《冶金自动化》２０ｌ１年ｓ２
提高控制系统稳定性措施的研究
辛强
（河北钢铁集团宣化钢铁集团有限责任公司检修公司，河北张家口０７５１００）
摘要：通过分析研究影响控制系统稳定的因素，从系统架构、系统接地、系统电源、系统隔离四个方面论证了提高控制系统稳定性的措施。关键词：冗余；过程站；接地；并机
Ｏ
引言
控制系统近年来发展很快，不管是ＤＣＳ（模拟
好的屏蔽及接地。
１．２从工艺设备的重要程度考虑
设备停机不会直接给生产带来损失或出现事故的可以配置最简单的控制系统。不必增加冗余；设备停机会给生产带来一定影响，但不造成很大损失的可以配置到ＣＰＵ冗余、电源冗余、通信冗
量连续控制为主），还是ＰＬＣ（逻辑顺序控制为主），不管是进口设备，还是国产设备，就其稳定性来说，在环境比较好的地方基本都能满足要求，而到了特殊场合，受环境因素的影响，不同程度地会发生这样那样的问题。特别是在钢厂，环境多数情况下比较恶劣，由于各种气体的腐蚀、噪声、高温、粉尘、易燃气体、电磁干扰等对控制系统的影响，对控制系统本身及外围设备的要求越来越高。通过近二十年来对钢厂控制系统的维护，本文总结了提高控制系统稳定性的成功措施。
１
余；设备停机会给生产带来较大损失或造成事故，
应考虑Ｌ／Ｏ点冗余。控制系统的分配要依据工艺，按工艺或重要设备配置过程站，不同的工艺分配不同的过程站，或者将重点设备及其备用设备分配给不同的过程站，这样可以实现一部分工艺设备停机不影响另一部分，或者是重点设备停机，备用机可用，最大限度降低给生产带来的损失。１．３从长远性考虑
系统架构
控制系统的架构不是越复杂越好，而是要从
经济实用、稳定以及事故状态下造成的影响及损失的大小等方面全局考虑。控制系统的配置从简
控制系统越稳定，使用的时间越长，故障率越
低，给生产带来的影响越小，效益也就越好。还要考虑Ｉ／Ｏ应留有一定数量的余量，以备工艺完善时增加点，如果没有余量实现起来将会比较困难。另外，应考虑备品备件的来源问题，要保证备品备件能够长期供应，不要刚投入运行设备就更新换
单配置到ＣＰＵ（中央处理器）冗余、电源冗余、通信
冗余，甚至到Ｉ／Ｏ点冗余都可以做到。但是不管怎么冗余，它都有致命弱点，有公共的事故状态下
需要判断切换的部分，如果这部分出现问题，还是
会造成停机，影响正常的生产，甚至造成事故。所以，控制系统的配置不是越庞大越好，越大它可能发生故障的部位就会越多，有时不但没有降低故
代了，没有了备品备件的来源是不能容忍的。要
留有可以扩展的接口或者是上级管理的接口。以备企业发展的需要。
２
障率，反而将故障率提高了。配置控制系统要遵
循以下几个原则。１．１从应用环境考虑
有腐蚀性气体场所要考虑控制系统各种卡件要采取防腐措施，噪声高场所应采取隔离措施，高温场所要考虑通风及降温，粉尘大及易燃气体场所要考虑防尘防爆，电磁干扰大的场所要考虑良
收稿日期：２０１１・０５－２０
系统接地
影响控制系统稳定的最大因素是电磁干扰，
很多时候控制系统停机找不到原因，重起后又正常，这种不确定性原因很难查找，给我们的生产及维修带来很大困难。究其原因，从国内外看，专门
讲控制系统屏蔽接地的文章很多，数字地、模拟
地、保护地、防雷接地等，但是按标准规范施工的
作者简介：辛强（１９７１－），男。河北蔚县人．工程师，主要从事电气自动化维修管理工作。・７９０・
《冶金自动４Ｅ｝２０１１年ｓ２
却很少，再加上偷工减料，技改、检修时乱拆乱接等，干扰信号通过线路传到控制系统造成停机，又不容易查到，给系统带来引患。实际上，做到以下几点，系统抗干扰能力会有很大提高。２．１控制系统接地方式
系统采用一个主接地，接地电阻为４ｎ以下，并设主接地汇流排，分支接地也设汇流排，并接到主接地汇流排上，分支可以再加分支，各系统柜内
