温度仪表故障保护在DCS系统中的应用

何宏伟

摘 要：DCS集散控制系统因灵活度高、通透性好、操作简单，已经随着微机4C技术的普及广泛应用于各工业设备领域。而无论是采用热电阻或者热电偶作为感温元件的温度仪表，其故障保护也逐步广泛应用于利和时、新华、横河以及西门子等诸多DCS系统中。温度仪表故障保护在DCS系统中既可以直接确定温度仪表的直接故障，也可以避免工业设备因其工业参数报警与温度保护装置联动，造成因设备有短路、断路甚至信号干扰等非温度异常引起的保护装置联动跳闸造成的过度保护。是非常有现实意义的应有技术。

关键词：温度仪表;故障保护;DCS系统。

一、前言

当前较为常见的自动化温度仪表测量方法主要分为热电阻法和热电偶法。热电阻测温法主要是利用金属导体电阻随温度升高而增加的原理，通过精准稳定测定金属导体电阻进而稳定反映出相应的温度值。一般低温区域温度测量都选用热电阻法。而工业上普遍使用的热电阻法选择的热电阻金属一般具有以下特点，金属导体需要有较大稳定的导热系数，且要求有较大的电阻率，这能保证仪表满足足够灵敏度的同时只需要相对较小尺寸的金属单体即可。选用的金属导体需要良好的物理性能保证可承受的测温范围，同时，电阻值与温度值能够形成稳定的函数关系，且材料利于推广使用。热电偶测温法是将温度信号转换成热电动势信号。热电偶是水泥厂在窑头和窑尾系统温度测量中应用最普遍的测温器件，它的特点是测量范围广、性能稳定，有足够的测量精度，结构简单、动态响应好，可以远传，便于集中检测和自动检测。

现代工业中使用的机械设备通常都要求长时间稳定运转，所以设备必不可少地安装温度仪表故障保护装置。而故障保护需要关联设备的相关参数，很多参数是与设备稳定运行息息相关，一旦设置不完善，某一参数稍微异常就触发故障保护装置直接停机，这样的过度保护是不利于生产的，直接造成大型设备所在的生产线整条停产，而未完成的产品均需要报废，经济损失不可估量。因此，需要引入更为先进的DCS系统来合理、科学、安全地管理温度仪表的故障保护装置。如图1、2所示为某公司实际使用的温度仪表的感温元件实例。

二、温度仪表故障分类及处理措施

1.采用热电偶感温元件的仪表故障及处理

采用热电偶作为感温的温度仪表主要故障有接线虚接，接线腐蚀，短路，断路等故障方式。那当温度仪表因故障保护而停止运行时，需要详细分析温度仪表故障原因。首先需要切断温度仪表中的热电偶原件，然后使用补偿导线将温度仪表短接，该補偿导线具有与热电偶接近的热电特性，观察回来情况。如果回路正常则说明仪表正常能准确监控温度变化起到故障保护的功能。除此之外，还可以测量热电偶的电阻或者两端的电势来判断仪表是否出现短路现象。

当温度仪表故障发生后，专业维修人员首先要使用电子仪器来测试、确认和管理相应的故障仪表。其次是适时对于系统温度仪表进行滞后测量，换句话说如果温度仪表系统数值显示的是瞬时增加或减小，可判断是温度仪表系统出现了故障。那最大的可能性是导线断路等原因造成的。另外温度仪表系统指针出现加速的来回震荡，一般情况是由于没有正确调节PID导致了这类现象的发生。再者手动操作设备系统也会影响温度仪表系统的正常指示，若手动才做过程没有指示的异常，则说明是温度仪控制系统本身的异常问题。如果温度仪表数值陡增或陡减，那判断是变送器的放大器失效或者是系统导线断线造成的。此外如果温度仪表反应迟钝或者指针有大幅度的波动，则确定为技术操作或仪表本身的性能的问题。

2.采用热电阻感温元件的仪表故障及处理

热电阻采用的材料基本为铂、铜、锰、镍、铑等纯金属，而工业上最经常使用的为贵金属铂，通常将铂金属制作成电阻丝，将细的电阻丝绕成热电阻。但因为细的电阻丝容易在振动较为剧烈的场合发生潜在的无法避免的断裂问题。另外，工业设备基本都将其工业参数报警与温度保护装置联动，会造成因设备有短路、断路甚至信号干扰等非温度异常引起的保护装置联动跳闸造成了过度保护。

对于工业设备中的铂电阻温度仪表故障，可以按照其组成回路的三部分来分别检查。首先对于输出部分的温度报警器检定，如果根据仪表设定参数检定没有问题则说明报警器合格。然后再对输入部分的铂电阻进行检查，若万用表测量的电阻值为正常的数值时则说明铂电阻的正常的。最后再对回路测量部份的温度变送器检查，用欧姆表对于线对线以及线对地进行绝缘测试，判断是否有接地的异常现象。这样详细的检定有助于排除以及处理热电阻感温元件的仪表的故障。

