工業(yè)自動化控制DCS系統(tǒng)維護技術分析

孫云飛

山東電力建設第三工程有限公司，山東青島，266100

0 引言

我國科學技術不斷進步，工業(yè)生產的自動化水平也在提升，越來越多高科技含量的設備投入到工業(yè)生產當中，使生產效率顯著提升。但是，這些設備本身所包含的各項參數(shù)比較復雜，設備的功能也處于待完善狀態(tài)。工業(yè)自動化控制當中，DCS系統(tǒng)是應用最為廣泛的系統(tǒng)，其具備可靠性高、控制性能強的特點。但是DCS系統(tǒng)在運行過程中條件比較復雜，很容易出現(xiàn)運行故障。為進一步突出DCS系統(tǒng)在工業(yè)生產自動化中的應用效果，需要詳細了解DCS系統(tǒng)，并掌握DCS系統(tǒng)常見的故障以及做好故障診斷工作。如此，才能制定科學合理的維護措施，選擇恰當?shù)木S護技術，充分發(fā)揮出DCS系統(tǒng)的控制功能。

1 工業(yè)自動化控制技術的發(fā)展歷程

1.1 電力拖動控制系統(tǒng)

電力拖動控制系統(tǒng)分為直流傳動和交流傳動系統(tǒng)。交流電機無極調速系統(tǒng)出現(xiàn)于20世紀30年代，廣泛應用于機床等對電傳動技術性能要求高的機械設備上。20世紀60年代，大功率晶體管的成功研制，使變換器技術發(fā)生了根本性的變化。晶閘管直流電動機調速系統(tǒng)克服了旋轉交流機組體積大、成本高、效率低、維護困難等缺點，調速精度、動態(tài)響應等技術性能也有了很大提高[1]。20世紀80年代，電力電子技術與微電子技術相結合，在交流電動機調速方面取得了重大進展。鼠籠式發(fā)動機變頻調速和異步繞線轉子系統(tǒng)是以轉子交流控制系統(tǒng)逐漸取代直流控制系統(tǒng)。

1.2 PLC系統(tǒng)

20世紀30年代，機械加工公司通過機械化制造工藝來提升制造效益。在不同的自動化生產線中有許多繼電器系統(tǒng)。在頻繁運行的狀態(tài)下，接觸式電器工作頻率降低，使用壽命短。這降低了操作電路的可靠性。生產于20世紀60年代初期的矩陣順序控制器和晶體管邏輯控制器，都是利用電子技術來作為繼電器控制的[2]。接觸器控制裝置的缺點是不能廣泛應用。通用汽車公司建議將計算機完整性、靈活性和互操作性以及繼電器-接觸器控制系統(tǒng)的易解釋性和可操作性相結合。為了使通用控制器適應工業(yè)環(huán)境，簡化了編程和入門級程序，提高了員工對所用技術的理解和掌握。1969年，EDC開發(fā)了第一臺可編程邏輯控制器(PLC)，并成功地將其應用于總裝線。摩托車的PLC安全性最高，平均無故障工作時間十萬小時以上，大大降低了設備維護成本和經濟損失[3]，已成為電氣自動控制系統(tǒng)中廣泛應用的基礎設備。

1.3 DCS系統(tǒng)

DCS的管理系統(tǒng)涉及電腦、通信、顯示和管理四方面。它的特色是集中管理、上級監(jiān)控和分散管理。它便于使用，在制造中獲得應用。工業(yè)生產信息化是利用計算機信息技術、傳輸網(wǎng)絡和多媒體技術來滿足工業(yè)生產發(fā)展的技術要求的完整性分析。自動DCS控制系統(tǒng)應防止在潮濕和氧化條件下長期運行[4]。最小的DCS控制器，包括了硬件和軟件、操作節(jié)點、控制站。操作節(jié)點主要分為操作站點、工程師站和歷史站點，而控制站則主要分為主控卡、通信卡和電源單元、I/0卡和相關的終端板。主控層采用冗余處理的100Mbps工業(yè)以太網(wǎng)，為確保與光纜并行地平穩(wěn)工作，現(xiàn)場信號處理層采用了1.5～1.6的PROFIBUS-DP總線同軸。在中央控制層和信號處理單元的現(xiàn)場，它也可以用于第三方通信站和工業(yè)控制器。因此DCS也在電子工業(yè)中起到了很大的輔助功能作用。設備DCS系統(tǒng)故障會降低生產效率，導致生產中斷。因此，有必要加強系統(tǒng)維護[5]。

