DCS通信故障分析

王本京

(江蘇中能硅業(yè)科技發(fā)展有限公司檢維護(hù)分廠，江蘇 徐州 221000)

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DCS通信故障分析

王本京

(江蘇中能硅業(yè)科技發(fā)展有限公司檢維護(hù)分廠，江蘇 徐州 221000)

摘要：介紹了某DCS通信故障，通過系統(tǒng)檢查、現(xiàn)場排查分析了該故障的原因，試驗證明變頻器為主要干擾源，塔架及液氬罐的地線為傳播干擾的途徑。通過對DCS盤柜、變頻機(jī)柜的分析，得出干擾主要為感應(yīng)耦合方式。總結(jié)提出了防止該類故障發(fā)生的改進(jìn)措施，有效解決了該故障問題，保障生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：離散控制系統(tǒng)變頻器接地干擾

1DCS構(gòu)成

DCS從結(jié)構(gòu)上可分為過程級、操作級和管理級。過程級主要由過程控制站、I/O單元和現(xiàn)場儀表組成，是系統(tǒng)控制功能的主要實施部分。操作級包括操作員站和工程師站，完成系統(tǒng)的操作和組態(tài)。管理級主要是指工廠管理信息系統(tǒng)(MIS)。DCS的控制決策是由過程控制站完成的，即控制程序是由過程控制站執(zhí)行的。過程控制站是一個完整的計算機(jī)系統(tǒng)，主要由電源、中央處理器(CPU)、網(wǎng)絡(luò)接口和I/O組成。

2故障現(xiàn)象

某多晶硅企業(yè)DCS突然出現(xiàn)C線UCN電纜故障，造成HPM控制器失效及數(shù)據(jù)時斷時續(xù)，根據(jù)歷史記錄發(fā)現(xiàn)某日9時左右發(fā)生UCN電纜B報警，后電纜A也同時報警，造成HPM 6個冗余控制器失效，同時操作站出現(xiàn)數(shù)據(jù)時斷時續(xù)，大約持續(xù)了15min后系統(tǒng)恢復(fù)正常。

3排查故障過程

3.1系統(tǒng)檢查

1) 電源檢查。供電電壓由UPS電源系統(tǒng)供給，穩(wěn)定在219V左右，零線及安全地線無電勢差，電源狀態(tài)良好。

2) 接地檢查。外部母排接法比較規(guī)范，柜內(nèi)接地線規(guī)范及部分信號線屏蔽沒有接入母排。對每根接地線都進(jìn)行了測量，未發(fā)現(xiàn)過大的電流，大多數(shù)為1～5mA，只有幾根有10～50mA的電流，不會對系統(tǒng)造成影響。

3) 柜內(nèi)檢查。現(xiàn)場信號基本都經(jīng)隔離后再進(jìn)入系統(tǒng)，系統(tǒng)安裝未發(fā)現(xiàn)不符合標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象。UCN電纜連接正常，可以保證通信質(zhì)量，提高電纜抗干擾能力。

4) 系統(tǒng)觀察及測試。電纜切換： 正常；風(fēng)機(jī)開機(jī)測試： 開機(jī)后1h左右發(fā)生1次UCN電纜噪音突增現(xiàn)象，再次測試時正常。

3.2現(xiàn)場排查

對DCS盤柜內(nèi)進(jìn)行檢查后，可以確認(rèn)故障為系統(tǒng)外界干擾所致(電磁干擾或接地竄入干擾)，即現(xiàn)場傳入。

通過現(xiàn)場多方數(shù)據(jù)調(diào)查對比與開停大型轉(zhuǎn)機(jī)記錄分析，最終發(fā)現(xiàn)干擾來源于距DCS控制室40m處某工號廢氣洗滌系統(tǒng)中抽風(fēng)電機(jī)變頻柜，此變頻柜控制玻璃鋼離心風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，功率22kW，用于硅塊、硅芯、石墨清洗間抽廢氣。變頻器功率約30kW。經(jīng)調(diào)閱此控制柜以前操作記錄，發(fā)現(xiàn)幾次操作通斷時間與DCS出現(xiàn)干擾時間基本吻合。現(xiàn)在控制柜處于風(fēng)機(jī)停運(yùn)狀態(tài)，DCS也不存在干擾。

為了進(jìn)一步確定干擾源的存在和其他數(shù)據(jù)，組織相關(guān)人員到現(xiàn)場進(jìn)行試驗，故障排查流程如圖1所示。

試驗結(jié)果可確定變頻器是主要干擾源，塔架和液氬罐的地線為傳播干擾的途徑。

4原因分析

4.1DCS盤柜分析

綜合DCS盤柜上述檢查結(jié)果，判斷系統(tǒng)運(yùn)行正常，無卡件質(zhì)量、電源及接地不規(guī)范問題。UCN的噪音增加為突發(fā)現(xiàn)象，并且迅速發(fā)生、迅速消失，由此造成UCN冗余電纜短時間失效。該現(xiàn)象可確認(rèn)為系統(tǒng)外界干擾所致(電磁干擾或接地竄入干擾)，但當(dāng)時無測試設(shè)備，且缺乏對相關(guān)知識的了解，無法進(jìn)一步確認(rèn)電磁干擾強(qiáng)度。

