1、1控制室控制室环境对控制系统的影响环境对控制系统的影响徐义亨徐义亨 编编20112011年年4 4月月 21 1概述概述1.1 1.1 问题的提出问题的提出 1）根据）根据IEC标准标准可编程序控制器（可编程序控制器（IEC 61131），影响控，影响控制系统工作的条件如下表所示。控制室的设计就是在允许的经济条制系统工作的条件如下表所示。控制室的设计就是在允许的经济条件下，件下，给给DCS的运行提供一个良好的工作条件。的运行提供一个良好的工作条件。3 2）控制室也是）控制室也是操作人员的工作场所操作人员的工作场所，它的设计也应该符合人，它的设计也应该符合人体物理学、心理学、人体工程学的特征，为
2、操作人员的工作创造一体物理学、心理学、人体工程学的特征，为操作人员的工作创造一个适宜的环境。个适宜的环境。3）控制室又是生产装置的一个部分，）控制室又是生产装置的一个部分，它应该保证人它应该保证人-机交互机交互作用下生产监控操作能够安全、有效。作用下生产监控操作能够安全、有效。本讲主要内容系针对控制室的抗干扰设计，干扰包括自然环境本讲主要内容系针对控制室的抗干扰设计，干扰包括自然环境条件、电气工作条件和机械工作条件等。条件、电气工作条件和机械工作条件等。电气工作条件中的供电、接地分别在专门的讲座里讨论。电气工作条件中的供电、接地分别在专门的讲座里讨论。机械工作条件应包括振动、冲击和自由跌落，机
3、械工作条件应包括振动、冲击和自由跌落，本讲座重点讨论本讲座重点讨论振动。振动。42 2 控制室的环境气候条件控制室的环境气候条件2.1 2.1 环境气候条件对环境气候条件对DCSDCS的影响的影响 DCS受环境影响而失效或性能降低，往往是由于下列的环境气受环境影响而失效或性能降低，往往是由于下列的环境气候条件导致内部元器件性能衰退。候条件导致内部元器件性能衰退。A.低温低温 温度过低，影响电子元器件的电性能，元器件的塑料温度过低，影响电子元器件的电性能，元器件的塑料封装材料也容易封装材料也容易脆化脆化。B.高温高温 容易造成电子元器件绝缘容易造成电子元器件绝缘老化老化、性能变坏，材料容易、性能
4、变坏，材料容易变形，尺寸改变以致活动件卡死。变形，尺寸改变以致活动件卡死。对模拟量卡件，温度每变化对模拟量卡件，温度每变化10度，精度将降低度，精度将降低0.1%。对。对DCS元器件的元器件的表面温升表面温升，在有些标准里（如富士），在有些标准里（如富士）规定不得超过规定不得超过20摄氏摄氏度。度。C.温度变化率温度变化率 过大的温度变化率因元器件的过大的温度变化率因元器件的胀缩胀缩导致引力、导致引力、变形、开裂、密封失效及保护层脱落。变形、开裂、密封失效及保护层脱落。5 D.湿度湿度 若相对湿度超过若相对湿度超过65%，就会在物体表面形成一层水膜，就会在物体表面形成一层水膜，使使绝缘劣化绝缘
5、劣化；潮湿会加快腐蚀。相对湿度太低合成材料容易变脆、；潮湿会加快腐蚀。相对湿度太低合成材料容易变脆、收缩、表面龟裂；绝缘材料表面容易积累静电。收缩、表面龟裂；绝缘材料表面容易积累静电。E.阳光辐射阳光辐射 阳光辐射中的红外线使物体升温，材料阳光辐射中的红外线使物体升温，材料老化老化，寿，寿命缩短，紫外线不但对有机物有加速老化的作用，在有氧和水时，命缩短，紫外线不但对有机物有加速老化的作用，在有氧和水时，对绝缘材料和有机涂料也有劣化作用。对绝缘材料和有机涂料也有劣化作用。F.大气压力大气压力 大气压力降低时，大气压力降低时，空气绝缘强度下降空气绝缘强度下降，海拔每升，海拔每升高高100m，绝缘强
