智能儀表的故障診斷與維護

趙鵬睿 李雨蒙

大慶油田第三采油廠規劃設計研究所

隨著油田多年的改造與數字化建設，基本上實現了現場以變送器類儀表檢測為主、調節閥類儀表控制為輔，中控室以視頻監控與自控畫面相結合的集中監控模式[1-2]，較好地實現了生產過程的實時監控。智能儀表在日常運行中易受使用時間、環境、溫度、濕度及負載的影響而產生不同的故障。智能儀表在油田中的常見故障可分為外界環境造成的故障和設備元件導致的故障兩大類[3]。針對儀表故障類型進行分析，總結現場經驗，整理出一套自控系統的日常維護辦法，可以使管理者能夠快速排查故障，提前預防故障，及時解決故障，提高自動化系統在油田的應用水平，使智能儀表的現場運行更加穩定。

1 常見故障類型及處理

1.1 外界環境造成的故障

1.1.1 雷擊問題

夏季常出現雷雨天氣，容易發生雷擊事故。雷擊會造成站內停電自控設備失效，還會損壞儀表，導致PLC模塊擊穿。維護辦法：系統控制柜安裝UPS電源；遠傳信號加裝安全隔離屏蔽柵；對電氣設備接地形成防雷接地保護；在建筑物屋角、屋脊等易受雷擊部位敷設避雷針、金屬網格等（圖1）。

圖1 污水罐加裝避雷針Fig.1 Installation of lightning rod in sewage settling tanks

實例1：某注入站夜間遭遇雷擊，造成全站停電，恢復供電后站內計算機監控畫面無法顯示現場運行數據，檢查PLC控制柜有刺鼻氣味，發現24 VDC電源有燒焦現象，經判斷24 VDC電源因瞬間電壓過大被燒毀。

處理辦法：更換24 VDC電源，監控數據顯示正常，注入站恢復正常生產。

1.1.2 腐蝕問題

儀表內元器件長期受雨水侵蝕易出現腐蝕現象。造成儀表腐蝕有以下幾種因素：①管理疏忽因素，員工冬季捆綁儀表的保溫層進入夏季未及時拆卸，這種保溫層多采用毛氈棉布類物質，進入夏季雨水量大，儀表在潮濕環境下工作，易造成儀表腐蝕；②施工安裝因素，一些橋架位置偏高，為安全起見多采用穿線管敷設電纜，雨水易經穿線管流入儀表內，導致儀表燒壞。

實例2：某聯合站回收水泵房電磁流量計進水，懷疑流量計保養不當，雨水經穿線管滲入儀表內，導致儀表腐蝕損壞。

處理辦法：對流量計進行防水防護處理，清潔表頭內積水，更換腐蝕元件。

1.1.3 線路老化問題

數據傳輸線在長期運行過程中出現線路松動、端子虛接現象。儀表維修工作中應定期檢查線路，緊固接線螺絲，確保數據傳輸正常。

實例3：某脫水轉油站集中監控畫面數據頻繁丟失，現場儀表數據不能遠傳。排查故障原因，判斷自控盤內以太網數據線接口松動，導致數據傳輸不正常。

處理辦法：重新更換水晶頭，并用網絡電纜測試儀檢驗數據線的通斷。

1.1.4 鼠患問題

集控室內常有老鼠咬斷數據光纜的情況發生。這類問題常出現在夜間，遇到這種突發情況會造成值班人員無法查看遠傳數據。解決辦法：施工配線時避免光纜經過員工生活區；電箱內光纜傳輸線穿管防護；準備備用電纜，當光纜被老鼠咬斷時及時更換新線路恢復生產；站內安裝捕鼠器去除鼠患。

實例4：某聯合站夜班值班人員匯報集中監控系統注水崗數據丟失，儀表維修人員發現通信柜內光纜被老鼠咬斷。

處理辦法：更換被老鼠咬斷光纜，對散放光纜進行穿管防護。

1.2 設備元件導致的故障

1.2.1 PLC控制模塊故障

目前所有的智能儀表都選擇PLC作為主要控制設備，所有儀表的數據采集、狀態判別和控制輸出都通過PLC技術實現[4-5]。經實踐發現，自控系統發生的故障存在多樣性和復雜性。有些系統存在過保現象，對于這類問題的維護辦法是加強自控系統的管理，將系統下位程序進行備份，對重要參數安裝數字顯示儀表，工作人員可根據現場儀表進行安全生產[6]。

實例6：某注入站內單井母液流量信號的采集是通過Modbus 485模塊進行收集的，當注入站由停產轉為生產運行時出現了母液流量數據不能遠傳、執行器調節閥不動作的現象，經判斷故障為Modbus 485模塊死機造成。

處理辦法：開啟下位程序刷新Modbus 485模塊，數據恢復正常（圖2）。

圖2 Modbus485模塊Fig.2 Modbus485 module

實例7：某聯合站現場員工匯報集中監控室注水崗數據丟失，信號無法遠傳，經過判斷為西門子PLC系統的CPU模塊故障。

處理辦法：更換故障模塊，重新組態，對系統內參數進行量程設定。

1.2.2 流量檢測儀表故障

電磁流量計常見的故障有兩種，一種是線路故障，另一種是現場流量與監控畫面不符。維護辦法可采用分段排除法，從儀表柜到現場儀表逆向排查；或者采用信號替代法，用信號源代替儀表發出標準4～20 mA信號，查看監控系統是否能接收數據。

