石油化工自動化儀表的常見故障及維護技術(shù)

崔杏杏

（中國石油工程建設(shè)有限公司華北分公司，任丘 062550）

自動化儀表是石油化工生產(chǎn)過程中的核心組件。由于工藝流程的復雜性和生產(chǎn)過程的自動化需求，這些儀表在精確控制生產(chǎn)參數(shù)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。因此，石油化工生產(chǎn)對儀表設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性有著極高的要求。相較于普通儀表，自動化儀表的故障成因更為復雜，故障種類也更多，從而增加了維護難度。文章深入剖析故障成因，采用科學的維護手段，確保自動化儀表的穩(wěn)定運行。

1 自動化儀表的特點

在石油化工生產(chǎn)領(lǐng)域，自動化儀表具有重要的作用，為石油化工生產(chǎn)提供了全面的技術(shù)支持。石油化工自動化儀表具有以下特點。第一，高精度測量。自動化儀表可以實現(xiàn)高精度的測量，誤差不超過±0.01%，可滿足石油化工過程中對測量精度的要求。第二，高穩(wěn)定性。石油化工過程中，自動化儀表能夠保持長時間的穩(wěn)定運行，減少故障和停機時間，提高生產(chǎn)效率。第三，多種通信協(xié)議支持。自動化儀表支持多種通信協(xié)議，如Modbus、Profibus 等，可以與其他設(shè)備進行通信和數(shù)據(jù)交換。第四，開放性。自動化儀表采用以Windows/CE、Linux、VxWorks 等嵌入式操作系統(tǒng)為系統(tǒng)軟件核心和高性能微處理器為硬件系統(tǒng)核心的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)。第五，適應性強。自動化儀表可根據(jù)石油化工工藝的不同需求進行定制和配置，滿足不同生產(chǎn)流程的要求。

2 自動化儀表的常見故障及其成因

2.1 傳感器故障

傳感器故障主要有3 種類型。一是傳感器輸出信號波動較大、不穩(wěn)定、無法提供準確的測量數(shù)值，一般是因為傳感器受到外部電磁干擾、電源電壓不穩(wěn)定、傳感器內(nèi)部元件老化等。二是傳感器完全失去功能、無法產(chǎn)生任何輸出信號，一般是因為傳感器元件損壞，電源供應出現(xiàn)問題，或者惡劣工作環(huán)境導致傳感器內(nèi)部損壞。三是傳感器輸出的測量值與實際值之間存在較大的偏差、誤差值超出可接受范圍，一般是因為傳感器長時間使用、未進行定期校準，或環(huán)境因素引起的傳感器漂移等。

2.2 信號傳輸故障

信號傳輸故障主要有3 種類型。一是控制系統(tǒng)無法接收傳感器的信號，導致無法進行相應的控制，主要是電纜連接松動或斷裂、電纜被外部物體剪斷，或電纜線路故障等原因?qū)е滦盘枱o法正常傳輸。二是控制系統(tǒng)接收到的信號出現(xiàn)波動或噪聲，使得測量值不穩(wěn)定，主要是電磁干擾、設(shè)備互相干擾、外部電源波動等引起的信號干擾。三是控制系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)無法接收傳感器信號，導致控制失效，主要是信號傳輸線路出現(xiàn)短路或斷路、設(shè)備響應延遲等原因?qū)е滦盘柍霈F(xiàn)死區(qū)。

2.3 執(zhí)行機構(gòu)故障

執(zhí)行機構(gòu)故障主要有2 種類型。一是閥門無法正常打開或關(guān)閉，導致流體控制不準確，主要是因為閥門長時間未使用造成零部件卡阻，或介質(zhì)沉積在閥門內(nèi)部，阻礙閥門運動。二是控制系統(tǒng)輸出的電機驅(qū)動信號正常，但執(zhí)行機構(gòu)無法響應，電機無法正常工作，主要是電機老化、電源問題，或控制電路故障等原因?qū)е码姍C失靈。

2.4 電源故障

電源故障主要有2 種類型。一是控制系統(tǒng)供電電壓波動大、影響儀表和執(zhí)行機構(gòu)的正常工作，一般是因為電源質(zhì)量不穩(wěn)定、電源線路老化，或其他設(shè)備對電源的影響等。二是控制系統(tǒng)供電線路出現(xiàn)短路或斷路，導致電源無法正常供應，一般是因為電纜連接不良、電纜老化以及電線短路或斷路等。

2.5 環(huán)境因素引起的故障

環(huán)境因素引起的故障主要有2 種類型。一是儀表外殼、連接線等部件出現(xiàn)腐蝕，降低儀表的整體性能，主要是因為化學介質(zhì)對儀表材料的腐蝕，或氣候條件對設(shè)備表面的侵蝕等。二是儀表工作在高溫環(huán)境下，內(nèi)部元件老化，密封材料硬，主要是因為長時間高溫工作、環(huán)境溫度過高等。

