浅谈仪表常见故障分析和处理

郭柱

摘 要：在自动化生产过程中，针对生产和仪表调试过程中，一些常见的仪表故障现象、造成原因进行分析，并提出解决的方法。

关键词：仪表故障;信号切换;干扰;I/O开路;故障处理

1 引言

随着仪表自动化水平的不断提高和发展，仪表本身的制造质量日臻完善，出现故障的几率越来越少，但出现故障后分析和判断故障的难度加大。要排除故障、解决问题，仪表维护人员不仅要对仪表的工作原理、结构、性能熟悉外，还需了解生产过程控制中的每个环节。下面就生产和仪表调试过程中一些常见故障进行分析，并提出一些解决方法供参考。

2 自动化仪表典型故障分析和处理

2.1 采用隔离技术，解决氧含量信号切换干扰

2.1.1 故障起因

乙醛装置HIMA联锁系统是从德国西门子公司引进的成套设备，76年开始投用。近几年来，HIMA联锁系统故障频繁，误动作多，存在很大安全隐患。在这次大修改造中，由HONEYWELL公司的FSC联锁报警系统替代。经过这次改造后，模拟量测量信号通过原信号分配器，分别传送到FSC、KMM、KMS、KMR等仪表实现信号共享。其中三台在线氧分仪（ARAS-1102、1103、1104）是检测循环气中的氧含量，工艺控制的报警值是6.5%，联锁值是7.0%，是重要的联锁信号，采用三取二联锁方式，仪表屏上安装了一台信号切换开关，可以任意将三台在线氧分仪中的一组测量信号传送至FFRCQ-1204（KMM调节器）进行串级调节。氧含量在乙醛装置氧化反应（为O2-C2H4）过程中的控制原理图如下：

O2和C2H4的测量信号经过KMM内部功能模块运算（1：2），生成一个比值系数，作为FFRCQ-1204的测量信号，而ARCAS-1102的输出信号作为FFRCQ-1204的外部给定信号，组成一个带串级调节的比值控制系统。如果ARAS-1102（1103、1104）的测量信号产生偏差，将直接影响到氧化反应系统的正常反应，使装置工艺控制参数发生变化，同时影响到装置的安全运行及乙烯单耗。

在FSC改造的过程中，当内部接线完成后进行模拟调试时，发现3台氧分仪的测量信号在切换时，产生相互干扰，信号出现偏差;采取了各种方法进行调试、结果都无法解决问题，经分析：问题的关键出在切换开关上。

2.1.2 分析切换开关结构和工作原理

通过对切换开关系统接线、线路板和系统控制部分进行分析：

（1）切换开关逻辑原理图如下：

注：①SB2、SB3、SB4是ARAS-1102、1103、1104的切换按钮。

②R2、R3、R4是原切换开关中的继电器。③R3、R4是新安装的继电器。

（2）切换开关控制接线图（改造后）。

从上面两幅图中可知：

切换开关电源合上后，R2继电器优先得电动作、正极信号由R2继电器15、16触点输送到ARCAS-1102调节器的23端子，负极信号再输送到ARCAS-1102的24端子，然后经ARCAS-1102调节器的输出端子3、4，把信号再传送到FFRCQ-1204调节器（KMM），组成一个带串级调节的比值控制回路。当切换开关分别切换到ARCAS-1103和ARCAS-1104时;由ARCAS-1103或ARCAS-1104组成一个带串级调节的比值控制回路。但是，由于三路信号负极采用共负端形式（都是由R2继电器的6、7触点输送），而且三路信号中各自串接了一只120Ω电阻作为负载，这样对于整个控制回路来讲，最大负载量就超过了控制回路所规定的值（信号分配器内串联了一个250Ω+FSC信号输入端的250Ω+切换开关内的120Ω+信号回路中的線路电阻等≥600Ω），从而影响到整个测量回路，使实际测量信号与显示不对应、出现偏差，并产生相互的干扰、影响了整个带串级调节的比值控制回路的正常控制。

如何解决问题，有三种方法：

（1）需重新选型购买新的切换开关。但重新选型购买，在时间节点内肯定无法准时开车。

（2）自己动手对原切换开关进行改造。尽管没有图纸和相关的资料，但是根据以上的分析应该是正确的，因此，选择了第2种方案。

2.1.3 改造措施

根据以上的分析结论，需采取以下的改造措施：

（1）共负极信号采用继电器隔离技术。由于原切换开关回路中采用共负极方法取输出信号，引起信号切换过程中相互干扰。因此，只需在切换开关中加装两只继电器，对负信号进行分离，使三路负信号各自单触点输出，互不干扰。

（2）取消原切换控制回路中的电阻负载，使整个控制回路的负载小于最大控制负载值，保证控制回路达到正常运行技术要求。

（3）由于我们现有的继电器体积较大，在切换开关内部安装、排线、焊接过程中需确保安全可靠，符合技术要求。

2.1.4 改造效果

改造后的切换开关安装后经调试确认，现场分析室输出的电流信号（ARAS-1102、1103、1104），经电源信号分配器分别传送到FSC、KMM、KMS、KMR及切换开关后，实际测量信号与显示信号和控制回路中的信号相一致，并且三路信号在切换过程中互不干扰，完全符合仪表控制要求，达到理想的设计、改造效果，保证了FSC改造工作的顺利进行，确保了装置正常开车。