2 DCS系統(tǒng)常見故障

2.1 通信網(wǎng)絡故障

在DCS控制系統(tǒng)中，其通信網(wǎng)絡功能主要是兩方面：一方面是用于過程處理器間的通信，另一方面是用作人機間交互的通信。在實際工作中，無論什么方面的通信網(wǎng)絡系統(tǒng)功能存在問題，都會使DCS系統(tǒng)的測控功能受影響，DCS通信故障的主要因素是數(shù)據(jù)傳輸不暢通或中斷、信息干擾等[6]。在通信網(wǎng)絡系統(tǒng)中，信息數(shù)據(jù)的傳遞主要借助于節(jié)點間的詢問進行，一旦某個節(jié)點向另外的節(jié)點詢問了某數(shù)據(jù)，而被詢問的節(jié)點卻不是這樣的數(shù)據(jù)，那么詢問的節(jié)點就會繼續(xù)向其他節(jié)點詢問數(shù)據(jù)，這樣就會造成數(shù)據(jù)通信的不順暢。進行信息傳送的線纜如果長時間未加以更新，發(fā)生老化、銹蝕等現(xiàn)象后，會造成通信線路斷裂。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，會有許多的工作裝置，其中不同的裝置在控制系統(tǒng)中擔負著不同的功能，設備內部的信息傳送產生相應的影響，對DCS控制系統(tǒng)的信息傳送產生阻礙，影響其順利傳送[7]。

2.2 電源故障

供電是確保整個DCS系統(tǒng)平穩(wěn)工作、高效監(jiān)控的重要基礎。在DCS控制系統(tǒng)中，為避免突發(fā)事故后的供電線出現(xiàn)斷路導致整個系統(tǒng)停機工作，往往采取冗余雙電源的模式進行供電，即一個為主供電，一個后備供電。在實際工作中，系統(tǒng)一般通過主電源實現(xiàn)供電，但如果主機供電設備出現(xiàn)了問題，則系統(tǒng)就可以主動轉移到后備供電上，從而保證了系統(tǒng)的工作安全平穩(wěn)[8]。而開關式供電事故則一般是由于開關式供電的布線頭觸碰不好、松動、電路端子排接頭螺釘松動或過熱等，在某些有強磁干擾的地方也會造成開關電源過度的消耗。另外，開關式供電保險燒毀、機籠燃燒等也是較為普遍的開關式供電事故。

2.3 服務器故障

通常當DCS操作系統(tǒng)停機檢修之后，很容易發(fā)生DCS操作系統(tǒng)的主、輔服務器切換失常的情形。最主要的故障現(xiàn)象為：畫面顯示器均為灰色，同時屏幕上出現(xiàn)的信號均為亂碼，單擊告警記錄，指示為服務器設備B(A)→服務器設備A(B)，單擊右下角的系統(tǒng)圖后，提示為網(wǎng)絡系統(tǒng)出現(xiàn)故障。有故障的服務器設備指示為紅光，無故障的服務器設備則指示為綠燈，但控制器部分卻是正常工作運行的。原因是：當DCS系統(tǒng)只完成了一個比對時，有可能會造成主、副服務器的工作時間不一致，而產生無法進行的狀況，也有可能會是主服務器的信息未能發(fā)送，甚至是在故障信息發(fā)送后，副服務器卻并未接收信息，而造成了主、副服務器設備的切換功能失常[9]。

2.4 插件故障

DCS系統(tǒng)插件是一個連接元件，主要的功用是按照控制系統(tǒng)的工作條件，對線纜和電纜端頭進行連接、切斷，而這種插件中有的是必須連接的，有的必須絕緣的。在實際工作中，因為觸及插件的材質選擇不恰當、產品設計不合理或者工作環(huán)境問題等，都會造成觸及插件內部產生接觸不良的狀況，導通不暢。另外，觸及插件內部的塵土、金屬塵埃或者絕緣老化問題等，也會造成觸及插件內部產生絕緣不好的狀況。

