DCS系统回路故障分析及处理

2016-08-09张明

大科技 2016年31期

张明

DCS系统回路故障分析及处理

张明

（重庆长风化学工业有限公司重庆长寿 401252）

随着4C技术及软件技术的迅猛发展，DCS控制系统得到了很广泛的应用，特别是在电力、石化这样的行业。先进技术的应用这对仪表和系统维护人员提出了更高的要求，掌握熟练借助和结合DCS技术来分析、查找、处理各种自控仪表故障的技能，将是提高维护质量和效率的关键。很多自控仪表的故障根源来自于工程安装，所以把好工程安装质量关将是预防故障的关键和有效手段。本文主要以DCS在化工行业的应用为实例展开论述。

信号；DCS；故障；分析；查找；处理

DCS系统回路由现场仪表和DCS系统设备组成，如图1所示。回路信号是维护人员分析、判断、处理故障非常重要的根据，弄清楚了信号就等于找到了分析、判断、处理故障的法宝。所以专业技术人员必须掌握信号的类型，信号的测量方法，以及仪器仪表设备处理信号的基本原理。

图1 DCS系统控制回路及信号图

1 常见控制信号分类

（1）模拟输入信号（AI）：主要包括 4～20mA 电流信号（有源、无源型），1～5V电压信号等，如各种变送器；各类温度信号，如热电阻（Pt100和 Cu50）、热电偶。

（2）模拟输出信号（AO）：主要是4～20mA电流信号，如控制调节阀定位器、变频器等信号。

（3）开关量输入信号（DI）：干触点，如电机接触器辅助触点，微动开关，控制按钮等。

（4）开关量输出信号（DO）：干触点，如控制开关，联锁开关。

（5）通信信号：如工业以太网信号和Profibus-DP总线信号。

2 故障分析和查找方法

2.1 故障分析的基本思路

（1）首先在分析故障前，要通过工艺人员了解生产工艺的基本情况和现场的条件，必须弄清回路中包含了哪些设备，各个设备的功能、特点、工作电源、输入和输出端的信号类型等参数和要求，以及各设备之间的连接接线图。

（2）充分利用DCS控制系统对实时数据的保存和曲线记录的特点，查看故障点历史记录曲线，再结合生产工艺所反应出的故障现象，综合分析判断故障所在。

（3）维护人员要充分认识DCS技术是采用成熟的计算机、通讯等高科技技术，其具有高灵敏度，高精度和高稳定性的特点，其出故障的几率是很小的。

2.2 现场仪表故障分析查找方法

2.2.1 直接判断法

有一定工作经验的维护人员，通常只需要结合自身的经验就可以直接且较准确地判断出故障所在。

（1）如是变送器，当数据显示突然变为零或零下时，基本可以判定是回路断路，或是回路某个设备掉电。

（2）若是热电阻测温，温度显示突然跑最大，应是有断路故障；显示偏小或是跑最小，回路有短路故障。

2.2.2 折半法

适用于查找回路故障，查找回路中的关键设备和线路故障。比如先从连接现场和室内控制系统的安全栅入手，可以将故障范围缩小一半。

2.2.3 对比法

适用于有临近、同功能仪表回路的情况，将故障点移接到正常的点或是通道上，观察是否正常。比如DCS同一I/O模块的某一通道出现显示异常的情况，可以将故障点接到另一正常的通道进行比对（在不影响生产的情况下），从而判断故障所在。

2.2.4 排除法

利用“奥卡姆剃刀法则”简化工作思维。先从常见故障原因查起，比如常见的设备或线路故障，从易到难，逐个排除，最终找到故障点，无须一开始就从最复杂的情况开始分析查找原因。

