工業自動化控制DCS系統維護技術分析

郝宏偉

（國能錦界能源有限責任公司，陜西 神木 719319）

隨著中國科學技術的發展，工業生產領域的自動化程度越來越高，一些高科技含量的設備投入越來越多，這些設備運行參數復雜，需要功能更加完善的控制系統來監控其運行。在工業自動化控制中，DCS系統的廣泛應用讓自動化控制的可靠性越來越高。但由于DCS系統運行的環境復雜，加上系統本身的軟硬件組成復雜，難免會出現一些故障。為了更好地發揮DCS系統在工業自動化控制中的作用，需要加強對系統的維護，總結其在運行中常發生的故障類型，并結合生產實踐，針對性地采取科學措施進行系統維護，確保其穩定運行，更好地發揮控制功能。

1 DCS系統

DCS系統也被稱為集散控制系統，即集中管理、分散控制系統，它是區別于集中控制系統的。DCS系統的信息傳輸主要是依靠網絡通信，而且其過程控制主要依靠計算機系統，這些計算機系統又設置成不同的層級，進而實現對不同層級的設備進行過程控制。DCS系統不是由單一的系統組成的，而是融合了計算機網絡、自動化控制等現代技術，正是由于這些現代技術的融合應用，才讓DCS系統的運行速度更快，對設備的控制更加可靠。其控制原理是所有的運行系統都通過中央控制室來監控，而執行控制任務的每個單元都是分散獨立的。比如，控制芯片、顯示器等，包括相對應的數據庫之間的運行都是獨立的。這樣的話，就保證了整個系統的可靠運行。而且DCS系統監控以及組態的軟件包都具備良好的功能，運行起來的安全性能很高，再加上結構冗余的硬件設計，讓DCS系統有了更好的拓展性。當前，隨著科學技術的發展，DCS系統的功能也越來越完善，可以和一些系統進行結合，滿足不同生產環境下的控制需求，進而發揮更大的作用。比如，DCS系統可以和企業資源計劃系統進行結合，不僅可以監控生產過程，還可以在原料的調度方面、生產計劃方面等發揮作用，讓工業生產更加的穩定，更加有秩序。

2 DCS系統的故障診斷流程及方法

2.1 故障診斷流程

在實際運行中，DCS系統運行的環境不同，高溫、高濕、粉塵等惡劣環境都有可能會給系統帶來危害。而且不同的運行環境下，DCS系統的故障也可能不同，不同故障的外在表現也有差異。長期在高溫環境下運行出現的故障和在高濕環境下運行出現的故障也有不同，因此要根據DCS系統運行的環境以及不同故障的外在表現等來判斷故障發生的原因，哪些部位以及零部件易出現故障等。結合生產實踐，對DCS系統的故障排除流程為：

第一，要確定好故障源。發生故障以后，要先判斷故障源是現場儀表故障引起的，還是DCS系統故障引起的。首先排除儀表，如果是儀表出現問題，要進行維修，損壞的零部件要及時更換；如果是DCS系統故障，需要進行進一步的排查。

第二，人為操作不當引起的故障。這類故障相對來說在實際中出現的比較多，而且排查起來比較便捷，比如線路斷開、短路、零部件損壞等，這些都比較易發現。主要包括接線故障、模塊安裝不當等，還有相關的操作人員在進行系統操作時，由于操作不當導致的參數整定錯誤，系統的狀態設定錯誤等[1]。

第三，確定故障源是DCS故障后，要明確是硬件損壞引起的故障還是軟件系統導致的故障。如果是硬件故障，要結合工作環境及生產實踐經驗，快速排查易發生故障的部位或零部件，之后進行零部件的修復或更換。如果是軟件系統故障，可以嘗試先將系統進行重啟，如果故障無法消除，再嘗試安裝新的系統軟件，若故障消除，則可正常啟動；如果故障仍未消除，要檢查系統中編寫的程序及組態的數據，再由專業的系統人員進行維護，或者可以和系統的供應商進行聯系解決。

2.2 常用的故障診斷方法

DCS系統自身帶有故障自診斷程序，自診斷程序會定期對總線及網絡上的一些模塊、部件等進行診斷。如果在運行中出現異常，系統就會形成故障代碼，而相應的故障代碼則通過操作站來傳送給操作人員。操作人員根據故障代碼了解到故障信息后，需要進行常規的檢查，主要是對發生故障的部位進行逐步排查。在實際中，常用的故障排查法主要有以下幾種：

第一，直接判斷法。根據系統生成的故障代碼，結合故障現象以及之前的故障記錄等，對發生故障的部位及原因直接判斷[2]。這種診斷方法需要操作人員有豐富的維護經驗，能夠根據經驗基本上判斷出故障的原因。但是通過直接判斷法有時候并不能確定故障的準確部位，只能確定出故障的大致部位，還需要進行檢查確認，確定故障后再進行排查。