数字地、模拟地、保护地都接到分支接地汇流排
上，接地电缆保证足够的线径，牢固、可靠接地，形成树形的接地网，使各控制柜形成一个等电位。带有远程控制站的系统，各远程控制站要就近重新做地，就近接地，切记将分支地线拉的太远，这样由于两点间的电位差，将会形成环路电流，如果设备很多，特别是变频设备很多时，这个环路电流会非常大，直接影响控制系统的稳定运行。图ｌ所示为控制系统树形接地网原理图。
接地线
图１控制系统树形接地网原理图
２．２信号电缆屏蔽接地
信号电缆要与动力电缆分桥架布置，有条件的情况下与动力电缆走不同的路由。桥架尽可能使用金属桥架，支撑要用镀锌扁钢连接接地，并每隔一段与桥架焊接，信号电缆采用屏蔽电缆，在控制系统侧屏蔽单端接地，接地要牢固可靠。２．３通信电缆接地
通信电缆如ＤＰ总线电缆，要采用屏蔽电缆，单端接地，并单独穿管，管线接地，距离大于１００ｍ
时，尽可能采用光缆。２．４变频器动力电缆接地
与变频器控制电动机相连的电缆应根据生产商提供的安全说明进行保护，如果电缆很长，应当使用接地的屏蔽电缆。
３
系统电源
控制系统对供电电源要求很高，如果电源配
置不合理，电压波动或电源故障将会直接造成控
制系统的停机，导致生产停顿。为提高控制系统
的稳定性，应选用稳定性好的ＵＰＳ（不问断电源）
电源为控制系统供电。目前ＵＰＳ电源分为两类，
一类是高频机，主要用于商业；一类是工频机，稳定性要高，主要用于工业。对于ＵＰＳ电源的要求一是宽的输入电压，二是长的过载延时时间。控制系统的ＵＰＳ电源配置应遵循以下原则。３．１小系统电源配置
对于较小的控制系统或对于生产影响不大的场合，选用单台ＵＰＳ电源供电即可。３．２较大系统电源配置
对于较大的控制系统或对于生产有一定影响的场合，选用单台ＵＰｓ电源，ＵＰＳ电源可接两路输入一路输出；对于要求更高一点的场合，还可以加一路市电作为备用，用一个互投开关实现ＵＰＳ电源与市电之间自动切换。３．３大系统电源配置
对于大的控制系统或生产重要的场合，可选用两台ＵＰＳ电源，每台ＵＰＳ电源两路输入供电，输出用一个互投开关实现两台ＵＰＳ电源之间自动切换。或者一台ＵＰＳ电源的输出作为另一台ＵＰＳ的旁路输人，构成１：ｌ冗余供电方式。正常运行时，负载由主ＵＰＳ电源承担，从ＵＰＳ电源作为主ＵＰＳ电源的旁路输入处于待机状态；当主ＵＰＳ电源发
生故障，由主路切到旁路供电时，从ＵＰＳ电源才承
担负载，提供非常纯净的电源，可不间断供电，保证旁路供电不受电网电压波动对ＤＣＳ系统的影响。图２为ＵＰＳ电源１：１冗余原理图。
市电一（主路）
图２
ＵＰＳ电源１：１冗余原理图
３．４特殊场合电源配置
对于生产特别重要的场合，可选用两台ＵＰＳ电源并机的方式供电，每台ＵＰＳ电源两路输入供电。正常运行时，两台ＵＰＳ热备运行，各承担５０％负载；如果其中一台ＵＰＳ遇到故障，该ＵＰＳ将自动脱离并机系统，由另外一台ＵＰＳ承担全部负载，提供持续、稳定、可靠的供电，不会因为某台
・７９Ｉ・
《冶金自动化》２０ｌ１年ｓ２
ＵＰＳ有故障而引起系统断电。如果是单机运行方
式，ＵＰＳ一旦出现严重故障，有可能导致系统断
电，将引起严重的事故和重大的经济损失。采用并机运行方式，系统稳定性高，安全性高。图３为
ＵＰＳ电源并机原理图。
图３
ｕＰｓ电源并机原理图
４系统隔离
影响控制系统稳定性的另一因素就是外围设
备。外围设备通过线路将干扰信号传给控制系
统，造成控制系统不稳定，最好采用隔离的方法，把控制系统受外界的干扰降到最低。具体有以下几种隔离方法，可根据控制系统应用的环境适当选择。
４．１模拟量信号的隔离
采用抗干扰比较强的模拟量、温度以及其他信号的隔离器、信号转换器，将干扰信号与控制系统隔离。