6、度将降低，绝缘强度将降低1%；大气压力降低时，空气的热容量；大气压力降低时，空气的热容量减小，因而对减小，因而对DCS系统内的发热元件的冷却能力下降，海拔每升高系统内的发热元件的冷却能力下降，海拔每升高100m，元器件温升增加，元器件温升增加0.2-1摄氏度。摄氏度。此外海拔高了对此外海拔高了对电解电容的性能电解电容的性能有影响。因为海拔高，压力小，有影响。因为海拔高，压力小，设备中的电解电容因介质损耗而发热，设备中的电解电容因介质损耗而发热，内部压力大内部压力大,外部压力小就外部压力小就容易爆裂容易爆裂。如果电容发热不大，降额裕度大，一般可以避免这个问。如果电容发热不大，降额裕度大，一般可以
7、避免这个问题。题。62.2 标准规定的环境气候条件标准规定的环境气候条件 如果我们将控制室看成是如果我们将控制室看成是“GB/T 17214.1-1998（idt IEC 654-1:1993)工业过程测量和控制装置工作条件工业过程测量和控制装置工作条件 第第1部分：气候条件部分：气候条件”中规定的属于中规定的属于“有气候防护的场所有气候防护的场所”中的中的B1级：升温和（或）降温级：升温和（或）降温的封闭场所，那么其气候条件参数和严酷度应满足下表所示。的封闭场所，那么其气候条件参数和严酷度应满足下表所示。注：表中红字为“HG/T 20508-2000 控制室设计规定”。72.3 2.3 控制
8、室设计应采取的对策控制室设计应采取的对策 1 1）控制室宜）控制室宜座北朝南座北朝南，其次是朝北或朝东，不宜朝西，如不，其次是朝北或朝东，不宜朝西，如不能避免时，应采取遮阳措施。能避免时，应采取遮阳措施。2 2）操作室和机柜室）操作室和机柜室不宜开窗不宜开窗或只开少量双层密封金属窗。或只开少量双层密封金属窗。3 3）控制室应采用）控制室应采用空气调节空气调节，并应设置门斗或前室。，并应设置门斗或前室。4 4）控制室内气流组织，应根据空气调节设计规范并结合现场）控制室内气流组织，应根据空气调节设计规范并结合现场实际情况确定。对设备布置密度大、设备发热量大的机柜间通风宜实际情况确定。对设备布置密度
9、大、设备发热量大的机柜间通风宜采用活动地板下送上方式；其出口风速不应大于采用活动地板下送上方式；其出口风速不应大于3m/s.3m/83 3 控制室的空气洁净条件控制室的空气洁净条件3.1 3.1 空气洁净条件对空气洁净条件对DCSDCS的影响的影响 污染物对污染物对DCS的影响是与浓度、温度和暴露时间成正比的，并的影响是与浓度、温度和暴露时间成正比的，并往往因湿度的增加而加剧。往往因湿度的增加而加剧。A.盐雾等腐蚀气氛盐雾等腐蚀气氛 会引起对金属的强烈腐蚀。由于氯离子半会引起对金属的强烈腐蚀。由于氯离子半径极小，很容易穿透保护涂层到底部，又很容易被受潮金属表面所径极小，很容易穿透保护涂层到底部
10、，又很容易被受潮金属表面所吸附，所以对其要求更严格。此外，硫化氢能迅速腐蚀铜、银和铁吸附，所以对其要求更严格。此外，硫化氢能迅速腐蚀铜、银和铁合金，二氧化硫同样对合金，二氧化硫同样对DCS也有腐蚀作用。也有腐蚀作用。B.灰尘与沙尘灰尘与沙尘 灰尘是指直径灰尘是指直径1-150um的颗粒，沙尘是指直的颗粒，沙尘是指直径径100-1000um的颗粒。灰尘与沙尘对的颗粒。灰尘与沙尘对DCS设备的机械冲刷造成设备的机械冲刷造成磨损；沉降在绝缘表面后磨损；沉降在绝缘表面后吸潮而降低绝缘性能吸潮而降低绝缘性能；吸潮或吸附腐蚀性吸潮或吸附腐蚀性气体而加速化学腐蚀。气体而加速化学腐蚀。93.2 IEC标准对反
