DCS通信故障分析

王本京

(江苏中能硅业科技发展有限公司检维护分厂，江苏 徐州 221000)



DCS通信故障分析

王本京

(江苏中能硅业科技发展有限公司检维护分厂，江苏 徐州 221000)

摘要：介绍了某DCS通信故障，通过系统检查、现场排查分析了该故障的原因，试验证明变频器为主要干扰源，塔架及液氩罐的地线为传播干扰的途径。通过对DCS盘柜、变频机柜的分析，得出干扰主要为感应耦合方式。总结提出了防止该类故障发生的改进措施，有效解决了该故障问题，保障生产的正常进行。

关键词：离散控制系统变频器接地干扰

1DCS构成

DCS从结构上可分为过程级、操作级和管理级。过程级主要由过程控制站、I/O单元和现场仪表组成，是系统控制功能的主要实施部分。操作级包括操作员站和工程师站，完成系统的操作和组态。管理级主要是指工厂管理信息系统(MIS)。DCS的控制决策是由过程控制站完成的，即控制程序是由过程控制站执行的。过程控制站是一个完整的计算机系统，主要由电源、中央处理器(CPU)、网络接口和I/O组成。

2故障现象

某多晶硅企业DCS突然出现C线UCN电缆故障，造成HPM控制器失效及数据时断时续，根据历史记录发现某日9时左右发生UCN电缆B报警，后电缆A也同时报警，造成HPM 6个冗余控制器失效，同时操作站出现数据时断时续，大约持续了15min后系统恢复正常。

3排查故障过程

3.1系统检查

1) 电源检查。供电电压由UPS电源系统供给，稳定在219V左右，零线及安全地线无电势差，电源状态良好。

2) 接地检查。外部母排接法比较规范，柜内接地线规范及部分信号线屏蔽没有接入母排。对每根接地线都进行了测量，未发现过大的电流，大多数为1～5mA，只有几根有10～50mA的电流，不会对系统造成影响。

3) 柜内检查。现场信号基本都经隔离后再进入系统，系统安装未发现不符合标准的现象。UCN电缆连接正常，可以保证通信质量，提高电缆抗干扰能力。

4) 系统观察及测试。电缆切换： 正常；风机开机测试： 开机后1h左右发生1次UCN电缆噪音突增现象，再次测试时正常。

3.2现场排查

对DCS盘柜内进行检查后，可以确认故障为系统外界干扰所致(电磁干扰或接地窜入干扰)，即现场传入。

通过现场多方数据调查对比与开停大型转机记录分析，最终发现干扰来源于距DCS控制室40m处某工号废气洗涤系统中抽风电机变频柜，此变频柜控制玻璃钢离心风机运转，功率22kW，用于硅块、硅芯、石墨清洗间抽废气。变频器功率约30kW。经调阅此控制柜以前操作记录，发现几次操作通断时间与DCS出现干扰时间基本吻合。现在控制柜处于风机停运状态，DCS也不存在干扰。

为了进一步确定干扰源的存在和其他数据，组织相关人员到现场进行试验，故障排查流程如图1所示。

试验结果可确定变频器是主要干扰源，塔架和液氩罐的地线为传播干扰的途径。

4原因分析

4.1DCS盘柜分析

综合DCS盘柜上述检查结果，判断系统运行正常，无卡件质量、电源及接地不规范问题。UCN的噪音增加为突发现象，并且迅速发生、迅速消失，由此造成UCN冗余电缆短时间失效。该现象可确认为系统外界干扰所致(电磁干扰或接地窜入干扰)，但当时无测试设备，且缺乏对相关知识的了解，无法进一步确认电磁干扰强度。