４．２开关量信号的隔离
开关量信号尽可能采用继电器隔离，或者采用隔离开关放大器，将现场电源与系统电源彻底分开，形成物理上的隔离，做到系统电源不到现
・７９２・
场，可大大提高控制系统的稳定性。
５结论
本文多角度分析了造成控制系统不稳定的原因，并从环境、重要程度、电源配置及抗干扰等多
方面论述了提高控制系统稳定性的措施，对重工
业企业自动控制系统的选型、安装、维修、技改具有指导意义。
（１）环境是导致控制系统不稳定的重要因素，改善环境是提高控制系统稳定性的前提。
（２）合理配置控制系统的架构，可以有效降低
控制系统的停机率。
（３）规范控制系统地线及线路屏蔽，可以增强
控制系统抗干扰的能力。
（４）控制系统采用隔离措施，可以降低控制系统的故障率。参考文献：
［１］王常力，罗安．集散型控制系统的选型与应用［Ｍ］．
北京：清华大学出版社，１９９６．
［２］廖芳芳．ＤＣＳ系统设计及先进控制在ＤＣＳ系统中应用
探讨［Ｄ］．成都：西南交通大学，２００５．
［３］王其英，刘秀荣．新型不停电电源（ＵＰＳ）的管理使用与
维护［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２００５．
［４］李成章．新型ＵＰＳ不间断电源原理与维修技术［Ｍ］．北
京：电子工业出版社，１９９５．
［５］ＤＬ／Ｔ５１６１－２００２，电气装置安装工程质量检验及评定规
程［Ｓ］．
［６］ＧＢ５０１６９－９２，电气装置安装工程接地装置施工及验收
规范［ｓ］．
［编辑：赵晓坦］
提高控制系统稳定性措施的研究
作者：作者单位：
辛强
河北钢铁集团宣化钢铁集团有限责任公司检修公司，河北张家口 075100
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_7534926.aspx
《冶金自动化》２０ｌ１年ｓ２
提高控制系统稳定性措施的研究
辛强
（河北钢铁集团宣化钢铁集团有限责任公司检修公司，河北张家口０７５１００）
摘要：通过分析研究影响控制系统稳定的因素，从系统架构、系统接地、系统电源、系统隔离四个方面论证了提高控制系统稳定性的措施。关键词：冗余；过程站；接地；并机
Ｏ
引言
控制系统近年来发展很快，不管是ＤＣＳ（模拟
好的屏蔽及接地。
１．２从工艺设备的重要程度考虑
设备停机不会直接给生产带来损失或出现事故的可以配置最简单的控制系统。不必增加冗余；设备停机会给生产带来一定影响，但不造成很大损失的可以配置到ＣＰＵ冗余、电源冗余、通信冗
量连续控制为主），还是ＰＬＣ（逻辑顺序控制为主），不管是进口设备，还是国产设备，就其稳定性来说，在环境比较好的地方基本都能满足要求，而到了特殊场合，受环境因素的影响，不同程度地会发生这样那样的问题。特别是在钢厂，环境多数情况下比较恶劣，由于各种气体的腐蚀、噪声、高温、粉尘、易燃气体、电磁干扰等对控制系统的影响，对控制系统本身及外围设备的要求越来越高。通过近二十年来对钢厂控制系统的维护，本文总结了提高控制系统稳定性的成功措施。
１
余；设备停机会给生产带来较大损失或造成事故，
应考虑Ｌ／Ｏ点冗余。控制系统的分配要依据工艺，按工艺或重要设备配置过程站，不同的工艺分配不同的过程站，或者将重点设备及其备用设备分配给不同的过程站，这样可以实现一部分工艺设备停机不影响另一部分，或者是重点设备停机，备用机可用，最大限度降低给生产带来的损失。１．３从长远性考虑
系统架构
控制系统的架构不是越复杂越好，而是要从
经济实用、稳定以及事故状态下造成的影响及损失的大小等方面全局考虑。控制系统的配置从简
控制系统越稳定，使用的时间越长，故障率越