2.2 热电阻测温信号异常及故障处理

2.2.1 热电阻测温信号异常分析

我厂循环水冷却塔风机温度相继发生温度显示异常故障，其现象是在中控室CRT上温度显示呈无规律跳跃，在现场检查测温元件正常，在DCS控制站中继端子测得的电阻值与实际温度均呈对应关系。我们采取了更换热电阻、检查测温信号传输电缆屏蔽接地、更换DCS信号处理通道等措施，但都没有效果。为了找到故障原因，我们又重新铺设了1根电缆，仍不能解决问题，经过对比测试、检查分析，得到的结论是在测温信号中混进了干扰信号，为此我们采取了如下处理方法。

2.2.2 故障处理

（1）改变信号接地方式。热电阻测温信号通常采用三线制接线方式，使用KYVRP3×1.5屏蔽电缆引至DCS现场站中继柜内，电缆屏蔽，在中继柜内接地。解决的方法是将热电阻Pt100的B、b二根信号线在中继柜端子处与电缆屏蔽接在一起，将干扰信号引入大地，以此方法消除干扰信号，即可使该点温度显示恢复正常。

（2）改变信号传送方式。可在现场加装Pt100热电阻温度变换器或更换一体化温变热电阻，将Pt100电阻信号转换为标准4～20mADC信号，并相应改变DCS输入信号通道，这种方法也可消除信号传输过程中产生的干扰，使DCS显示的温度恢复正常，因为4～20mADC信号的抗干扰能力非常强，温度变换器安装位置可依现场实际情况决定，但最好选择室内安装，这种方法的缺点是增加了设备投资，同时需要提供变换器电源。

2.3 DCS显示控制阀I/O开路

2.3.1 故障原因

在上海化工区BASF聚氨酯公司进行仪表回路调试中，碰到这样一个问题：DCS显示控制阀I/O开路，一般来说这是一个常见的故障。故障分析原因总是这几条：①回路信号开路，连接电缆故障;②DCS组态通道与接线端子图没有对应;③I/O模块通道坏;④控制阀阀门定位器坏等。但是，通过以上检查均无问题。DCS系统为Emerson的DeltaV，其中I/O模板都支持HART通讯协议，而控制阀是德国Samson公司的3730-3阀门定位器，且具有HART通讯功能。

2.3.2 故障分析

（1）回路信号开路，通过对信号电缆进行检测、信号干扰、绝缘和屏蔽接地等测试均无故障;用FLUKE707过程校验仪在DCS机柜接线端子上加4～20mADC信号控制阀开度0～100%运行正常。

（2）用此DCS的I/O通道去控制别的同型号的阀门定位器，故障现象消除;而信号电缆经检查确实也无问题;用同样的笨办法把现场阀门的控制电缆接到别的同型号的阀门定位器上，DCS画面显示回路正常，故障消失;因此，矛盾都集中在阀门定位器上。

（3）Samson公司的3730-3阀门定位器，支持HART通讯协议，而Emerson的DeltaV，其中I/O模板都支持HART协议;询问Emerson的组态工程师：I/O模块的通道是否组态成HART协议支持，经查看组态确实是在HART协议支持上打勾，而且所有的输出模拟通道都要求支持HART通讯协议;此时提议Emerson的组态工程师作个试验，把I/O模块的通道组态成非HART信号回路，改好后I/O回路显示正常，同时在DCS画面改变控制阀的输出都一一对应。说明，故障还是在阀门定位器，而且是定位器内的通讯部分故障。

（4）PC和3730-3閥门定位器之间的通讯是基于HART协议;若由于信号回路中的供电电压变得太低也会影响控制站与阀门定位器之间的通讯，经查回路电压工作正常;通过对阀门定位器功能图的详细分析，功能图如下：

从解析功能图可知，信号电缆从W端一路进入A/D转换器，经过模数转换后，再到μC微控制器;另一路从W端口经HART调制解调器FSK再到μC微控制器。由于在阀门定位器加4～20mADC信号时，阀门的开度在0～100%范围都一一对应，说明信号从A/D转换器到μC微控制器这一路都正常;故障就出在FSK调制解调器上，由于DCS软件组态成HART通讯协议支持，它在联接硬件（阀门定位器）时，对点的通讯回路有个诊断的过程，检测FSK调制解调器时发生故障，使通讯没有通过，从而出现了I/O开路现象。总而言之，种种迹象表明故障就是阀门定位器。

2.3.3 故障处理

通过上面的各种分析、测试和试验，确定故障为Samson公司的3730-3阀门定位器;由于这是工程的建设阶段，此控制阀还在厂家的保运时间，且又是厂家的责任;因此，通知厂家更换阀门定位器，经重新安装调试后故障消失。

3 结束语

科技的进步和仪表自动化水平的不断提高和发展，出现的仪表故障种类繁多，分析和判断故障的难度也日益加大;因此，仪表维护人员不仅自身要加强专业水平地学习，还需进一步了解生产过程控制中的每个环节，以利于提高处理故障地能力。

参考文献：

[1]SAMSON 3730-3型电气阀门定位器 安装和操作指导[J].汽车世界.