溫度儀表故障保護(hù)在DCS系統(tǒng)中的應(yīng)用

何宏偉

摘 要：DCS集散控制系統(tǒng)因靈活度高、通透性好、操作簡(jiǎn)單，已經(jīng)隨著微機(jī)4C技術(shù)的普及廣泛應(yīng)用于各工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域。而無(wú)論是采用熱電阻或者熱電偶作為感溫元件的溫度儀表，其故障保護(hù)也逐步廣泛應(yīng)用于利和時(shí)、新華、橫河以及西門(mén)子等諸多DCS系統(tǒng)中。溫度儀表故障保護(hù)在DCS系統(tǒng)中既可以直接確定溫度儀表的直接故障，也可以避免工業(yè)設(shè)備因其工業(yè)參數(shù)報(bào)警與溫度保護(hù)裝置聯(lián)動(dòng)，造成因設(shè)備有短路、斷路甚至信號(hào)干擾等非溫度異常引起的保護(hù)裝置聯(lián)動(dòng)跳閘造成的過(guò)度保護(hù)。是非常有現(xiàn)實(shí)意義的應(yīng)有技術(shù)。

關(guān)鍵詞：溫度儀表;故障保護(hù);DCS系統(tǒng)。

一、前言

當(dāng)前較為常見(jiàn)的自動(dòng)化溫度儀表測(cè)量方法主要分為熱電阻法和熱電偶法。熱電阻測(cè)溫法主要是利用金屬導(dǎo)體電阻隨溫度升高而增加的原理，通過(guò)精準(zhǔn)穩(wěn)定測(cè)定金屬導(dǎo)體電阻進(jìn)而穩(wěn)定反映出相應(yīng)的溫度值。一般低溫區(qū)域溫度測(cè)量都選用熱電阻法。而工業(yè)上普遍使用的熱電阻法選擇的熱電阻金屬一般具有以下特點(diǎn)，金屬導(dǎo)體需要有較大穩(wěn)定的導(dǎo)熱系數(shù)，且要求有較大的電阻率，這能保證儀表滿(mǎn)足足夠靈敏度的同時(shí)只需要相對(duì)較小尺寸的金屬單體即可。選用的金屬導(dǎo)體需要良好的物理性能保證可承受的測(cè)溫范圍，同時(shí)，電阻值與溫度值能夠形成穩(wěn)定的函數(shù)關(guān)系，且材料利于推廣使用。熱電偶測(cè)溫法是將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)。熱電偶是水泥廠在窯頭和窯尾系統(tǒng)溫度測(cè)量中應(yīng)用最普遍的測(cè)溫器件，它的特點(diǎn)是測(cè)量范圍廣、性能穩(wěn)定，有足夠的測(cè)量精度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，可以遠(yuǎn)傳，便于集中檢測(cè)和自動(dòng)檢測(cè)。

現(xiàn)代工業(yè)中使用的機(jī)械設(shè)備通常都要求長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，所以設(shè)備必不可少地安裝溫度儀表故障保護(hù)裝置。而故障保護(hù)需要關(guān)聯(lián)設(shè)備的相關(guān)參數(shù)，很多參數(shù)是與設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行息息相關(guān)，一旦設(shè)置不完善，某一參數(shù)稍微異常就觸發(fā)故障保護(hù)裝置直接停機(jī)，這樣的過(guò)度保護(hù)是不利于生產(chǎn)的，直接造成大型設(shè)備所在的生產(chǎn)線整條停產(chǎn)，而未完成的產(chǎn)品均需要報(bào)廢，經(jīng)濟(jì)損失不可估量。因此，需要引入更為先進(jìn)的DCS系統(tǒng)來(lái)合理、科學(xué)、安全地管理溫度儀表的故障保護(hù)裝置。如圖1、2所示為某公司實(shí)際使用的溫度儀表的感溫元件實(shí)例。

二、溫度儀表故障分類(lèi)及處理措施

1.采用熱電偶感溫元件的儀表故障及處理

采用熱電偶作為感溫的溫度儀表主要故障有接線虛接，接線腐蝕，短路，斷路等故障方式。那當(dāng)溫度儀表因故障保護(hù)而停止運(yùn)行時(shí)，需要詳細(xì)分析溫度儀表故障原因。首先需要切斷溫度儀表中的熱電偶原件，然后使用補(bǔ)償導(dǎo)線將溫度儀表短接，該補(bǔ)償導(dǎo)線具有與熱電偶接近的熱電特性，觀察回來(lái)情況。如果回路正常則說(shuō)明儀表正常能準(zhǔn)確監(jiān)控溫度變化起到故障保護(hù)的功能。除此之外，還可以測(cè)量熱電偶的電阻或者兩端的電勢(shì)來(lái)判斷儀表是否出現(xiàn)短路現(xiàn)象。

