DCS系統回路故障分析及處理

張明

DCS系統回路故障分析及處理

張明

（重慶長風化學工業有限公司 重慶長壽 401252）

隨著4C技術及軟件技術的迅猛發展，DCS控制系統得到了很廣泛的應用，特別是在電力、石化這樣的行業。先進技術的應用這對儀表和系統維護人員提出了更高的要求，掌握熟練借助和結合DCS技術來分析、查找、處理各種自控儀表故障的技能，將是提高維護質量和效率的關鍵。很多自控儀表的故障根源來自于工程安裝，所以把好工程安裝質量關將是預防故障的關鍵和有效手段。本文主要以DCS在化工行業的應用為實例展開論述。

信號；DCS；故障；分析；查找；處理

DCS系統回路由現場儀表和DCS系統設備組成，如圖1所示。回路信號是維護人員分析、判斷、處理故障非常重要的根據，弄清楚了信號就等于找到了分析、判斷、處理故障的法寶。所以專業技術人員必須掌握信號的類型，信號的測量方法，以及儀器儀表設備處理信號的基本原理。

圖1 DCS系統控制回路及信號圖

1 常見控制信號分類

（1）模擬輸入信號（AI）：主要包括 4～20mA 電流信號（有源、無源型），1～5V電壓信號等，如各種變送器；各類溫度信號，如熱電阻（Pt100和 Cu50）、熱電偶。

（2）模擬輸出信號（AO）：主要是4～20mA電流信號，如控制調節閥定位器、變頻器等信號。

（3）開關量輸入信號（DI）：干觸點，如電機接觸器輔助觸點，微動開關，控制按鈕等。

（4）開關量輸出信號（DO）：干觸點，如控制開關，聯鎖開關。

（5）通信信號：如工業以太網信號和Profibus-DP總線信號。

2 故障分析和查找方法

2.1 故障分析的基本思路

（1）首先在分析故障前，要通過工藝人員了解生產工藝的基本情況和現場的條件，必須弄清回路中包含了哪些設備，各個設備的功能、特點、工作電源、輸入和輸出端的信號類型等參數和要求，以及各設備之間的連接接線圖。

（2）充分利用DCS控制系統對實時數據的保存和曲線記錄的特點，查看故障點歷史記錄曲線，再結合生產工藝所反應出的故障現象，綜合分析判斷故障所在。

（3）維護人員要充分認識DCS技術是采用成熟的計算機、通訊等高科技技術，其具有高靈敏度，高精度和高穩定性的特點，其出故障的幾率是很小的。

2.2 現場儀表故障分析查找方法

2.2.1 直接判斷法

有一定工作經驗的維護人員，通常只需要結合自身的經驗就可以直接且較準確地判斷出故障所在。

（1）如是變送器，當數據顯示突然變為零或零下時，基本可以判定是回路斷路，或是回路某個設備掉電。

（2）若是熱電阻測溫，溫度顯示突然跑最大，應是有斷路故障；顯示偏小或是跑最小，回路有短路故障。

2.2.2 折半法

適用于查找回路故障，查找回路中的關鍵設備和線路故障。比如先從連接現場和室內控制系統的安全柵入手，可以將故障范圍縮小一半。

2.2.3 對比法

適用于有臨近、同功能儀表回路的情況，將故障點移接到正常的點或是通道上，觀察是否正常。比如DCS同一I/O模塊的某一通道出現顯示異常的情況，可以將故障點接到另一正常的通道進行比對（在不影響生產的情況下），從而判斷故障所在。

2.2.4 排除法

利用“奧卡姆剃刀法則”簡化工作思維。先從常見故障原因查起，比如常見的設備或線路故障，從易到難，逐個排除，最終找到故障點，無須一開始就從最復雜的情況開始分析查找原因。

2.2.5 工藝曲線結合法

儀器儀表的異常工作狀態可以直接反映到與其相關聯的其他工藝參數上，所以反過來利用工藝參數的變化，可以分析儀器儀表的故障所在。

在此以4塔變壓吸附提H2工藝，沖壓工序為例進行分析。變壓吸附提H2沖壓步驟，是吸附塔（A塔）為升壓塔（B塔）升壓，使其達到吸附壓力，此步驟精確控制沖壓調節閥是關鍵閥。仔細分析圖2，不難看出，A、B塔的壓力呈現波浪型，且當A塔壓力曲線處于波峰時，B塔壓力處于波谷，反之亦然，這就說明和兩塔連通的調節閥頻繁波動，從而導致了沖壓流量的波動。

首先對系統PID參數和閥門進行檢查并調校后，從新開車，發現問題依舊存在。通過對系統PID輸出4～20mA電流信號和現場閥門的執行開度的情況進行實時跟蹤觀察發現，調節閥的執行動作始終滯后于系統的控制輸出，導致了控制的紊亂和振蕩。