第二，外部檢查法。這種檢查方法適用于表面易發現的故障診斷。通過外部檢查，可以將故障診斷的時間大大縮短，主要是通過觀察來發現一些零部件是否有損壞、接線頭的連接是否良好、插頭是不是有松動以及線路是否存在斷開等情況。有的故障可以通過對設備的輕微敲擊或晃動等進行判斷，比如線路連接不良的情況，可以通過輕微晃動將連接不良的部位查找出來，一般連接不良的部位易發生脫落。

第三，分段查找法。對于發生故障的部位不明確，或者是影響的范圍不清晰，可以采用分段排查法，縮小故障的排查范圍。可以將發生故障的大致范圍進行分段查找，對于在實際運行中可能出現故障的線路及零部件進行分段檢查，進而確定故障發生的部位。

第四，替換對比法。在實際的故障排查中，這也是比較常用的一種方法。該方法操作起來也比較便捷，但前提是要對故障發生的部位盡可能地縮小，以減少零部件替換的時間。對于疑有故障的零部件，用新的零部件進行替換安裝，如果故障排除，則是零部件損壞導致的故障，如果故障沒有排除，則需要進一步對懷疑有故障的零部件進行替換安裝，直到故障排除。需要注意的是，在進行新的零部件替換安裝前，要確定系統中不存在短路或斷路的情況，否則會導致新替換安裝的零部件出現損壞，不僅浪費了維護的時間，還提高了維護成本，造成不必要的浪費。

3 工業自動化控制DCS系統常見故障

3.1 通信網絡故障

在DCS系統中，其通信網絡主要是兩個方面：一方面是用于過程處理器的通信，一方面是用于人機交互的通信。在實際運行中，不論是哪個方面的通信網絡出現問題，都會讓DCS系統的控制功能受到影響[3]。導致DCS網絡通信故障的主要原因是數據傳輸不通暢或中斷、信號干擾等。在通信網絡中，信息數據的傳輸主要通過節點之間的問詢進行，如果某節點向其它的節點問詢某數據，而被問詢的節點沒有此類的數據，那么問詢的節點就會不斷地向其它節點問詢數據，這樣的話就會導致通信不通暢。還有就是進行信號傳輸的電纜若長期未進行更換，出現老化、腐蝕等現象后，會導致通信線路中斷。此外，在工業生產控制中，會有很多的運行設備，這些不同的設備在系統中承擔著不同的作用，設備之間的信號傳輸存在一定的干擾，對DCS系統的信號傳輸形成干擾，影響其正常傳輸。

3.2 服務器切換異常

一般在DCS系統停運檢修后，易出現DCS系統的主、輔服務器切換異常的情況。主要的故障現象是：CRT畫面顯示為灰色，而且顯示的信息均為亂碼，點擊報警記錄，顯示服務器B（A)→服務器A（B），點擊右下角的系統圖后，顯示為網絡故障。有故障的服務器顯示為紅色，無故障的服務器顯示為綠色，控制器部分是正常的。主要原因是：DCS系統只進行一次對時，有可能導致主、副服務器的時間不一致，出現無法切換的情況，也有可能是主服務器的信號未發出，或者是故障信號發出后，副服務器沒有收到信號，導致主、副服務器切換異常。

3.3 電源故障

電源是保證DCS系統穩定運行、有效監控的基礎。DCS系統中，為了防止突發故障后電源出現斷路，導致系統停止運行，經常采用冗余雙電源的模式進行供電，即一個主電源，一個備用電源。在實際運行中，主要依靠主電源進行供電，一旦主電源發生故障，系統可以主動切換到備用電源上，確保系統的運行安全穩定。電源故障主要是電源接線頭接觸不良、松動、回路端子排接線螺栓松動或過熱等，電源的阻抗值變大影響輸出、電源線布設不合理等，在一些具有強磁干擾的區域會導致電源過度的損耗。此外，電源保險燒毀、機籠燒毀等也是比較常見的電源故障[4]。

3.4 系統插件故障

DCS系統插件是一種連接器件，主要的功能是根據系統的運行要求，對電纜及電纜端頭進行接通、斷開，這些插件有的是需要接通的，有的需要絕緣的。在實際運行中，由于接觸插件的材料選用不當、設計不合理以及運行環境影響等，會導致接觸插件出現接觸不良的情況，導通不暢。還有就是接觸插件之間的灰塵、金屬屑以及絕緣老化等，導致接觸插件出現絕緣不良的情況。