11、应性环境（腐蚀气氛）的分级方法标准对反应性环境（腐蚀气氛）的分级方法 根据污染物和铜起反应的速率来确定工业环境的严酷度。这种根据污染物和铜起反应的速率来确定工业环境的严酷度。这种方法需要将事先制备好的铜试样放置到被监测场所，经一定暴露时方法需要将事先制备好的铜试样放置到被监测场所，经一定暴露时间（间（1个月）后，对铜试样进行腐蚀膜厚度的测定或外观检查，而个月）后，对铜试样进行腐蚀膜厚度的测定或外观检查，而后可以按下表中三种严酷度进行分级。后可以按下表中三种严酷度进行分级。对对DCS而言，由于存在大量的铜质线路板，为了避免腐蚀对其而言，由于存在大量的铜质线路板，为了避免腐蚀对其性能的影响，性能的
12、影响，所以控制室的反应性环境要求应按所以控制室的反应性环境要求应按1级进行设计级进行设计，即，即为受严格控制的环境。为受严格控制的环境。103.3 IEC标准对标准对1级（工业清洁空气）控制室内的腐蚀气氛要求级（工业清洁空气）控制室内的腐蚀气氛要求注：1）单位ppm为立方厘米/立方米；2）本要求引自“JB/T 9237.1-1999（EQV IEC 654-4:1987)工业自动化仪表工作条件 腐蚀和侵蚀影响”。113.4 3.4 控制室内的空气含尘量要求控制室内的空气含尘量要求 根据根据电工电子产品应用环境条件（电工电子产品应用环境条件（GB 4798.1）和和过程测量过程测量和控制系统环境
13、条件空气中的污染物（和控制系统环境条件空气中的污染物（ISA S71.04）的规定，的规定，控制控制室内含尘量应小于室内含尘量应小于0.2毫克毫克/立方米立方米（粒径小于（粒径小于10微米）。微米）。3.5 控制室设计应采取的对策控制室设计应采取的对策 1）在有腐蚀性介质或尘埃的生产装置内，控制室宜布置在本地）在有腐蚀性介质或尘埃的生产装置内，控制室宜布置在本地区常年区常年最小频率风向的下风侧最小频率风向的下风侧或全年或全年主导风向的上风侧主导风向的上风侧。2）控制室不应直接位于有腐蚀性液体的楼层下，不应与有腐蚀）控制室不应直接位于有腐蚀性液体的楼层下，不应与有腐蚀性生产的厂房直接相通，也不应
14、与化学药品库、化验室毗邻布置。性生产的厂房直接相通，也不应与化学药品库、化验室毗邻布置。3）控制室内不得安装有腐蚀性介质的在线分析一次仪表。）控制室内不得安装有腐蚀性介质的在线分析一次仪表。12 4）控制室地面应平整、光洁，不起灰尘；墙面应平整，不积）控制室地面应平整、光洁，不起灰尘；墙面应平整，不积灰，易于清洁；窗户应采用金属窗，并应有良好的气密性。灰，易于清洁；窗户应采用金属窗，并应有良好的气密性。5）控制室不宜设在工厂主要）控制室不宜设在工厂主要交通干道旁边交通干道旁边，以防扬尘的危害。，以防扬尘的危害。6）对灰尘量较大的生产装置，为了防尘，控制室可以采用清）对灰尘量较大的生产装置，为了
