集散控制系統網絡故障分析與解決

王 彬

（揚州石化有限責任公司，江蘇揚州 225200）

0 前言

煉油分廠所使用計算機集散控制系統DCS（Distributed Control System）是Honeywell公司的全廠一體化解決方案系統TPS（Total Plant Solutions System），于 2000年投用。2011年儀表控制系統升級改造，為兼顧新舊2套不同催化裝置的需求，采用升級擴容的方式，即繼續保留為老催化裝置服務的2對控制器，增加為新建催化裝置服務的2對控制器，增加2臺全方位用戶工作站GUS（Global User Station）操作站，并對原來5臺工作站升級，以滿足煉油工藝生產過程的自動化過程控制方案的實現。但從2016年下半年開始，TPS系統網絡通信頻頻出現故障（UCN電纜fail），給煉油分廠的生產裝置生產帶來重大安全隱患。為確保DCS系統安全運行，對TPS通信故障問題進行攻關。

1 故障現象及危害

1.1 UCN電纜故障現象（出現紅色fail信息）

2016年10月30日煉油分廠DCS出現系統報警信息，儀表技術人員到現場檢查了網絡接口模件NIM（Network Interface Module）、高性能過程管理器HPM（High Performance Process Manager）、歷史模件 HM（History Module）和各輸入、輸出 I/O 卡件，各臺GUS操作站暫時不受影響操作。通過進入系統診斷畫面，檢查發現為UCN的A纜fail報警，進入系統內UCN（Universal Control Network，通用控制網絡）電纜通信統計信息畫面，發現HPM05的噪聲值比其他HPM的噪聲值大很多，幀碎片也多，更換HPM05的HPM MODEM卡件，故障消除。2017年4月5 日，MCP（Maximizing Catalytic Propylene，最大化生產丙烯的催化劑工藝）裝置DCS系統出現系統報警信息，檢查發現UCN B纜報警，更換了一個終端電阻后，UCN電纜當時顯示正常，但是故障卻未徹底消除，此后陸續出現UCN B纜報警的情況，也采取了更換TAP（通信電纜連接器）、互換UCN電纜等方式，但未根本解決問題。由此分析出外部干擾是引起UCN B電纜報警的主要原因。圖1。

1.2 UCN電纜故障危害

UCN通信承載著控制器與現場測量儀表設備的數據讀取以及下達執行機構控制數據的任務，如果不及時解決UCN電纜報警問題，一旦UCN兩根電纜同時故障則會造成整個煉油分廠DCS系統癱瘓，不僅會影響整個煉油分廠的工藝過程生產，還會引發惡性安全事故。

2 故障原因分析及解決方案

2.1 故障原因分析

（1）當UCN的B纜頻繁出現故障問題后，先將焦點集中在該纜和與之相連的DCS部件上，由于該纜由很多段的支電纜組成，同時又有很多的部件與之相連，很難判斷是里的問題，只能采用現有備件一一更換和相互更換的辦法來試誤，又由于故障不是一直存在而是偶發的，所以換一個部件要等很長時間才能判斷該部件有無問題，需花費很長時間。

（2）將焦點放到DCS的電源、接地、屏蔽層的敷設等，對每個柜子逐一進行排查。同時對與之相鄰的4分降的所有的信號連接進行清理，去掉不必要的連接（必需的連接加雙向隔離），采取上述措施后UCN的B纜還會出現故障。經分析這些故障發現，故障首次發生的點集中在3#和4#控制器上，觀察2個控制器周圍環境，發現其正對著一個門，門過去就是4分降，門一關上故障就消失。這說明是4分降產生的隨機性干擾，經過2道墻后得到有效衰減，門開時3#和4#控制器少了一層保護，受到干擾較大，易導致UCN B纜故障。4分降改造后產生的干擾比改造前強，這是導致UCN的B纜出現故障的主要原因。

圖1 UCN網絡上節點電纜報警圖

2.2 解決方案和措施

（1）來自空間的輻射干擾。空間輻射電磁場是由電力線纜、雷電、無線電廣播、變頻設備等產生，稱為輻射干擾。若控制系統置于射頻場內，就會受到輻射干擾，主要通過2條路徑影響：①直接對控制系統內部的輻射，由電路感應產生干擾；②對系統通信網絡的輻射，由通信線路感應引入干擾。

DCS機房是由緊靠四分降的值班室改造而成，處在一個相對較差的電磁環境中，機房也未作防電磁干擾處理。為此，攻關小組對緊靠DCS機房的電氣四分降墻面加裝了屏蔽網，關閉機房正對四分降的門以增加防護層次，并將木門換成了金屬門以增強屏蔽效果。

（2）來自DCS系統外連接線的干擾，主要有3類：①電源干擾。控制系統的正常供電電源均由電網供電，由于電網覆蓋范圍廣，它將受到的空間電磁干擾均在線路上感應成電壓和電流，尤其是電網內部的變化、開關操作浪涌、變頻裝置引起的諧波等，都通過輸電線路傳到電源原邊；②信號線引入干擾。與控制系統連接的各類信號傳輸線，除了傳輸有效的各類信息外，還有外部干擾信號侵入；③接地系統干擾。地線包括系統地、屏蔽地、交流地和保護地等，接地系統混亂對控制系統的干擾是各個接地點電位分布不均，不同接地點間存在電位差引起環路電流，影響系統正常工作。

針對引線干擾，攻關小組為了徹底檢查接地系統，首先根據實際情況繪制出DCS機房接地示意圖，并在整改后請電氣人員對機房分別搖測接地電阻，在保證接地可靠安全的情況下及時更改資料以備日后維護查詢。控制系統的信號地與控制柜的安全接地完全隔離分開，同種信號集中在一點接地，避免多點接地電位差同造成干擾。對停用的儀表接線進行拆除并從系統中刪除；對儀表和電氣設備之間聯系的信號進行隔離，特別是模擬信號增加向雙隔離。

（3）加強管理，進一步細化DCS系統巡檢制度，每天詳細記錄UCN通信數據并比對，有效監控DCS系統通信狀態。圖2。

圖2 良好的UCN網絡運行圖

3 存在問題和下一步措施

（1）干擾問題。雖然已經知道干擾來自何方并通過屏蔽和增加防護層次阻止對DCS的影響，但對四分降內的間歇性干擾的產生機理和誘發因素還一無所知。期間DCS的UCN電纜由于四分降變頻風機啟動引起短時間報警，這就需要從根本上消除干擾。下一步對DCS機房的墻面和天花進行屏蔽改造，進一步加強DCS機房的抗干擾能力。在DCS改造中，機房和控制室的電磁環境應作為一個重要指標加以控制。

（2）DCS老化問題。這套Honeywell公司的TPS系統，從2000年投用到現在，期間經過多次擴容升級，新舊設備在一個系統中共同運行，舊設備的老化短板危及整個系統的安全。進行全面的系統更新是解決問題的最好辦法，經過技術攻關延長了系統使用壽命，緩解了系統更新的緊迫性。

4 結語

攻關小組通過努力發現了導致催化DCS的核心通信電纜UCN電纜頻繁出現故障的原因,通過加裝隔離網等一系列的措施，已初步解決了通信電纜存在的重大安全隱患，在無投入和無外援的情況下，依靠自身的技術力量完成了該科研項目。解決了機房外部環境干擾問題，提高了DCS系統可靠性和安全性，保障了生產裝置的安全與平穩運行。而且整理繪制的UCN電纜結構圖和DCS機房接地示意圖，便于今后的DCS維護工作，積累的DCS維護經驗可有助于設備長周期平穩運行。