圖2 異常工藝參數曲線

圖3 正常工藝參數曲線

那為什么調節閥不能及時執行系統的控制輸出呢？經過仔細研究發現，調節閥采用的“電氣閥門轉換器”，而不是帶實際閥位負反饋的“電氣閥門定位器”。電氣閥門轉換器是把輸出壓力作為負反饋，其負反饋信號的大小不能準確反應出閥門的實際開度，氣體的壓縮性也會引起負反饋的延時；而電氣閥門定位器是將閥門的實際開度作為負反饋的，其控制的精度明顯好于電氣閥門轉換器。

停車更換為電氣閥門定位器后，控制效果非常理想，工藝參數也回到正常的曲線，如圖3所示，A塔吸附壓力穩定，產品H2壓力穩定，B塔沖壓過程均勻而平穩，幾乎成一條直線。

工藝參數的記錄曲線讓自控系統和儀表的故障無處藏身。

2.3 DCS控制系統故障處理

當今的各類連續化生產活動基本上都采用了自動控制系統，系統中的任一環節出現故障，都可能影響生產甚至停車，所以只有掌握正確有效的系統維護方法，才能保證系統良好的運行狀態，提高系統的可靠性、穩定性和運行效率，為企業實現安全、高效的生產提供有力支持。系統維護工作主要是故障處理、保證系統的良好運行狀態和優化系統。

系統維護大致可以分為日常維護和故障維護。排除系統故障的基本思路和方法：掌握最有用最典型的故障現象，分析產生該故障現象的可能原因，然后綜合利用各種處理方法解決故障。在我們故障維護工作中，經常遇到在開車時突然出現故障，處理不好就要停車的緊急情況，這就考驗維護人員的應急故障處理能力。所以故障應急處理能力也是衡量一名維護人員技術能力高低的一個重要依據。

2.3.1 常見硬件故障及處理方法

系統每一個硬件都有各種運行狀況指示燈，首先要清楚每個燈代表的意義，指示燈的每種顏色，亮燈的方式都代表什么，這是我們判斷故障的最直接的依據。不同的DCS系統其狀態指示燈的含義不盡相同，切不可照搬、照抄甚至混淆不清。

（1）主控單元故障判斷及更換

當發現有主控運行指示燈RUN變為紅色時，表明主控出現故障，如需在線熱拔插主控單元時，在恢復的時侯，必須等主、從主控數據拷貝完成后才可再拔插，否則會造成數據丟失，甚至嚴重的生產后果。

（2）I/O模塊的更換

當發現I/O模塊工作異常時，若需要在線更換卡件時，必須認真核對卡件型號，做好防靜電工作，以防止卡件損壞。

（3）操作員站黑屏

當操作員站出現黑屏，或是不能正常啟動時，應是顯示屏或主機出現故障，利用對比替換法可判斷并解決。

（4）內部通訊故障

如發現操作員站畫面實時數據突然變成文字（工藝位號）的現象，應先檢查通信網絡，如交換機，光纖收發器等通信設備的故障。

（5）外接通訊設備故障

當DCS系統通過MODBUS協議和電機不能正常通訊時，應先檢查相應主機上是否運行了通訊軟件，如在運行，就要檢查軟件的設置是否和電機的地址碼相對應，以及各個端口的接線情況，是否有斷路發生。

2.3.2 常見軟件故障及處理方法

（1）系統設置引起的故障

若操作員站顯示的畫面和組態時的畫面有出入時，可能是組態的畫面沒有下裝，需要重新下裝，也可能是操作員站在線設置不正確。

（2）變量符號表不一致

若畫面只能顯示部分類型的數據和參數，比如所有模擬量輸入能正常顯示，而所有開關量按鈕無法操作，這很可能是由于控制器和服務器的變量符號表不一致引起的，需要重新登錄控制器，然后再下裝服務器。

（3）程序下裝的危險

在開車的情況下，如需新增大量的變量，或是改變大量變量的屬性時，下裝控制器時要特別注意必須要等所有變量都下裝完畢，控制器負荷回到正常值時方能退出，否則會出現主控和服務器變量符號表不一致的現象，處理不好會影響生產操作，甚至發生突然停車的危險。

（4）無法登錄控制器

若出現無法登錄控制器時，可能是選擇的通訊參數不對，重新選擇主控制器IP地址，或是控制器故障。

[1]安思群.《電氣儀表工程安裝調試與維護技術實用手冊》.金版電子出版公司出版，2003，4.

[2]北京和利時系統工程股份有限公司.《HOLLIAS-MACSV應用系統技術手冊》.2005.

[3]國家石油和化學工業局.《石油化工儀表安裝設計規范》.2001，03.

[4]中國建設部和質量監督檢驗檢疫總局.《自動化儀表工程施工及驗收規范》.2003，03.

TQ086.1

A

1004-7344（2016）31-0259-02

2016-10-19

張明（1983-），男，工程師，本科，主要從事工程和技術管理工作。