3 自動化儀表常見故障的維護技術(shù)

3.1 傳感器故障維護技術(shù)

3.1.1 故障診斷

使用Tableau、Power BI 等數(shù)據(jù)記錄和分析工具，監(jiān)測傳感器輸出信號的波動情況，通過與設(shè)定的波動閾值進行對比，判斷是否存在異常波動。在實時監(jiān)測的基礎(chǔ)上，可以采用數(shù)據(jù)存儲與回放的方式，進一步分析波動的時間段，有助于確定故障發(fā)生的具體條件。利用先進的故障診斷工具和儀表上的故障代碼或報警信息，快速定位傳感器故障的類型和位置，從而大幅縮短故障定位的時間，提高維護效率[1]。針對偏差較大和誤差故障，需要校準儀表，以確保傳感器輸出值與實際值相符。校準可以有效減小測量誤差，并檢查儀表的運行狀態(tài)，確保沒有物理損壞或連接問題。此外，可以使用獨立的測量手段驗證儀表輸出，并將測量值與其他設(shè)備的讀數(shù)進行對比，以排除單一儀表的偏差。

3.1.2 傳感器元件更換

當傳感器內(nèi)部元件損壞時，采用精密的儀器和工具拆解傳感器，更換損壞的元件，更換過程中需要確保操作環(huán)境清潔，避免灰塵和雜質(zhì)進入傳感器內(nèi)部。針對不同類型的傳感器，選擇合適的替代元件進行更換，在更換元件時需要確保新元件的性能參數(shù)與原有元件相匹配，以保證傳感器的正常工作[2]。

3.1.3 預防性維護

定期清潔維護傳感器，保持其外部表面干凈，防止灰塵、油污等雜質(zhì)影響傳感器的正常工作。清潔過程中要使用合適的清潔劑，避免對傳感器材料產(chǎn)生腐蝕。在傳感器工作環(huán)境中安裝環(huán)境監(jiān)測設(shè)備，實時監(jiān)測溫度、濕度等因素，當環(huán)境條件發(fā)生變化時，通過自動化系統(tǒng)進行相應的調(diào)整，以減少對傳感器的影響。

3.2 信號傳輸故障維護技術(shù)

3.2.1 故障診斷

采用示波器、信號分析儀等實時監(jiān)測和分析信號，通過觀察波形、頻譜等參數(shù)，快速定位信號傳輸路徑中的異常，為后續(xù)的故障排查提供準確的依據(jù)。建立故障模式識別系統(tǒng)，通過分析歷史數(shù)據(jù)，識別出不同類型的信號傳輸故障模式，采用機器學習等技術(shù)，使系統(tǒng)能夠在出現(xiàn)相似故障時迅速做出準確判斷，提高故障診斷的效率。

在故障定位時，可以采用時域分析法，觀察信號在時間軸上的波動情況，通過分析波形的振幅、周期等信息，定位信號傳輸路徑中的異常點，該方法對于一些瞬時干擾或短時故障的定位具有較好的效果。采用頻域分析法，將信號轉(zhuǎn)化到頻域進行分析，觀察頻譜的變化，通過識別頻譜中的異常頻率成分，可以準確定位信號傳輸中的故障源，可以快速定位問題[3]。

3.2.2 信號增強與保護

在信號傳輸路徑中設(shè)置信號放大器，增強信號的強度，在長距離傳輸或受到外界干擾較強的情況下，能夠提升信號的穩(wěn)定性，減小信號失真的可能性。采用電磁屏蔽技術(shù)屏蔽信號傳輸線路，通過使用屏蔽罩、屏蔽層等材料，減少外界電磁干擾對信號傳輸?shù)挠绊懀鰪娦盘柕目垢蓴_能力。

3.2.3 在線監(jiān)測與維護

建立遠程監(jiān)測系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)控儀表設(shè)備的運行狀態(tài)。實時獲取信號傳輸?shù)南嚓P(guān)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)異常及時報警，降低因故障而導致的生產(chǎn)風險。制訂定期維護計劃，定期巡檢信號傳輸線路。檢查連接器、絕緣層、接地等關(guān)鍵部位，及時發(fā)現(xiàn)并處理故障隱患。

3.3 執(zhí)行機構(gòu)故障維護技術(shù)

3.3.1 故障診斷

利用振動傳感器監(jiān)測執(zhí)行機構(gòu)的振動情況，通過分析振動頻譜判斷機械磨損程度。使用電流和電壓傳感器監(jiān)測執(zhí)行機構(gòu)的電氣參數(shù)，識別電氣故障。對控制信號進行波形分析，檢測是否存在異常信號，判斷控制系統(tǒng)是否正常。