2.2.5 工艺曲线结合法

仪器仪表的异常工作状态可以直接反映到与其相关联的其他工艺参数上，所以反过来利用工艺参数的变化，可以分析仪器仪表的故障所在。

在此以4塔变压吸附提H2工艺，冲压工序为例进行分析。变压吸附提H2冲压步骤，是吸附塔（A塔）为升压塔（B塔）升压，使其达到吸附压力，此步骤精确控制冲压调节阀是关键阀。仔细分析图2，不难看出，A、B塔的压力呈现波浪型，且当A塔压力曲线处于波峰时，B塔压力处于波谷，反之亦然，这就说明和两塔连通的调节阀频繁波动，从而导致了冲压流量的波动。

首先对系统PID参数和阀门进行检查并调校后，从新开车，发现问题依旧存在。通过对系统PID输出4～20mA电流信号和现场阀门的执行开度的情况进行实时跟踪观察发现，调节阀的执行动作始终滞后于系统的控制输出，导致了控制的紊乱和振荡。

图2 异常工艺参数曲线

图3 正常工艺参数曲线

那为什么调节阀不能及时执行系统的控制输出呢？经过仔细研究发现，调节阀采用的“电气阀门转换器”，而不是带实际阀位负反馈的“电气阀门定位器”。电气阀门转换器是把输出压力作为负反馈，其负反馈信号的大小不能准确反应出阀门的实际开度，气体的压缩性也会引起负反馈的延时；而电气阀门定位器是将阀门的实际开度作为负反馈的，其控制的精度明显好于电气阀门转换器。

停车更换为电气阀门定位器后，控制效果非常理想，工艺参数也回到正常的曲线，如图3所示，A塔吸附压力稳定，产品H2压力稳定，B塔冲压过程均匀而平稳，几乎成一条直线。

工艺参数的记录曲线让自控系统和仪表的故障无处藏身。

2.3 DCS控制系统故障处理

当今的各类连续化生产活动基本上都采用了自动控制系统，系统中的任一环节出现故障，都可能影响生产甚至停车，所以只有掌握正确有效的系统维护方法，才能保证系统良好的运行状态，提高系统的可靠性、稳定性和运行效率，为企业实现安全、高效的生产提供有力支持。系统维护工作主要是故障处理、保证系统的良好运行状态和优化系统。

系统维护大致可以分为日常维护和故障维护。排除系统故障的基本思路和方法：掌握最有用最典型的故障现象，分析产生该故障现象的可能原因，然后综合利用各种处理方法解决故障。在我们故障维护工作中，经常遇到在开车时突然出现故障，处理不好就要停车的紧急情况，这就考验维护人员的应急故障处理能力。所以故障应急处理能力也是衡量一名维护人员技术能力高低的一个重要依据。

2.3.1 常见硬件故障及处理方法

系统每一个硬件都有各种运行状况指示灯，首先要清楚每个灯代表的意义，指示灯的每种颜色，亮灯的方式都代表什么，这是我们判断故障的最直接的依据。不同的DCS系统其状态指示灯的含义不尽相同，切不可照搬、照抄甚至混淆不清。

（1）主控单元故障判断及更换

当发现有主控运行指示灯RUN变为红色时，表明主控出现故障，如需在线热拔插主控单元时，在恢复的时侯，必须等主、从主控数据拷贝完成后才可再拔插，否则会造成数据丢失，甚至严重的生产后果。

（2）I/O模块的更换

当发现I/O模块工作异常时，若需要在线更换卡件时，必须认真核对卡件型号，做好防静电工作，以防止卡件损坏。

（3）操作员站黑屏

当操作员站出现黑屏，或是不能正常启动时，应是显示屏或主机出现故障，利用对比替换法可判断并解决。

（4）内部通讯故障

如发现操作员站画面实时数据突然变成文字（工艺位号）的现象，应先检查通信网络，如交换机，光纤收发器等通信设备的故障。

（5）外接通讯设备故障

当DCS系统通过MODBUS协议和电机不能正常通讯时，应先检查相应主机上是否运行了通讯软件，如在运行，就要检查软件的设置是否和电机的地址码相对应，以及各个端口的接线情况，是否有断路发生。