化工廠DCS 常見故障及應對措施研究

鄧利楠

（中核沽源鈾業有限責任公司，河北張家口 076561）

0 引言

在經濟發展與科技力量的推動下，社會生產的自動化程度日益提高，化工廠也不例外，通過引入DCS 強化了對工藝參數和加工流程的控制。但在實際運行過程中，DCS 可能會因各種各樣的故障影響化工廠的正常運轉，甚至引發重大事故，故掌握并有效解決化工廠DCS 常見故障意義重大。

1 化工廠DCS 概述

眾所周知，化工生產過程不僅涉及大量的危險化學品，而且具有易燃易爆、高溫高壓、易中毒、腐蝕性等諸多特點，所以比起其他工業生產活動來說危險性更高。簡單的說，化工廠原料種類繁雜，多為危險品，生產規模較大，工藝條件苛刻，生產方式高度連續化、自動化，其中任一環節出現問題都可能引發安全事故，因此需要借助技術手段保障化工廠安全、穩定、高效的生產。

而DCS 這一集散控制系統，依托分散控制操作和集中管理的設計理念和多層分級、合作自治的形式結構而形成的儀表控制系統，既組態靈活、性能穩定，而且控制功能強大、便于維護，因而在化工、電力、冶金等行業領域中應用廣泛。其中化工廠DCS 通常包括I/O 板、控制器、操作站、通信系統以及圖形與編輯軟件幾部分，在上述軟硬件裝置的共同作用下，使得數據查詢、安全管理、控制、操作、分析等變得更為便捷、高效而可靠，如清楚了解關鍵的生產參數，及時根據數據信息加以調整保證安全生產，只需觸動控制按鈕即可控制目標發生動作實現自動化生產，還可以分析歷史數據優化生產工藝及其參數等[1]。

2 化工廠DCS 常見故障分析

DCS 的應用有助于化工廠安全生產的保障、生產效率的提升和產品質量的改善，但這一切是以DCS 正常運行為重要前提的。不過在實際運行期間，DCS 可能會出現各種各樣的故障。

2.1 硬件設施故障

化工廠DCS 硬件常見故障一般分為兩種：一是電源故障，以電源模塊故障的情況居多，可能是由虛接的電源線造成的，也可能與損壞的元器件、劇烈的電壓波動等有關；二是I/O 卡故障，相對而言故障率較高的有AI、AO、DI、DO 卡件，此類故障影響的不只是一定范圍的數據采集和現場監視，還可能導致聯鎖觸發，甚至造成整個系統停運，這可能與電氣元件老化、I/O 通道故障、端子連接有誤或者卡件有強電串入等有關[2]。

2.2 軟件系統故障

與硬件故障有所不同，化工廠DCS 軟件系統故障在很大程度上與其自身特點有關，甚至多數隱患始于DCS 調試階段，畢竟控制程序的設定工作量大、極為復雜，所以故障在所難免。如主/從CPU 組態信息不匹配，組態連接與數據庫對應點信號不一致，致使CPU 無法初始化，驅動設備選擇有誤致使系統無法輸出，以及繁忙的網絡通信致使管理混亂，不規范的安裝致使設備無法運行等，這些均易干擾DCS 的正常運行。

2.3 通信系統故障

化工廠DCS 的核心在于網絡與信息技術，但比起軟件系統通信系統更易發生故障，尤其是傳輸滯留問題。如果加以細致劃分則包括網絡通信和過程通道兩大故障類型。網絡通信故障常常表現為DCS 組態不規范和網絡堵塞，這是因為投運后的DCS控制器組態發生變動而軟件組態有增無減時往往使得一些組態不能真正連接I/O 點，但讀取信息的DPU 系統卻將其全部吸納，致使無效數據增多、負荷率高，最終出現網絡堵塞[3]。再者，DCS 的使用需要接入不同的網絡接口，當某節點數據并不屬于該網絡時也易引發網絡堵塞。而過程通道故障有：信號接線接口松動、連接錯誤或失敗、線路老化、撥碼開關異常、通信接線錯誤、硬件接線與信號要求不符等，像驅動程序和軟件更新的不及時或者過高的控制器和存儲器，運行溫度也有降低數據傳輸速度進而弱化DCS 實際功能。

此外，人為操作錯誤或不當也可能引發DCS 故障。

3 化工廠DCS 常見故障的應對措施

化工廠DCS 故障形式多樣化，影響范圍充滿了不確定性，這無疑對化工廠安全有序的生產構成了威脅，所以要想充分發揮DCS 強化的控制功能，營造穩定的運行環境，就必須采取措施加以有效防范，最大限度地降低DCS 故障風險，具體可從下述3 個方面入手。

3.1 重視日常維護，降低故障風險

盡管化工廠DCS 優勢顯著，但是一旦發生故障勢必會對化工生產帶來不良影響，特別是隨著其自動化、智能化程度的提高，更容易牽一發而動全身，因此必須加強日常維護，做到防患于未然。

一方面，基于完善的維護管理制度，要求按時巡檢與DCS系統工作狀態，若發現故障提示，必須及時分析原因盡快消除故障，注意測試網絡硬件、交換機、IP 設置、“ping”命令等的檢查，若涉及通信部件或卡件應佩戴防靜電手腕。同時使用專用的存儲器備份驅動、DCS 組態軟件、PID 參數等內容，當優化組態、增減測點或邏輯時還要詳細記錄。由于良好的機房環境對DCS 的長期穩定運行有著不容忽視的影響，所以必須重視室內溫度的調節，一般夏季和冬季可分別控制溫度在252 ℃和222 ℃，以免因溫差過大導致機柜室內設備發生凝露而影響功能和性能，并采取有效的隔離措施控制粉塵、腐蝕性氣體等的進入，以防損壞DCS 或引發異常停機[4]。當然在管理制度中還應明確禁止使用移動存儲器、無關軟件、非正規軟件等，盡量不在DCS 機柜附近使用能夠產生電磁波的裝置和設備，以免將計算機病毒引入DCS 中，或者導致DCS 誤動或拒動，這些都是我們在日常維護過程中值得注意的事項。