4.2變頻器柜分析

現(xiàn)場變頻器柜主要針對變頻器的干擾分析。變頻器主要由整流電路、逆變電路、控制電路組成，其中整流電路和逆變電路由電力電子器件組成，而電力電子器件具有非線性特性，當(dāng)變頻器運(yùn)行時，需進(jìn)行快速開關(guān)動作，從而產(chǎn)生高次諧波，因而變頻器輸出波形除基波外還含有大量高次諧波。無論是哪一種干擾類型，高次諧波是變頻器產(chǎn)生干擾的主要原因。變頻器能產(chǎn)生功率較大的諧波，對系統(tǒng)其他設(shè)備干擾性較強(qiáng)，其干擾傳導(dǎo)途徑與一般電磁干擾傳導(dǎo)途徑是一致的，主要分為傳導(dǎo)(電路耦合)和輻射(電磁輻射、感應(yīng)耦合)。對周圍的電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生電磁輻射，對相鄰的其他線路產(chǎn)生感應(yīng)耦合，感應(yīng)出干擾電壓或電流。同樣，系統(tǒng)內(nèi)的干擾信號通過相同的途徑干擾變頻器的正常工作。

圖1　現(xiàn)場排查流程示意

當(dāng)變頻器的輸入電路或輸出電路與其他設(shè)備的電路距離很近時，變頻器的高次諧波信號將通過感應(yīng)(電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)、空中輻射)的方式耦合到其他設(shè)備中去。

通過對開停變頻器的試驗，確認(rèn)了DCS通信干擾從無到有的過程，從干擾性質(zhì)類型來看，變頻器和DCS空間直線距離只有50m左右，雖然DCS取電來自于不間斷UPS電源，和變頻器的取電不在同一個電源上，但干擾主要為感應(yīng)耦合途徑方式。

5采取措施

為加強(qiáng)DCS抗干擾能力，防止類似干擾再次發(fā)生，采取以下改進(jìn)措施：

1) 檢查電磁場干擾。根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)建議執(zhí)行。

2) 接地竄入。接地母排進(jìn)行分層及分類，與電氣接地分開。

3) 現(xiàn)場盤柜及線路的改造。

a) 觀察風(fēng)機(jī)是否一直都在工頻運(yùn)行，若是，建議可取消變頻器，直接去除干擾源。

b) 若變頻器還需使用，將變頻器進(jìn)出電源線加裝濾波器、瓷環(huán)或加屏蔽裝置，濾除本身產(chǎn)生的干擾。

c) 接地線不要接在靠近變頻器的柜子內(nèi)，考慮接在外面，遠(yuǎn)離變頻器。

d) 信號線與動力線要垂直交叉或分槽布線。

e) 不要采用不同金屬的導(dǎo)線相互連接。

f) 屏蔽管(層)應(yīng)可靠接地，并保證整個長度上連續(xù)可靠接地。

g) 屏蔽層接地點(diǎn)盡量遠(yuǎn)離變頻器，并與變頻器接地點(diǎn)分開。

h) 一般情況下，對被干擾設(shè)備儀器，均可采取屏蔽及其他抗干擾措施。

通過現(xiàn)場調(diào)研，由于DCS和變頻器柜安裝使用已有2年，中間電纜線路走向已固定，無法重新布線調(diào)整，信號電路使用的是雙絞線屏蔽電纜，屏蔽管(層)接地、接地點(diǎn)遠(yuǎn)離變頻器并與之分開及加屏蔽抗干擾措施容易做到，但更重要的是，此抽風(fēng)

電機(jī)屬間斷使用，且一旦投用一直運(yùn)行在工頻，引入變頻器沒有太大意義。為徹底斷絕干擾對DCS的沖擊，將變頻器暫停不用，使電機(jī)處在工頻運(yùn)行，此后DCS沒有再出現(xiàn)此類現(xiàn)象。

6結(jié)束語

DCS是現(xiàn)代化工業(yè)監(jiān)控的重要組成部分，決定著整個生產(chǎn)的穩(wěn)定與運(yùn)行，一旦出現(xiàn)故障，輕則造成工藝波動影響產(chǎn)品質(zhì)量，重則全線停產(chǎn)，因而需保證系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行，不受外界干擾，平常要觀察運(yùn)行狀況，總結(jié)各種問題處理方法及經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)任何異常要及時徹底處理，保障生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]王森，晁禹，艾紅.儀表工試題集-控制儀表分冊[M]北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2008： 2-3.

[2]崔蘭超，阮曉飛，李鳳霞.基于Modbus協(xié)議的DCS與變頻器的通信設(shè)計與實現(xiàn)[J].化工自動化及儀表，2013，40(06)： 798-801.

[3]郎微微，王鑫，肖健.橫河DCS系統(tǒng)中語音報警的實現(xiàn)方法[J].化工自動化及儀表，2012，39(02)： 281-282，284.

[4]丁景龍.基于DCS與PLC系統(tǒng)DP通信的ETS改造[J].化工自動化及儀表，2012，39(10)： 1362-1364.

[5]楊利豐，俞文光，張哲強(qiáng).罐區(qū)智能儀表與國產(chǎn)DCS通信的研究與實踐[J].石油化工自動化，2014，50(02)46-48.

[6]楊博.DCS控制系統(tǒng)的改造實踐[J].化工自動化及儀表，2012，39(02)： 283-284.

中圖分類號：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)04-0072-02

作者簡介：王本京(1970—)，男，江蘇徐州人，現(xiàn)就職于江蘇中能硅業(yè)科技發(fā)展有限公司，主要從事計算機(jī)系統(tǒng)控制工作。

稿件收到日期： 2015-04-07。