實例8：某污水站監控系統總來液與現場儀表顯示數據不符，由系統下位程序檢測到液位量程指定錯誤。更改儀表正確量程，流量數據與實際流量數據顯示一致。

處理辦法：對更換的儀表重新進行量程指定，修改下位程序及時恢復生產。

1.2.3 壓力、溫度檢測儀表故障

變送器的常見故障有內部模塊故障、液晶顯示屏故障、現場檢測數據與遠傳數據不符等。維護方法：解決硬件問題需聯系廠家更換，解決線路問題需采用分段排除法和信號替代法查找故障原因。

實例9：某中轉站脫水加熱爐出口壓力故障，現場儀表沒有顯示，測量儀表24 VDC電源供電正常，壓力表放空拆卸后，在無壓情況下測量表輸出數值為-0.04 MPa而不顯示0 MPa，判斷為儀表內部變送器模塊故障。更換儀表變送器模塊，數據傳輸正常。

1.2.4 盤裝儀表故障

中間儀表包括盤裝二次表、閃光報警器、安全柵、配電器、繼電器等。常見的故障有：二次表死機、線路松動、數據丟失等。由于很多儀器、儀表使用時間過長，已經超出廠家保修時間，只能更換。

實例10：某轉油站2#加熱爐液位數字顯示儀故障，顯示液位高度3.85 m，現場實際液位為0.52 m，了解到站內前一天全站停電，懷疑二次表出現死機現象。

處理辦法：找到儀表供電電源重新送電，數字顯示儀表恢復正常（圖3）。

1.2.5 電動閥、氣動閥故障

電動閥故障常見有兩種，一種是電動閥不動作，另一種是電動閥動作但沒有反饋。維護辦法是采用短接法查看信號是否傳輸到系統。氣動閥常與變送器聯鎖，常見的故障有氣動閥漏氣、聯鎖不動作。維護辦法是通過系統設定氣動閥開度，逆向查找氣動閥聯鎖故障；定期檢查氣動閥運行情況，查看氣動閥是否漏氣。

圖3 二次表維修前后的液位Fig.3 Liquid level of the secondary table before and after maintenance

實例11：某污水站，22#濾罐反沖洗進口調動執行器故障，閥無法送電，保險跳斷，故障原因為閥門電動機內進水而損壞。

處理辦法：與廠家結合更換閥門電動機，22#濾罐恢復正常反沖洗。

2 儀表維護

儀表維護工作包括智能儀表內部原件的故障排查和系統程序、線路故障排查。

儀表內部出現故障時先查看說明書了解設備是了解設備的操作與使用方法。打開設備電路部分，對照電路圖找到相應元器件進行測量，根據結果推測可能出現的故障，有針性地進行維修處理。

儀表線路故障可以根據儀表信號傳輸的方式分類進行處理：模擬量信號故障采用分段排除法或信號替代法進行處理；開關量信號故障采用短接法進行處理[7-8]。

模擬量輸出信號分為兩種，一種是兩線制信號（壓力、溫度變送器、浮球液位計），一種是四線制信號（電磁流量計信號）。

（1）兩線制信號指2根電纜即為供電線又是信號線。對于這類儀表的維護，首先判斷配電器電源是否有電，配電器如果供電正常，可以選擇信號替代法，利用信號源代替儀表發出標準4～20 mA電流帶負載信號，診斷是線路故障還是程序故障。還可以用萬用表測量法測量儀表供電電壓，或者串接萬用表測量儀表輸出電流，判斷儀表內部是否故障。

（2）四線制信號指電源線和信號線分開工作，信號直接從儀表傳輸給控制系統模塊。對于這類信號故障的排查與兩線制方法相同，可以采用替代法，用萬用表串接測量儀表電流輸出，再使用信號源替代儀表輸出標準4～20 mA DC信號，對故障進行診斷（圖4）。

圖4 信號源替代法進行故障診斷Fig.4 Fault diagnosis by the signal source substitution method

開關量信號是指閥位的開關反饋、泵的啟停控制等信號。其發生故障時首先用萬用表測量現場儀表的供電電源是否出現故障，再用短接法短接信號，看系統是否能收到反饋，如果有反饋，則儀表內部有故障；如果沒有反饋，再檢查繼電器是否動作。如果短接繼電器不動作則為繼電器故障；如果繼電器動作再找供給系統DO模塊的公共電源24 VDC是否有電，判斷是否為線路故障或者是模塊通道故障[9]。

3 結束語

（1）對不同類型儀表進行安全保護，可采取防雷接地、防腐防潮、電磁防護等措施，同時加強管理，延長智能儀表及自控系統使用壽命，減少經濟損失。

（2）崗內重要參數應加裝數字顯示儀表或更換老舊現場儀表，若自控系統出現故障，遠傳信號丟失，工作人員可根據就地儀表參數進行安全生產。

（3）過保的站場進行程序備份，以方便系統的維護和升級。

（4）集中監控系統投入運行后維修、維護工作尤為重要，應提高自控專業人員的業務能力，加強技術培訓，提高其編程、調試及診斷故障水平，有效地開展油田生產自動化系統的運行維護工作[10]。