當(dāng)溫度儀表故障發(fā)生后，專(zhuān)業(yè)維修人員首先要使用電子儀器來(lái)測(cè)試、確認(rèn)和管理相應(yīng)的故障儀表。其次是適時(shí)對(duì)于系統(tǒng)溫度儀表進(jìn)行滯后測(cè)量，換句話說(shuō)如果溫度儀表系統(tǒng)數(shù)值顯示的是瞬時(shí)增加或減小，可判斷是溫度儀表系統(tǒng)出現(xiàn)了故障。那最大的可能性是導(dǎo)線斷路等原因造成的。另外溫度儀表系統(tǒng)指針出現(xiàn)加速的來(lái)回震蕩，一般情況是由于沒(méi)有正確調(diào)節(jié)PID導(dǎo)致了這類(lèi)現(xiàn)象的發(fā)生。再者手動(dòng)操作設(shè)備系統(tǒng)也會(huì)影響溫度儀表系統(tǒng)的正常指示，若手動(dòng)才做過(guò)程沒(méi)有指示的異常，則說(shuō)明是溫度儀控制系統(tǒng)本身的異常問(wèn)題。如果溫度儀表數(shù)值陡增或陡減，那判斷是變送器的放大器失效或者是系統(tǒng)導(dǎo)線斷線造成的。此外如果溫度儀表反應(yīng)遲鈍或者指針有大幅度的波動(dòng)，則確定為技術(shù)操作或儀表本身的性能的問(wèn)題。

2.采用熱電阻感溫元件的儀表故障及處理

熱電阻采用的材料基本為鉑、銅、錳、鎳、銠等純金屬，而工業(yè)上最經(jīng)常使用的為貴金屬鉑，通常將鉑金屬制作成電阻絲，將細(xì)的電阻絲繞成熱電阻。但因?yàn)榧?xì)的電阻絲容易在振動(dòng)較為劇烈的場(chǎng)合發(fā)生潛在的無(wú)法避免的斷裂問(wèn)題。另外，工業(yè)設(shè)備基本都將其工業(yè)參數(shù)報(bào)警與溫度保護(hù)裝置聯(lián)動(dòng)，會(huì)造成因設(shè)備有短路、斷路甚至信號(hào)干擾等非溫度異常引起的保護(hù)裝置聯(lián)動(dòng)跳閘造成了過(guò)度保護(hù)。

對(duì)于工業(yè)設(shè)備中的鉑電阻溫度儀表故障，可以按照其組成回路的三部分來(lái)分別檢查。首先對(duì)于輸出部分的溫度報(bào)警器檢定，如果根據(jù)儀表設(shè)定參數(shù)檢定沒(méi)有問(wèn)題則說(shuō)明報(bào)警器合格。然后再對(duì)輸入部分的鉑電阻進(jìn)行檢查，若萬(wàn)用表測(cè)量的電阻值為正常的數(shù)值時(shí)則說(shuō)明鉑電阻的正常的。最后再對(duì)回路測(cè)量部份的溫度變送器檢查，用歐姆表對(duì)于線對(duì)線以及線對(duì)地進(jìn)行絕緣測(cè)試，判斷是否有接地的異常現(xiàn)象。這樣詳細(xì)的檢定有助于排除以及處理熱電阻感溫元件的儀表的故障。