3.3.2 機械磨損故障的維護

定期檢查執(zhí)行機構(gòu)的潤滑系統(tǒng)，確保潤滑油的質(zhì)量和充油量符合要求，使用先進的潤滑油和自動潤滑系統(tǒng)，減少機械磨損。定期檢查執(zhí)行機構(gòu)的關(guān)鍵部件，如軸承、齒輪等，一旦發(fā)現(xiàn)磨損，及時更換，避免故障進一步擴大。

3.3.3 電氣故障的維護

定期巡檢執(zhí)行機構(gòu)的電氣連接，確保電纜連接牢固，絕緣性良好，防止因電氣連接松動引發(fā)故障。建立電氣參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測執(zhí)行機構(gòu)的電流、電壓等參數(shù)，記錄歷史數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)分析工具預警和診斷異常情況。采用現(xiàn)場絕緣測試儀定期測試執(zhí)行機構(gòu)的電氣絕緣，確保電氣系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性[4]。

3.4 電源故障維護技術(shù)

3.4.1 供電不足的維護

在使用自動化儀表時，需要確保電源容量滿足儀表的需求，通過評估系統(tǒng)的負載可以確定電源容量是否滿足要求。如果電源容量不足，應及時進行升級，以防止供電不足導致儀表工作不穩(wěn)定。為了應對電源供應中斷的情況，可以設(shè)置備用電源，備用電源可以是不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）或發(fā)電機組，能夠在主電源故障時立即接管供電，確保儀表系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運行。

3.4.2 電源波動的維護

電源波動可能會對自動化儀表的正常運行造成影響，可以通過安裝電源穩(wěn)壓器來維持電源的穩(wěn)定性。電源穩(wěn)壓器能夠自動調(diào)整輸出電壓，抵消電源波動，保持在儀表允許的工作電壓范圍內(nèi)。為了抑制電源中的高頻噪聲，可以在儀表的電源線路上安裝濾波器，有效過濾電源中的雜波。

3.4.3 電源干擾的維護良好的地線連接對于減小電源干擾具有重要作用，因此應定期檢查地線連接是否牢固，避免接地不良引起的電源干擾，可以采用導電性較好的連接材料，如銅排來提升地線連接的可靠性。在儀表的電源線路上加裝屏蔽罩或屏蔽導線，可以有效減小外部電磁干擾對電源的影響，屏蔽措施能夠保持電源信號的純凈性，增強儀表的抗干擾能力。

3.5 環(huán)境因素引起故障維護技術(shù)

3.5.1 溫度變化引起的故障及維護技術(shù)

在高溫或低溫環(huán)境中，自動化儀表會受到材料性能的影響而出現(xiàn)故障，因此在儀表設(shè)計和選擇材料時，應優(yōu)先考慮使用耐高溫或耐低溫的材料，以確保儀表在極端溫度條件下能夠正常工作。同時，可以采用溫度補償技術(shù)，在儀表中嵌入溫度傳感器，實時監(jiān)測環(huán)境溫度，并根據(jù)溫度變化調(diào)整儀表的工作參數(shù)，以保持儀表的穩(wěn)定性和準確性。

3.5.2 濕度變化引起的故障及維護技術(shù)

濕度對儀表的影響主要體現(xiàn)在電路板和電子元件上，在潮濕環(huán)境中應采取防潮措施，如在儀表內(nèi)部加裝濕度吸收劑或采用防潮密封技術(shù)，以防止?jié)駳馇秩雽е码娐范搪坊蛟骷p壞。對于需要在潮濕環(huán)境中使用的儀表，可以采用密封防護技術(shù)，包括使用密封圈、防水膠等材料，確保儀表的外殼和連接部分具有良好的密封性，防止?jié)駳鉂B入。

3.5.3 化學物質(zhì)腐蝕引起的故障及維護技術(shù)

在腐蝕性化學物質(zhì)的工作環(huán)境中，應選擇耐腐蝕的材料。以自動化儀表的外殼為例，為了防止外殼受到腐蝕，可以選擇如表1 所示的防腐材料。在儀表表面涂覆防腐蝕涂層，可以有效隔離化學物質(zhì)對儀表的腐蝕，增強儀表的抗腐蝕能力[5]。

表1 自動化儀表外殼可選擇防腐材料

4 結(jié)語

研究石油化工自動化儀表的常見故障及維護技術(shù)對于提高生產(chǎn)效率、保障生產(chǎn)安全、提升設(shè)備可靠性、降低維護成本以及推動技術(shù)創(chuàng)新都具有重要的理論意義，在明確故障種類及成因的情況下，采用科學的維護技術(shù)能夠確保儀表高效穩(wěn)定運行。