4 工業自動化控制DCS系統維護技術

4.1 優化通信網絡

根據DCS系統故障排查流程及排查法確定發生故障的原因及部位，確定部位、明確原因后進行針對性的維護。在日常的網絡系統維護中，要多查看DCS主系統以及和主系統相連的系統之間的通信負荷率，可以采用網絡測試儀器定期檢查通信負荷率，如果該指標超過正常值，要及時進行網絡通信優化，還可以將系統的運行參數進行調整，確保通信負荷率在正常的范圍內。在實際生產中，降低通信負荷率也可以用優化網絡架構的方式，比如在操作站與主控單元之間的服務器，一般采用的是單層網絡架構，可以將其進行優化，采用雙層網絡架構的方式，以更好地降低通信負荷率。要定期檢查通信電纜情況，有老化、絕緣損壞、腐蝕等現象要及時更換，還要保證新更換的電纜質量達到實際運行的標準。同時還要注意，對于雙路冗余方式配置的電纜，要查看是否有插頭松動、接觸不良等情況，要及時進行維護。對于信號干擾帶來的通信故障，要采取有效的措施讓電氣設備相互隔離開來，可以加大電氣設備之間的間隔，也可以安裝信號隔離裝置，將地線網絡隔開，這樣的話，就會降低設備之間的相互干擾影響[5]。

4.2 服務器異常的維護

對于主、副服務器切換異常的維護，要先將CRT操作停止，確定機組的主機負荷穩定。之后，將紅色報警服務器進行手動重啟，檢查服務器是不是一主一備，如果系統圖上顯示的是一臺為綠色，另外一臺為黃色，則確認為一主一備。再檢查系統的網絡和控制器有沒有存在故障，如果網絡和控制器均正常，則需要查看服務器的對時系統有無差別。如果是對時系統差別導致的切換異常，需要重新啟動主服務器，并從軟件設置上讓主、副服務器每間隔一段時間進行一次對時，確保主、副服務器的時間一致。如果不是主、副服務器對時系統差別帶來的切換異常，需要進行下一步排查。

4.3 加強電源維護

電源是DCS系統的重要組件，對于電源的維護主要是做好預防工作。首先，要把好質量關，在電源的投入使用前，要選擇質量更好的產品，確保產品的參數滿足實際運行要求。其次，在日常的維護中，要定期檢查電源的回路以及輸出電壓等，查看電源內部元器件是不是有老化的現象，要及時更換元器件。利用紅外線測溫儀測試接線螺栓的溫度，查看有無存在接線螺栓溫度過高現象。查看電源的保險絲容量是不是符合運行的要求，有無存在保險絲容量過大或過小的情況。另外，需要注意的是，冗余雙電源供電方式有其必然的優勢，但也會導致電源故障報警信息不準，不利于對故障的判斷。需要在停機檢修時，尤其是要加強機籠的檢修，因為機籠更換的流程較為繁瑣，更換難度大，檢修過程中很少進行更換，導致其長期運行，易出現燒毀的情況，因此最好是定期更換機籠[6]。最后，建立電源使用及維護情況管理日志，讓檢修人員能夠掌握電源設備的運行情況，及時進行檢修或更換零部件，也為后期的檢修維護提供一些必要的參考依據。

4.4 系統插件維護

要定期對系統插件進行維護，尤其是裝機后，要對插件的導通情況進行靜態狀態下的逐點檢查。檢查工作比較繁瑣，需要檢查的項目比較多，依靠人工手持儀器進行檢查的話，需要耗費不少時間。實際中，可以借助導通檢測儀進行檢測，檢測過程簡單、效率高，而且不會出現漏檢或錯檢的情況。還要做好動態振動試驗，在靜態下插件即便接觸良好，實際運行中由于振動也會導致插件出現信號瞬時中斷的情況，因此通過振動試驗可以檢驗插件在系統運行情況下的接觸情況。針對絕緣不良的情況，要經常進行插件清理工作，用吹灰器清理插件上的灰塵、金屬屑等。在機組停運檢修期間，對于平常難以清理的死角進行全面清理，使用專用清洗劑清洗插件以及插件的卡槽，確保插件與卡槽接觸良好。檢查插件的絕緣情況，出現絕緣老化的要及時更換，防止出現絕緣被擊穿的情況。

5 結束語

DCS系統是工業生產領域的重要部分，對于工業自動化控制具有重要的作用。因此，需要加強對DCS系統的維護，根據其常見的故障進行針對性的維護排查。排查的過程中，要合理地應用一些常用的排查方法，可以快速便捷地查找故障部位，還要加強對DCS系統日常的檢修，對于一些易發故障部位及零部件要重點監控，做到及時發現故障，及時維護排查，讓DCS系統更加穩定地運行，為工業自動化控制發揮自身的作用。