三、温度仪表故障保护在DCS系统中应用

1.温度仪表故障保护在和利时DCS系统中的应用

对于和利时DCS系统，来分析使用热电阻作为温度仪表元件的相关故障保护。对于使用A、B、C三线制的热电阻，若A相断路则系统显示正的某值，若B、C相断路则系统显示为负的某值。而短路则系统显示为0。因此可以根据系统本身的特点，来进行改进逻辑以实现对温度测量点的保护。以轴承温都仪表故障保护逻辑为例，将保护温度设定限值设为好，大于设定限值的为CT模块，小于设定限值的为LT模块，系统中使用TON模块来稳定持续几秒的输入来源信号，稳定后后输出为1。当温度正常升高至设定限制时，输出为1，经过TON模块后输出1，与 LT模块设定值判定后输出的1值相与，发出温度仪表故障保护跳闸指令。而当测点由于断路突然升高至设定限时，LT模块输出为0，即将此测点温度仪表故障保护跳闸切除。同样，当测点突然降低至设定限时显示为0时，也不会产生跳跳闸指令。这样就避免了因坏点而导致的设备误操作或者停机。也就达到了利和时DCS系统不因温度仪表故障过度保护而造成的设备异常操作和停机的风险。

2.温度仪表故障保护在新华DCS系统中的应用

现在以新华DCS系统的温度仪表元件使用热电阻为例，通常情况下热电阻采用A、B、C三线制，根据实际大量实验总结出：当A相为断路，则系统显示温度点为某一较高数值;当B、C相断路时，则系统显示为坏点;当各相短路时，系统显示数值约为0。这样系统可以通过改进控制逻辑来消除由于各种原因导致的错误信号。以电机轴承温度仪表故障保护为例，首先在温度测量 回路中加一个滤波，能有效消除因偶然因素引起的干扰 。系统中使用TQ模块来测试温度仪表状态，可以直接判定出测点是否为坏点，设定坏点为1，非坏点为0。系统使用HLAlm模块对温度报警，超过系统设定的温度上下限值就会输出1。所有从该控制逻辑可知，当温度正常升高至保护设定值时，HIAlm模块就会输出为1，而TQ模块输出为0，最后发出正常的跳闸指令;当系统测点为坏点，则TQ模块输出为1，此温度仪表保护逻辑将被替换，不再参与整个系统的逻辑保护。而当系统温度仪表保护元件短路时，模块均显示为0时，故障保护动作也不会发生。这样就避免了因坏点或短路而导致的设备误操作或者停机。 也就达到了新华DCS系统不因温度仪表故障过度保护而造成的设备异常操作和停机的风险。

3.温度仪表故障保护在横河DCS系统中的应用

横河公司开发的DCS系统一般都会体现ETS的理念。而其系统一般都有集成的数据库，其含有集成化的故障报警信息等，而温度仪表的故障报警信息也包含在其中。通常横河公司DCS系统中，无论温度仪表的元件断路还是短路，故障均显示的是坏点。当输入低于下限时，在故障测位置显示为IOP-;而当输入高于上限时，在故障测位置显示为IOP。假设温度仪表取值为平均温度。系统将对每个温度测试点进行自动检测并判断是否为坏点 ，若判断为坏点，则系统会自动屏蔽此温度测量点。该测量点就不再参与到平均温度的计算中。这样就避免了因坏点而导致的设备误操作或者停机。 也就达到了横河DCS系统不因温度仪表故障过度保护而造成的设备异常操作和停机的风险。

4.温度仪表故障保护在西门子DCS系统中的应用

西门子DCS系统我们以SIMATIC PCS7为例，它是以西门子成熟的PLC系统S7-400为基础，集成了上位机的自动化平台。除了在技术方面使用冗余系统来提高系统的可靠性外还运用了安全仪表系统SIS，也有称之为安全联锁系统或者紧急停车系统ESD。如同前文所提，配备了安全仪表系统，如果生产过程中发生执行机构故障，系统逻辑错误，动力源失效以及监控的过程变量超限等，安全仪表系统将自动进入故障处理程序，将现场工艺设备转入到安全模式展现给操作员和维护员，避免系统故障总成重大损失，实现规避或大大降低工艺实现过程中的各种潜在风险。当然本文所提温度仪表故障也是包含在在整个安全仪表系统中的，一般通过分析工艺过程和其控制对象，尤其是针对系统中出现的异常温度仪表故障，可非常必要地引入独立的安全仪表系统。独立的安全仪表系统可采集各个安全仪表显示的信息并传输到CPU中，这些信息包含测量的物理变量数值的大小也包含安全仪表自身的工作状态。那么各个安全仪表自身工作状态除去良好外，出现的异常工作状态有信号溢出、失去电源、短路以断路等仪表故障。以热电阻为例，若温度是缓慢上升而达到最高跳车值，系统就会发出跳车指令，直接跳车以保护设备;若是因断路或仪表故障等瞬间达到最高跳车值，此时系统会立刻给出一个虚假值并报警但不会发出跳车指令。这样就避免了因坏点而导致的设备误操作或者停机。 也就达到了西门子DCS系统不因温度仪表故障过度保护而造成的设备异常操作和停机的风险。

四、结论

DCS集散控制系统因灵活度高、通透性好、操作简单，已经随着微机4C技术的普及广泛应用于各工业设备领域。而无论是采用热电阻或者热电偶作为感温元件的温度仪表，其故障保护也逐步广泛应用于利和时、新华、横河以及西门子等诸多DCS系统中。温度仪表故障保护在DCS系统中既可以直接确定温度仪表的直接故障，也可以避免工业设备因其工业参数报警与温度保护装置联动，造成因设备有短路、斷路甚至信号干扰等非温度异常引起的保护装置联动跳闸造成的过度保护。是非常有现实意义的应有技术。

参考文献：

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