另一方面，在DCS 有計劃的大修期間，通常要求停電后進行全面而徹底的維護，此時應在確認化工廠生產設備處于停運狀態和組態信息保存結束的基礎上按步驟規范停電，隨后用干燥無油壓縮空氣以0.05MPa 的壓力重點吹掃工控機內部以及電源箱、機籠等控制站部件，配以大吸力吸塵器清除灰塵。在佩戴防靜電手環檢修DCS 機柜時，盡量不要觸碰電路卡件，并在完成清灰后按編號準確復位、連接和緊固，若發現卡件異常、老化，電源模塊電壓偏低或機柜風扇有問題可予以更換。對于線路可重點檢查端子排、繼電器、分電箱、安全柵等供電構件，并測量DCS 接地電阻是否低于2.5 Ω，以保證供電可靠，減少因供電異常引發的系統故障。待檢查完畢重新上電后對主控卡、冗余卡片、數據轉發、網絡線路等的冗余情況進行測試，必要時可升級換代，以滿足化工廠DCS 的工作要求。

3.2 有效處理故障，減少不良影響

（1）對于硬件類故障，首先需要考慮的便是硬件裝置自身的質量問題，確認規格和性能匹配后方可投入使用，且在安裝時結合對環境溫度、濕度、灰塵顆粒等的實際要求進行嚴格安裝。考慮到硬件故障輕則影響相關參數的正常監視，重則導致自動調節功能失靈，因此必須及早發現及時處理。當出現電源故障時，可經紅外線測溫儀對線路溫度進行測量和記錄，并及時更換UPS 電池及其破損、老化的線路和元件[5]；如果只是部分監控數據變為壞點但模件狀態正常，可更換對應的端子板、模塊或檢查電纜絕緣、對地電壓來消除故障；若控制站監控出現壞點且系統顯示其為離線狀態，可能為DPU 或主控機籠故障，此時可退出相應的保護、拔掉DO、AO 至端子板的預制電纜后更換DPU，根據數據是否異常判斷是否為DO、AO 端子板問題，如果故障點為機籠則可進行更換。

（2）對于軟件類故障，應重視調試運行環節，結合化工廠DCS 常見故障判斷是否存在問題，以期扼殺隱患于早期，特別是對于因設計、編程、操作等引起的程序錯誤，如順控軟件、聯鎖軟件多數與控制要求未滿足工藝過程造成的；還有設計與輸入數據引發的組態錯誤，需要基于對化工廠DCS 的深入了解和生產工藝的特點合理設置并優化運行條件和參數。如果為驅動程序選擇錯誤所致，需要結合DCS 安裝手冊選擇條件相符的程序軟件，并根據設計要求規范完成網絡配置、網卡驅動等的安裝。當然，及時更新升級應用軟件且做好病毒查殺工作也是非常必要的。

（3）對于通信類故障，需要定期檢測通信端子、模件、線路接口等情況，及時解決接觸不良、接口錯誤等問題，經常性的在線測試DCS 通信負荷率，這樣的話，即使通信總線切換或工作異常時也能將其負荷率控制在允許范圍內，以免造成通信滯留影響正常的生產活動。優化組態也是處理通信故障的有效途徑，即在檢修時對DCS 的操作站、數據站、DPU 等依次復位，隨后將其中無效的I/O 點刪除，并對柜機、模件、網絡等進行必要的清掃，同時建議借助雙層網結構分開管理網絡和系統網絡，以此實現組態的優化，提高DCS 通信的穩定可靠水平[6]。對于過程通道故障的處理和防范，不僅需要營造良好的運行環境，做好基本的日常維護，還要避免使用大功率無線通信工具，盡可能減少人為切換操作。

3.3 規范操作，保證安全生產

分析化工廠DCS 常見故障及其原因數據得知，人為操作的影響也是不容小覷的，這就需要在使用DCS 的整個過程中遵循相關指導和規定，切實做到規范操作，保證安全生產。因此對于操作人員而言，除了掌握基本的計算機操作技能外，更應加強實操練習，如計算機監控系統中的控制分組、調整畫面、趨勢圖、流程圖、報表、數據一覽、報警一覽、系統狀態、查找I/O 位號等常用功能，以及儀表面板中的指針、狀態改變、設定值、開關儀表等細節問題，必須熟練而準確的操作，禁止未經系統授權禁止隨意修改運行參數，并具備一定的應急能力，如DCS 操作截面數據無法刷新或手自動切換不能操作時必須聯系儀表維護并即刻到達現場操作，若出現變送器故障應立即轉為手動，出現卡件故障時必須切回手動，待故障卡件被更換完畢且故障消除后方可再次投入自動等等。只有嚴格遵守管理制度，進行規范操作，化工廠DCS 運行質量才能得到進一步的保障。

4 結束語

化工廠生產連續而危險，應用DCS 是必然選擇，關鍵在于最大限度地降低其故障風險。這就要求相關人員結合具體實踐，了解DCS 的故障類型和原因，然后采取合理有效的預防和治理措施加以抑制，進而降低故障概率，促進DCS 更為安全、可靠地服務于化工廠生產。