15、防尘，控制室可以采用清洁空气的正压通风系统，它应满足：洁空气的正压通风系统，它应满足：A.室内门窗关闭时，压力不低于室内门窗关闭时，压力不低于25Pa；B.室内门窗全开时，通过门窗的气流速度不低于室内门窗全开时，通过门窗的气流速度不低于0.3m/s；C.正压通风系统发生故障时，应发出报警；正压通风系统发生故障时，应发出报警；D.正压通风系统的电源应采用独立的电源回路。正压通风系统的电源应采用独立的电源回路。134 4 控制室的机械工作条件控制室的机械工作条件振动振动 机械工作条件应包括振动、冲击和自由跌落。冲击和自由跌落机械工作条件应包括振动、冲击和自由跌落。冲击和自由跌落一般发生在设备的运输
16、和安装过程中，因本讲座是相对于控制室的一般发生在设备的运输和安装过程中，因本讲座是相对于控制室的防干扰，故只讨论振动。防干扰，故只讨论振动。4.1 振动对控制系统的影响振动对控制系统的影响 振动是交变的机械外力振动是交变的机械外力。如果控制系统的安装地点附近有强烈。如果控制系统的安装地点附近有强烈振动的设备，例如球磨机、粉碎机、搅拌机，重型机床设备，它们振动的设备，例如球磨机、粉碎机、搅拌机，重型机床设备，它们产生的机械力会通过支架和地面传到控制系统，影响控制系统的工产生的机械力会通过支架和地面传到控制系统，影响控制系统的工作，长时间的机械振动力作用对控制系统的危害十分严重。具体表作，长时间的
17、机械振动力作用对控制系统的危害十分严重。具体表现在如下几个方面。现在如下几个方面。14 1）高频率、高加速度的振动能）高频率、高加速度的振动能损坏集成电路的内部接头损坏集成电路的内部接头。2）继电器是控制系统中）继电器是控制系统中最不耐振动的部件最不耐振动的部件，它的簧片在振动时，它的簧片在振动时很容易发出错误的通断信号，或者由于疲劳而损坏。很容易发出错误的通断信号，或者由于疲劳而损坏。3）振动可以）振动可以使零件疲劳使零件疲劳，出现裂缝，强度下降。当振动频率同，出现裂缝，强度下降。当振动频率同于零部件的固有频率时，会发生谐振，振幅显著增大，容易招致严于零部件的固有频率时，会发生谐振，振幅显著
18、增大，容易招致严重破坏。重破坏。4）振动还可以使插接件松动，接触面磨损，粘接面脱落。）振动还可以使插接件松动，接触面磨损，粘接面脱落。5）振动将）振动将使永磁零件退磁使永磁零件退磁，压电元件产生有害的电信号，开关，压电元件产生有害的电信号，开关和电位器接触不良。和电位器接触不良。6）控制系统中的易碎器件，如）控制系统中的易碎器件，如CRT显示管、光学零件、数码管显示管、光学零件、数码管更经不起强烈的振动。更经不起强烈的振动。154.2 4.2 振动的限制条件振动的限制条件 控制室地面振动的幅度、频率和加速度应该满足控制室地面振动的幅度、频率和加速度应该满足DCSDCS制造商提出制造商提出的限制
19、条件。的限制条件。根据根据“GB/T 18271.3-2000GB/T 18271.3-2000过程测量和控制装置通用性能评定方过程测量和控制装置通用性能评定方法法和程序和程序 第第3 3部分：影响量影响的试验部分：影响量影响的试验”，DCSDCS应低于如下表所示的振应低于如下表所示的振动动条件。条件。如果如果AIAI模块的精确度为模块的精确度为a,a,在这样的振动条件下，模拟量的示值在这样的振动条件下，模拟量的示值变化如小于变化如小于0.5a%F.S0.5a%F.S是允许的。是允许的。频率范围频率范围HZ位移峰幅值位移峰幅值 mm加速度加速度 g10-16 但不同的但不同的DCSDCS制造商