3 DCS系統(tǒng)的故障診斷

DCS控制系統(tǒng)本身也具有失效的自診斷程序，自診斷程序會定時地對總線或網(wǎng)絡上的部分模塊、元件等作出檢查。而一旦在工作中發(fā)生了異常，控制系統(tǒng)就會產生故障代碼，而具體的故障代碼也將經由操作站來傳遞給系統(tǒng)運行管理人員。作業(yè)技術人員通過故障代碼了解到故障信號后，必須展開常規(guī)的檢測，重點是對發(fā)生故障的部分加以逐一排查，常用的故障排查法主要有以下幾種。

3.1 直接判斷法

按照系統(tǒng)運行過程中所形成的代碼進行判斷，查看其中的故障代碼，并根據(jù)設備所形成的故障現(xiàn)象，直接判斷故障發(fā)生的部位，并分析故障產生的原因。該種判斷方法需要判斷人員本身具備豐富的工作經驗，且能直接闡述故障產生的具體原因。當然，該種方法無法準確指出故障的位置，但能判定故障的大致范圍，采用該種故障診斷方法能夠有效節(jié)省故障診斷時間。

3.2 外部檢查法

該種檢測方式適合于對表面上容易發(fā)生的故障判別。通過外觀檢測，能夠使故障診斷的時間大大縮短，主要可以通過觀察來檢查某些零件是不是有破損、接線頭的接觸是不是正常、插座是不是有松動以及電纜是不是有斷裂的現(xiàn)象。有的情況可利用對裝置的輕輕敲打或搖晃來加以確定，例如電纜聯(lián)接不好的現(xiàn)象，可利用輕輕搖晃把聯(lián)接不好的地方檢查起來，一般聯(lián)接不好的地方容易出現(xiàn)松動。

3.3 替換對比法

在實際的故障排除中，這也是較為普遍的一個做法。該技術運用起來也相當方便，不過前提條件是故障出現(xiàn)的部位盡量減少，以縮短零件更換的時限。針對疑有故障的零件，用新的零件進行替代安裝，一旦故障消除了，即是由于零件磨損而引起的故障，但一旦故障仍不能消除，則必須進行對疑有故障的零件進行替代安裝，直至故障完全消除。但必須注意的是，在進行新的零件替代安裝之前，要確認系統(tǒng)中并不出現(xiàn)短接或通斷的狀況，不然就會造成新替代安裝的零件發(fā)生磨損問題，不但浪費掉了修復的時機，還大大增加了修復生產成本。

4 DCS系統(tǒng)維護技術

4.1 優(yōu)化通信網(wǎng)絡

通過DCS系統(tǒng)故障的排除流程和排除法判斷出現(xiàn)故障的原因和部位，在判斷部位、確定原因后實施針對性的檢查維修。在平時的網(wǎng)絡維護中，要更多檢測DCS主機系統(tǒng)及其與主機系統(tǒng)所連接的系統(tǒng)間的通信負荷率，可通過網(wǎng)絡測量儀表定期檢查通信負荷率，一旦該指數(shù)達到了正常值，就要及時進行通信優(yōu)化，還可將網(wǎng)絡系統(tǒng)的運行參數(shù)加以適當調節(jié)，從而使得通信負荷率在正常的范圍內。在實際生產中，為了減低通信負荷率也可用優(yōu)化網(wǎng)絡結構的方法，例如在控制站和主控單位中間的網(wǎng)絡設備，通常使用的是單層網(wǎng)絡結構，可將其加以調整，或采取雙層網(wǎng)絡結構的方法，以較好地減低通信負荷率。要定期檢查通信線纜狀況，有老化、絕緣破裂、銹蝕等現(xiàn)象及時進行更新，還必須確保新?lián)Q的線纜質量滿足實際運行的標準。同時需要注意，對以雙路冗余性方式所配置的電源線，要檢查是不是有插頭松動、觸及不好等狀況，并及時加以修理。針對信息干擾造成的通信問題，要采取相應的方法把設備彼此分隔起來，可以增加設備內部的空隙，還可設置信息分隔設備，把無線網(wǎng)分隔，這樣，就可以減少設備內部的相互干擾影響。