三、溫度儀表故障保護(hù)在DCS系統(tǒng)中應(yīng)用

1.溫度儀表故障保護(hù)在和利時(shí)DCS系統(tǒng)中的應(yīng)用

對(duì)于和利時(shí)DCS系統(tǒng)，來(lái)分析使用熱電阻作為溫度儀表元件的相關(guān)故障保護(hù)。對(duì)于使用A、B、C三線制的熱電阻，若A相斷路則系統(tǒng)顯示正的某值，若B、C相斷路則系統(tǒng)顯示為負(fù)的某值。而短路則系統(tǒng)顯示為0。因此可以根據(jù)系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，來(lái)進(jìn)行改進(jìn)邏輯以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度測(cè)量點(diǎn)的保護(hù)。以軸承溫都儀表故障保護(hù)邏輯為例，將保護(hù)溫度設(shè)定限值設(shè)為好，大于設(shè)定限值的為CT模塊，小于設(shè)定限值的為L(zhǎng)T模塊，系統(tǒng)中使用TON模塊來(lái)穩(wěn)定持續(xù)幾秒的輸入來(lái)源信號(hào)，穩(wěn)定后后輸出為1。當(dāng)溫度正常升高至設(shè)定限制時(shí)，輸出為1，經(jīng)過(guò)TON模塊后輸出1，與 LT模塊設(shè)定值判定后輸出的1值相與，發(fā)出溫度儀表故障保護(hù)跳閘指令。而當(dāng)測(cè)點(diǎn)由于斷路突然升高至設(shè)定限時(shí)，LT模塊輸出為0，即將此測(cè)點(diǎn)溫度儀表故障保護(hù)跳閘切除。同樣，當(dāng)測(cè)點(diǎn)突然降低至設(shè)定限時(shí)顯示為0時(shí)，也不會(huì)產(chǎn)生跳跳閘指令。這樣就避免了因壞點(diǎn)而導(dǎo)致的設(shè)備誤操作或者停機(jī)。也就達(dá)到了利和時(shí)DCS系統(tǒng)不因溫度儀表故障過(guò)度保護(hù)而造成的設(shè)備異常操作和停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.溫度儀表故障保護(hù)在新華DCS系統(tǒng)中的應(yīng)用

現(xiàn)在以新華DCS系統(tǒng)的溫度儀表元件使用熱電阻為例，通常情況下熱電阻采用A、B、C三線制，根據(jù)實(shí)際大量實(shí)驗(yàn)總結(jié)出：當(dāng)A相為斷路，則系統(tǒng)顯示溫度點(diǎn)為某一較高數(shù)值;當(dāng)B、C相斷路時(shí)，則系統(tǒng)顯示為壞點(diǎn);當(dāng)各相短路時(shí)，系統(tǒng)顯示數(shù)值約為0。這樣系統(tǒng)可以通過(guò)改進(jìn)控制邏輯來(lái)消除由于各種原因?qū)е碌腻e(cuò)誤信號(hào)。以電機(jī)軸承溫度儀表故障保護(hù)為例，首先在溫度測(cè)量 回路中加一個(gè)濾波，能有效消除因偶然因素引起的干擾 。系統(tǒng)中使用TQ模塊來(lái)測(cè)試溫度儀表狀態(tài)，可以直接判定出測(cè)點(diǎn)是否為壞點(diǎn)，設(shè)定壞點(diǎn)為1，非壞點(diǎn)為0。系統(tǒng)使用HLAlm模塊對(duì)溫度報(bào)警，超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定的溫度上下限值就會(huì)輸出1。所有從該控制邏輯可知，當(dāng)溫度正常升高至保護(hù)設(shè)定值時(shí)，HIAlm模塊就會(huì)輸出為1，而TQ模塊輸出為0，最后發(fā)出正常的跳閘指令;當(dāng)系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)為壞點(diǎn)，則TQ模塊輸出為1，此溫度儀表保護(hù)邏輯將被替換，不再參與整個(gè)系統(tǒng)的邏輯保護(hù)。而當(dāng)系統(tǒng)溫度儀表保護(hù)元件短路時(shí)，模塊均顯示為0時(shí)，故障保護(hù)動(dòng)作也不會(huì)發(fā)生。這樣就避免了因壞點(diǎn)或短路而導(dǎo)致的設(shè)備誤操作或者停機(jī)。 也就達(dá)到了新華DCS系統(tǒng)不因溫度儀表故障過(guò)度保護(hù)而造成的設(shè)備異常操作和停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。

