故障通常导致工艺参数不能显示，严重时导致工艺系统停车，如死机故障产生的原因是多方面的，有的是因为操作不当所致，更多的原因是由于模块或插件故障所引起的，如显示器故障。主机故障，通信故障产生的原因多由通信线路、网卡及网络接线器故障所引起。
上述是针对DCS系统采用的故障判断和处理的一些方法，但是，现场故障是千变万化的，在实际处理过程中，要结合实际情况加以分析和处理，同时借助专家故障诊断系统及DCS供应商的技术支持，利用现代网络技术进行远程诊断和处理，已是一种快捷有效的故障判断和处理方法。虽然专家诊断系统还不完善，还在不断的发展中，但对我们进行DCS系统的故障判断和处理是有帮助的。在日常工作中，除了掌握相应的故障判断和处理方法外，更应该加强系统的日常维护，防范系统故障的发生，同时采取相应的管理措施来保证系统的安全可靠，如：加强DCS系统的环境和操作管理，加强防静电措施和良好的屏蔽，控制室要加强防雷措施并应该有安全可靠的接地系统等。
四 结束语：
尽管DCS系统有许多优越性，DCS系统的可靠性已是非常好的，现场出现的多数故障是因为操作不当或由于环境因素而导致发生，虽然对一些关键设备采用了冗余措施，但一旦出现故障，如不及时处理，必然会导致严重后果，甚至会使整个系统崩溃造成整个工艺系统停车。由于DCS系统与常规仪表不同，对维护人员的要求相对高一些。维护人员除了要熟练掌握对常规仪表的处理方法外，对DCS系统的处理方法更应掌握。对DCS系统的组成结构要有相应的了解，同时要知道各功能模块的相应作用。另外对通信、网络、计算机技术要掌握相应的知识。同时，在平时的维护过程中，应加强对系统的管理及对维护人员的系统培训工作，减少人为因素对系统的影响,提高系统安全可靠的运行。
冶金钢铁行业DCS系统安全隔离解决方案
冶金、钢铁行业是我国基础性产业，在一段时期内也曾经成为国民经济的支柱产业。但是目前，钢铁企业的信息化建设中存在着许多象“信息孤岛”、“安全隐患”等问题。
行业背景分析：
在冶金工业自动化过程中， 连铸机结晶器液面控制器、燃烧控制系统、炼钢智能控制系统、轧薄带智能控制系统、高精度板厚控制器 、SCADA系统以及DCS分散控制系统越来越广泛地应用在冶金行业的生产控制过程中； 以高效、高产、优质为目的局部工艺已经实现无人化；可视化技术和监控系统在企业生产、经营活动中正在发挥作用。同时MIS、CIMS、ERP也被广泛应用于企业管理过程中，使企业的生产管理产生了革命化的转变。但是出于对网络安全的考虑，信息流程却处处被阻断，形成一个又一个的信息孤岛。特别是MIS网和DCS网之间的连接，由于担心控制网被攻击，往往将这两个网完全隔离。然而信息化的优势，正在于生产质量监控与管理控制的实时性。这样不仅很不方便，而且也无法及时获得实时的生产信息，极大地影响了管理的效率和质量，以及企业整体竞争
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力的提升。
我为了获取现场的生产信息，许多企业采用拷盘或人力传递的方式传送信息。宝钢流传着这样一个故事。每天凌晨2点，派专人开着吉普车从高炉采集数据，然后送到MIS网，一直到凌晨4点。人工采集不仅极不方便也无法实时地采集到现场的数据。实时采集准确的生产数据并加以控制是钢铁企业信息化面临的难题。
安全风险与技术手段分析：
MIS系统与DCS系统沟通不畅，形成信息孤岛，控制网络的实时数据不能被合理利用，企业有限资源得不到充分利用，形成巨大浪费。如果MIS系统与DCS系统相连，这可以大大减轻人力、还便于管理而且还可以充分利用实时采集的数据对现场采集的数据进行及时的分析和作出正确的决策。
但是MIS系统与DCS系统相连。可能从MIS系统会引入DoS攻击，导致控制网络的瘫痪，可能会造成极为严重的后果和重大的经济损失。如今的互联网，病毒、入侵、系统漏洞、软件后门等网络安全隐患都严重阻碍了行业信息化的发展。一些非法组织更是利用互联网进行犯罪活动，黑客入侵事件变得越来越猖獗，给企业和国家带来的损失和威胁也日益加大。同时，网络也成为国际恐怖分子和网络商业犯罪的温床。如果网络安全得不到保证，必将给行业生产带来严重的威胁，并可能造成政治、经济等各方面的巨大损失。钢铁企业网络信息系统的安全和正常运营，包括其中的生产设备运行安全和信息数据安全，日益成为不可忽视和需重点解决的问题。为了防止这些不安全因素利用管理系统MIS网作为跳板危害控制系统DCS/SCADA，我们必须引入一个万全的安全方案。 解决方案简介：
北京数码星辰科技有限公司依靠强大的技术实力，提出了一种安全传输DCS系统数据到MIC系统的方案。这一方案保证了DCS上的数据实时传送到MIS系统中，而且保证MIS系统的绝对安全。
根据在控制系统的特殊需求，北京数码星辰提出了冶金、钢铁行业控制系统安全解决方案。这一方案的核心：采用了数据单向传输的方式，和自身防护能力极强的宇宙盾控制网专用物理隔离网闸，在DCS和MIS之间建立起来一条单向的，没有返回的信息通道。数据只能从DCS流向MIS，MIS不会有任何数据返回到DCS从从根源切断了一切网络攻击的可能。有效地保证了工业自动化网的安全性。对于一些特殊情况下，要求有少量的信息返回时，我们将对方回的内容作严格的过滤，只允许合法的数据返回到控制网络。
北京数码星辰科技有限公司的这一方案已成功地应用于包括冶金、电力、水处理和化工等诸多行业极大地方便了企业的现代化管理，受到了一致好评。最近，济南钢铁集团在仔细地分析了多种不同的解决方案，北京数码星辰的解决方案脱颖而出，被济南钢铁集团采用，取得了良好的效果。目前这一方案正在更大范围内被采用。
产品名称：DCS输入信号隔离器
信号类型：电压、电流、热电阻温度、热电偶温度等
产品功能：SOC系列信号隔离器采用光电隔离技术,可以有效避免工业现场信号因为对地电势不
同而产生的”串流”干扰;屏蔽电磁场信号的干扰;屏蔽变频器产生的谐波干扰等各
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