低，给生产带来的影响越小，效益也就越好。还要考虑Ｉ／Ｏ应留有一定数量的余量，以备工艺完善时增加点，如果没有余量实现起来将会比较困难。另外，应考虑备品备件的来源问题，要保证备品备件能够长期供应，不要刚投入运行设备就更新换
单配置到ＣＰＵ（中央处理器）冗余、电源冗余、通信
冗余，甚至到Ｉ／Ｏ点冗余都可以做到。但是不管怎么冗余，它都有致命弱点，有公共的事故状态下
需要判断切换的部分，如果这部分出现问题，还是
会造成停机，影响正常的生产，甚至造成事故。所以，控制系统的配置不是越庞大越好，越大它可能发生故障的部位就会越多，有时不但没有降低故
代了，没有了备品备件的来源是不能容忍的。要
留有可以扩展的接口或者是上级管理的接口。以备企业发展的需要。
２
障率，反而将故障率提高了。配置控制系统要遵
循以下几个原则。１．１从应用环境考虑
有腐蚀性气体场所要考虑控制系统各种卡件要采取防腐措施，噪声高场所应采取隔离措施，高温场所要考虑通风及降温，粉尘大及易燃气体场所要考虑防尘防爆，电磁干扰大的场所要考虑良
收稿日期：２０１１・０５－２０
系统接地
影响控制系统稳定的最大因素是电磁干扰，
很多时候控制系统停机找不到原因，重起后又正常，这种不确定性原因很难查找，给我们的生产及维修带来很大困难。究其原因，从国内外看，专门
讲控制系统屏蔽接地的文章很多，数字地、模拟
地、保护地、防雷接地等，但是按标准规范施工的
作者简介：辛强（１９７１－），男。河北蔚县人．工程师，主要从事电气自动化维修管理工作。・７９０・
《冶金自动４Ｅ｝２０１１年ｓ２
却很少，再加上偷工减料，技改、检修时乱拆乱接等，干扰信号通过线路传到控制系统造成停机，又不容易查到，给系统带来引患。实际上，做到以下几点，系统抗干扰能力会有很大提高。２．１控制系统接地方式
系统采用一个主接地，接地电阻为４ｎ以下，并设主接地汇流排，分支接地也设汇流排，并接到主接地汇流排上，分支可以再加分支，各系统柜内
数字地、模拟地、保护地都接到分支接地汇流排
上，接地电缆保证足够的线径，牢固、可靠接地，形成树形的接地网，使各控制柜形成一个等电位。带有远程控制站的系统，各远程控制站要就近重新做地，就近接地，切记将分支地线拉的太远，这样由于两点间的电位差，将会形成环路电流，如果设备很多，特别是变频设备很多时，这个环路电流会非常大，直接影响控制系统的稳定运行。图ｌ所示为控制系统树形接地网原理图。
接地线
图１控制系统树形接地网原理图
２．２信号电缆屏蔽接地
信号电缆要与动力电缆分桥架布置，有条件的情况下与动力电缆走不同的路由。桥架尽可能使用金属桥架，支撑要用镀锌扁钢连接接地，并每隔一段与桥架焊接，信号电缆采用屏蔽电缆，在控制系统侧屏蔽单端接地，接地要牢固可靠。２．３通信电缆接地
通信电缆如ＤＰ总线电缆，要采用屏蔽电缆，单端接地，并单独穿管，管线接地，距离大于１００ｍ
时，尽可能采用光缆。２．４变频器动力电缆接地
与变频器控制电动机相连的电缆应根据生产商提供的安全说明进行保护，如果电缆很长，应当使用接地的屏蔽电缆。
３
系统电源
控制系统对供电电源要求很高，如果电源配
置不合理，电压波动或电源故障将会直接造成控
制系统的停机，导致生产停顿。为提高控制系统
的稳定性，应选用稳定性好的ＵＰＳ（不问断电源）
电源为控制系统供电。目前ＵＰＳ电源分为两类，
一类是高频机，主要用于商业；一类是工频机，稳定性要高，主要用于工业。对于ＵＰＳ电源的要求一是宽的输入电压，二是长的过载延时时间。控制系统的ＵＰＳ电源配置应遵循以下原则。３．１小系统电源配置
对于较小的控制系统或对于生产影响不大的场合，选用单台ＵＰＳ电源供电即可。３．２较大系统电源配置