3.溫度儀表故障保護(hù)在橫河DCS系統(tǒng)中的應(yīng)用

橫河公司開(kāi)發(fā)的DCS系統(tǒng)一般都會(huì)體現(xiàn)ETS的理念。而其系統(tǒng)一般都有集成的數(shù)據(jù)庫(kù)，其含有集成化的故障報(bào)警信息等，而溫度儀表的故障報(bào)警信息也包含在其中。通常橫河公司DCS系統(tǒng)中，無(wú)論溫度儀表的元件斷路還是短路，故障均顯示的是壞點(diǎn)。當(dāng)輸入低于下限時(shí)，在故障測(cè)位置顯示為IOP-;而當(dāng)輸入高于上限時(shí)，在故障測(cè)位置顯示為IOP。假設(shè)溫度儀表取值為平均溫度。系統(tǒng)將對(duì)每個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)并判斷是否為壞點(diǎn) ，若判斷為壞點(diǎn)，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)屏蔽此溫度測(cè)量點(diǎn)。該測(cè)量點(diǎn)就不再參與到平均溫度的計(jì)算中。這樣就避免了因壞點(diǎn)而導(dǎo)致的設(shè)備誤操作或者停機(jī)。 也就達(dá)到了橫河DCS系統(tǒng)不因溫度儀表故障過(guò)度保護(hù)而造成的設(shè)備異常操作和停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。

4.溫度儀表故障保護(hù)在西門(mén)子DCS系統(tǒng)中的應(yīng)用

西門(mén)子DCS系統(tǒng)我們以SIMATIC PCS7為例，它是以西門(mén)子成熟的PLC系統(tǒng)S7-400為基礎(chǔ)，集成了上位機(jī)的自動(dòng)化平臺(tái)。除了在技術(shù)方面使用冗余系統(tǒng)來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性外還運(yùn)用了安全儀表系統(tǒng)SIS，也有稱(chēng)之為安全聯(lián)鎖系統(tǒng)或者緊急停車(chē)系統(tǒng)ESD。如同前文所提，配備了安全儀表系統(tǒng)，如果生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障，系統(tǒng)邏輯錯(cuò)誤，動(dòng)力源失效以及監(jiān)控的過(guò)程變量超限等，安全儀表系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)入故障處理程序，將現(xiàn)場(chǎng)工藝設(shè)備轉(zhuǎn)入到安全模式展現(xiàn)給操作員和維護(hù)員，避免系統(tǒng)故障總成重大損失，實(shí)現(xiàn)規(guī)避或大大降低工藝實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的各種潛在風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然本文所提溫度儀表故障也是包含在在整個(gè)安全儀表系統(tǒng)中的，一般通過(guò)分析工藝過(guò)程和其控制對(duì)象，尤其是針對(duì)系統(tǒng)中出現(xiàn)的異常溫度儀表故障，可非常必要地引入獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)。獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)可采集各個(gè)安全儀表顯示的信息并傳輸?shù)紺PU中，這些信息包含測(cè)量的物理變量數(shù)值的大小也包含安全儀表自身的工作狀態(tài)。那么各個(gè)安全儀表自身工作狀態(tài)除去良好外，出現(xiàn)的異常工作狀態(tài)有信號(hào)溢出、失去電源、短路以斷路等儀表故障。以熱電阻為例，若溫度是緩慢上升而達(dá)到最高跳車(chē)值，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出跳車(chē)指令，直接跳車(chē)以保護(hù)設(shè)備;若是因斷路或儀表故障等瞬間達(dá)到最高跳車(chē)值，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)立刻給出一個(gè)虛假值并報(bào)警但不會(huì)發(fā)出跳車(chē)指令。這樣就避免了因壞點(diǎn)而導(dǎo)致的設(shè)備誤操作或者停機(jī)。 也就達(dá)到了西門(mén)子DCS系統(tǒng)不因溫度儀表故障過(guò)度保護(hù)而造成的設(shè)備異常操作和停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。

四、結(jié)論

DCS集散控制系統(tǒng)因靈活度高、通透性好、操作簡(jiǎn)單，已經(jīng)隨著微機(jī)4C技術(shù)的普及廣泛應(yīng)用于各工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域。而無(wú)論是采用熱電阻或者熱電偶作為感溫元件的溫度儀表，其故障保護(hù)也逐步廣泛應(yīng)用于利和時(shí)、新華、橫河以及西門(mén)子等諸多DCS系統(tǒng)中。溫度儀表故障保護(hù)在DCS系統(tǒng)中既可以直接確定溫度儀表的直接故障，也可以避免工業(yè)設(shè)備因其工業(yè)參數(shù)報(bào)警與溫度保護(hù)裝置聯(lián)動(dòng)，造成因設(shè)備有短路、斷路甚至信號(hào)干擾等非溫度異常引起的保護(hù)裝置聯(lián)動(dòng)跳閘造成的過(guò)度保護(hù)。是非常有現(xiàn)實(shí)意義的應(yīng)有技術(shù)。

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