20、对控制室会提出不同的振动要求，见下表。制造商对控制室会提出不同的振动要求，见下表。制造商制造商频率范围频率范围HZHZ加速度加速度 g g位移峰幅值位移峰幅值 mmmmHoneywellHoneywell14-15014-1501 12.52.5横河横河小于小于14140.50.5大于大于1414小于小于0.20.2RosemountRosemount30-6030-600.20.20.750.753-1003-1000.50.5FisherFisher5-7.115-7.110.50.57.11-1507.11-174.34.3 控制室设计应采取的对策控制室设计应采取的对策 1 1）控制室的
21、建筑结构设计，应使其的振动条件低于前述标准的）控制室的建筑结构设计，应使其的振动条件低于前述标准的规定。规定。2 2）控制室宜单独设置。当组成综合建筑物时，控制室宜设在一）控制室宜单独设置。当组成综合建筑物时，控制室宜设在一层平面，避免设在振动较大的场所（如泵房、球磨机房、压缩机房层平面，避免设在振动较大的场所（如泵房、球磨机房、压缩机房的附近）。的附近）。3 3）控制室不宜设在工厂主要交通干道旁边，以免车辆振动的影）控制室不宜设在工厂主要交通干道旁边，以免车辆振动的影响。如不能避免，控制室最外边轴线距主干道中心的距离不应小于响。如不能避免，控制室最外边轴线距主干道中心的距离不应小于2020米
22、。米。4 4）控制室地面为水磨石时，机柜应通过地脚螺钉或其它予埋件）控制室地面为水磨石时，机柜应通过地脚螺钉或其它予埋件的方式固定。的方式固定。5 5）控制室地面为活动地板时，机柜应固定在型钢制作的支撑架）控制室地面为活动地板时，机柜应固定在型钢制作的支撑架上，该支撑架固定在基础地面上。上，该支撑架固定在基础地面上。184.4 4.4 控制柜的抗震要求控制柜的抗震要求 控制系统还可能会受到来源于地震的影响，这种影响的大小不控制系统还可能会受到来源于地震的影响，这种影响的大小不仅取决于地震本身的强弱，而且还与安装装置的建筑物、管道或厂仅取决于地震本身的强弱，而且还与安装装置的建筑物、管道或厂房的
23、结构有关。一般而言，房的结构有关。一般而言，地震的频率很低，很少超过地震的频率很低，很少超过10Hz10Hz，所以，所以甚至在很低的加速度下，都能达到很大的运动振幅甚至在很低的加速度下，都能达到很大的运动振幅。其次，发生地。其次，发生地震时，既有水平方向的振动，也有垂直方向的振动。垂直方向的振震时，既有水平方向的振动，也有垂直方向的振动。垂直方向的振动影响通常可取水平方向影响的一半。动影响通常可取水平方向影响的一半。在有些行业里（如核电）往往会对控制系统会提出抗地震的要在有些行业里（如核电）往往会对控制系统会提出抗地震的要求。这除了在建筑物的结构设计上要采取一定的措施外，还必须在求。这除了在建筑物的结构设计上要采取一定的措施外，还必须在控制系统的盘柜设计和其安装上采取一定的措施，如：控制系统的盘柜设计和其安装上采取一定的措施，如：1 1）控制柜应使用厚度不小于）控制柜应使用厚度不小于3.2mm3.2mm厚的重型冷轧碳素钢；厚的重型冷轧碳素钢；2 2）机柜的前后门和侧壁应焊加强筋；）机柜的前后门和侧壁应焊加强筋；3 3）机柜内凡使用螺栓处均应加弹簧垫；）机柜内凡使用螺栓处均应加弹簧垫；4 4）应使用直径大于）应使用直径大于18mm18mm的地脚螺栓。的地脚螺栓。19谢谢大家谢谢大家