对于较大的控制系统或对于生产有一定影响的场合，选用单台ＵＰｓ电源，ＵＰＳ电源可接两路输入一路输出；对于要求更高一点的场合，还可以加一路市电作为备用，用一个互投开关实现ＵＰＳ电源与市电之间自动切换。３．３大系统电源配置
对于大的控制系统或生产重要的场合，可选用两台ＵＰＳ电源，每台ＵＰＳ电源两路输入供电，输出用一个互投开关实现两台ＵＰＳ电源之间自动切换。或者一台ＵＰＳ电源的输出作为另一台ＵＰＳ的旁路输人，构成１：ｌ冗余供电方式。正常运行时，负载由主ＵＰＳ电源承担，从ＵＰＳ电源作为主ＵＰＳ电源的旁路输入处于待机状态；当主ＵＰＳ电源发
生故障，由主路切到旁路供电时，从ＵＰＳ电源才承
担负载，提供非常纯净的电源，可不间断供电，保证旁路供电不受电网电压波动对ＤＣＳ系统的影响。图２为ＵＰＳ电源１：１冗余原理图。
市电一（主路）
图２
ＵＰＳ电源１：１冗余原理图
３．４特殊场合电源配置
对于生产特别重要的场合，可选用两台ＵＰＳ电源并机的方式供电，每台ＵＰＳ电源两路输入供电。正常运行时，两台ＵＰＳ热备运行，各承担５０％负载；如果其中一台ＵＰＳ遇到故障，该ＵＰＳ将自动脱离并机系统，由另外一台ＵＰＳ承担全部负载，提供持续、稳定、可靠的供电，不会因为某台
・７９Ｉ・
《冶金自动化》２０ｌ１年ｓ２
ＵＰＳ有故障而引起系统断电。如果是单机运行方
式，ＵＰＳ一旦出现严重故障，有可能导致系统断
电，将引起严重的事故和重大的经济损失。采用并机运行方式，系统稳定性高，安全性高。图３为
ＵＰＳ电源并机原理图。
图３
ｕＰｓ电源并机原理图
４系统隔离
影响控制系统稳定性的另一因素就是外围设
备。外围设备通过线路将干扰信号传给控制系
统，造成控制系统不稳定，最好采用隔离的方法，把控制系统受外界的干扰降到最低。具体有以下几种隔离方法，可根据控制系统应用的环境适当选择。
４．１模拟量信号的隔离
采用抗干扰比较强的模拟量、温度以及其他信号的隔离器、信号转换器，将干扰信号与控制系统隔离。
４．２开关量信号的隔离
开关量信号尽可能采用继电器隔离，或者采用隔离开关放大器，将现场电源与系统电源彻底分开，形成物理上的隔离，做到系统电源不到现
・７９２・
场，可大大提高控制系统的稳定性。
５结论
本文多角度分析了造成控制系统不稳定的原因，并从环境、重要程度、电源配置及抗干扰等多
方面论述了提高控制系统稳定性的措施，对重工
业企业自动控制系统的选型、安装、维修、技改具有指导意义。
（１）环境是导致控制系统不稳定的重要因素，改善环境是提高控制系统稳定性的前提。
（２）合理配置控制系统的架构，可以有效降低
控制系统的停机率。
（３）规范控制系统地线及线路屏蔽，可以增强
控制系统抗干扰的能力。
（４）控制系统采用隔离措施，可以降低控制系统的故障率。参考文献：
［１］王常力，罗安．集散型控制系统的选型与应用［Ｍ］．
北京：清华大学出版社，１９９６．
［２］廖芳芳．ＤＣＳ系统设计及先进控制在ＤＣＳ系统中应用
探讨［Ｄ］．成都：西南交通大学，２００５．
［３］王其英，刘秀荣．新型不停电电源（ＵＰＳ）的管理使用与
维护［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２００５．
［４］李成章．新型ＵＰＳ不间断电源原理与维修技术［Ｍ］．北
京：电子工业出版社，１９９５．
［５］ＤＬ／Ｔ５１６１－２００２，电气装置安装工程质量检验及评定规
程［Ｓ］．
［６］ＧＢ５０１６９－９２，电气装置安装工程接地装置施工及验收
规范［ｓ］．
［编辑：赵晓坦］
提高控制系统稳定性措施的研究
作者：作者单位：
辛强
河北钢铁集团宣化钢铁集团有限责任公司检修公司，河北张家口 075100
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_7534926.aspx