4.2变频器柜分析

现场变频器柜主要针对变频器的干扰分析。变频器主要由整流电路、逆变电路、控制电路组成，其中整流电路和逆变电路由电力电子器件组成，而电力电子器件具有非线性特性，当变频器运行时，需进行快速开关动作，从而产生高次谐波，因而变频器输出波形除基波外还含有大量高次谐波。无论是哪一种干扰类型，高次谐波是变频器产生干扰的主要原因。变频器能产生功率较大的谐波，对系统其他设备干扰性较强，其干扰传导途径与一般电磁干扰传导途径是一致的，主要分为传导(电路耦合)和辐射(电磁辐射、感应耦合)。对周围的电子、电气设备产生电磁辐射，对相邻的其他线路产生感应耦合，感应出干扰电压或电流。同样，系统内的干扰信号通过相同的途径干扰变频器的正常工作。

图1　现场排查流程示意

当变频器的输入电路或输出电路与其他设备的电路距离很近时，变频器的高次谐波信号将通过感应(电磁感应、静电感应、空中辐射)的方式耦合到其他设备中去。

通过对开停变频器的试验，确认了DCS通信干扰从无到有的过程，从干扰性质类型来看，变频器和DCS空间直线距离只有50m左右，虽然DCS取电来自于不间断UPS电源，和变频器的取电不在同一个电源上，但干扰主要为感应耦合途径方式。

5采取措施

为加强DCS抗干扰能力，防止类似干扰再次发生，采取以下改进措施：

1) 检查电磁场干扰。根据相关机构建议执行。

2) 接地窜入。接地母排进行分层及分类，与电气接地分开。

3) 现场盘柜及线路的改造。

a) 观察风机是否一直都在工频运行，若是，建议可取消变频器，直接去除干扰源。

b) 若变频器还需使用，将变频器进出电源线加装滤波器、瓷环或加屏蔽装置，滤除本身产生的干扰。

c) 接地线不要接在靠近变频器的柜子内，考虑接在外面，远离变频器。

d) 信号线与动力线要垂直交叉或分槽布线。

e) 不要采用不同金属的导线相互连接。

f) 屏蔽管(层)应可靠接地，并保证整个长度上连续可靠接地。

g) 屏蔽层接地点尽量远离变频器，并与变频器接地点分开。

h) 一般情况下，对被干扰设备仪器，均可采取屏蔽及其他抗干扰措施。

通过现场调研，由于DCS和变频器柜安装使用已有2年，中间电缆线路走向已固定，无法重新布线调整，信号电路使用的是双绞线屏蔽电缆，屏蔽管(层)接地、接地点远离变频器并与之分开及加屏蔽抗干扰措施容易做到，但更重要的是，此抽风

电机属间断使用，且一旦投用一直运行在工频，引入变频器没有太大意义。为彻底断绝干扰对DCS的冲击，将变频器暂停不用，使电机处在工频运行，此后DCS没有再出现此类现象。

6结束语

DCS是现代化工业监控的重要组成部分，决定着整个生产的稳定与运行，一旦出现故障，轻则造成工艺波动影响产品质量，重则全线停产，因而需保证系统可靠稳定运行，不受外界干扰，平常要观察运行状况，总结各种问题处理方法及经验，发现任何异常要及时彻底处理，保障生产的正常进行。

参考文献：

[1]王森，晁禹，艾红.仪表工试题集-控制仪表分册[M]北京： 化学工业出版社，2008： 2-3.

[2]崔兰超，阮晓飞，李凤霞.基于Modbus协议的DCS与变频器的通信设计与实现[J].化工自动化及仪表，2013，40(06)： 798-801.

[3]郎微微，王鑫，肖健.横河DCS系统中语音报警的实现方法[J].化工自动化及仪表，2012，39(02)： 281-282，284.

[4]丁景龙.基于DCS与PLC系统DP通信的ETS改造[J].化工自动化及仪表，2012，39(10)： 1362-1364.

[5]杨利丰，俞文光，张哲强.罐区智能仪表与国产DCS通信的研究与实践[J].石油化工自动化，2014，50(02)46-48.

[6]杨博.DCS控制系统的改造实践[J].化工自动化及仪表，2012，39(02)： 283-284.

中图分类号：TP273

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2015)04-0072-02

作者简介：王本京(1970—)，男，江苏徐州人，现就职于江苏中能硅业科技发展有限公司，主要从事计算机系统控制工作。

稿件收到日期： 2015-04-07。