4.2 加強電源維護

開關電源是DCS控制系統(tǒng)的關鍵部分，對開關電源的保護重點是要加強防護工作。首先，要把好質量關，在開關電源的交付使用過程中，首先要挑選品質良好的產品，并保證產品的技術參數(shù)都符合實際工作條件。然后，在平時的操作中，要定期檢查開關電源的回路和輸出電流等，并檢查開關電源中的元器件是不是存在著老化的情況，并定期更新元器件。使用紅外測溫儀測量接線螺栓的工作溫度，以檢測有無存在接線螺釘工作溫度的過高現(xiàn)象。檢查所供電的保險絲容量是否滿足正常運行的需要，以及是否出現(xiàn)保險絲容量過大或過小的情形。此外，必須注意的是，冗余性雙電源供電方法雖然有其必然的優(yōu)點，但同時也會造成供電故障或報警信號錯誤，不利于對故障的診斷。在停機大修時，特別要做好對機籠的檢測，但是由于機籠替換的流程比較復雜，而且替換困難也較大，在大修流程中也極少發(fā)生替換，造成了其長時間工作，很容易發(fā)生燃燒的狀況，所以盡量是定時替換機籠。最后，設置供電使用和維修狀況信息管理日志，使檢測人員可以了解供電裝置的工作狀況，適時作出檢測及更新零部件，也為后期的檢測維護提供一些必要的參照依據(jù)[10]。

4.3 優(yōu)化服務器

關于主、副服務器設備切換異常的正常維護，需要首先將CRT運行停機，以確定機組的主機負載平衡。檢測系統(tǒng)的網(wǎng)絡和控件有無出現(xiàn)故障，如果網(wǎng)絡和控件都正常工作，則還必須檢測服務器設備的對時操作系統(tǒng)有沒有差異。假如是由對時系統(tǒng)差異所引起的切換異常，則必須重新啟動主機服務器設備，并在軟件設定上使主、副服務器設備每間隔一段時間完成1次對時，以保證主、副服務器設備的時序一致性。若沒有因為主、副服務器相對的操作系統(tǒng)不同造成的切換異常，就必須做好下一個排查。

4.4 加強插件維護

插件的故障問題需要特別注意，尤其是在進行設備裝機過程中，做好插件的檢查工作，確保插件已經處于導通狀態(tài)。檢查插件需要保持操作系統(tǒng)停止運行，并對插件進行逐一檢查。雖然設備本身比較復雜且插件種類較多，但在實際檢查期間，可以利用導通檢測設備規(guī)避手動檢查，該種設備操作簡單，且檢查流程比較少，能夠有效提升檢查效率，且規(guī)避檢測失誤的問題。還需要經常開展動態(tài)振動測試，在系統(tǒng)靜止下的插件即便接觸狀況良好，但實際工作中由于振動也會造成插件產生信號瞬時停頓的狀況，所以通過振蕩測試就能夠檢測插件在正常系統(tǒng)工作狀況下的接觸狀況。面對一些插件所存在的絕緣性不好問題，可以對插件制定清潔計劃，采用吹灰器將插件當中可能存在的金屬屑或者是塵土清除。如果對設備進行大修，需要對不容易被清洗到的插件死角進行專門的清洗，確保插件和卡槽連接良好。當然，在對插件進行絕緣檢測期間，如果發(fā)現(xiàn)絕緣老化要予以替換，以防止出現(xiàn)絕緣件被擊穿的狀況。

5 結語

DCS控制系統(tǒng)作為工業(yè)生產領域的關鍵組成部分，對工業(yè)生產信息化管理有著關鍵的意義。所以，必須做好對DCS系統(tǒng)的保養(yǎng)，針對系統(tǒng)經常出現(xiàn)的問題做好針對性的維修排除。排查的過程中，需要科學合理地運用一些常規(guī)的排除手段，迅速發(fā)現(xiàn)問題部位，針對某些易發(fā)問題部位和零部件進行重點監(jiān)測，做到發(fā)現(xiàn)問題，及時進行維修排除，使DCS系統(tǒng)更加平穩(wěn)工作，對工業(yè)智能化管理起到積極作用。