工业自动化控制DCS系统维护技术分析

孙云飞

山东电力建设第三工程有限公司，山东青岛，266100

0 引言

我国科学技术不断进步，工业生产的自动化水平也在提升，越来越多高科技含量的设备投入到工业生产当中，使生产效率显著提升。但是，这些设备本身所包含的各项参数比较复杂，设备的功能也处于待完善状态。工业自动化控制当中，DCS系统是应用最为广泛的系统，其具备可靠性高、控制性能强的特点。但是DCS系统在运行过程中条件比较复杂，很容易出现运行故障。为进一步突出DCS系统在工业生产自动化中的应用效果，需要详细了解DCS系统，并掌握DCS系统常见的故障以及做好故障诊断工作。如此，才能制定科学合理的维护措施，选择恰当的维护技术，充分发挥出DCS系统的控制功能。

1 工业自动化控制技术的发展历程

1.1 电力拖动控制系统

电力拖动控制系统分为直流传动和交流传动系统。交流电机无极调速系统出现于20世纪30年代，广泛应用于机床等对电传动技术性能要求高的机械设备上。20世纪60年代，大功率晶体管的成功研制，使变换器技术发生了根本性的变化。晶闸管直流电动机调速系统克服了旋转交流机组体积大、成本高、效率低、维护困难等缺点，调速精度、动态响应等技术性能也有了很大提高[1]。20世纪80年代，电力电子技术与微电子技术相结合，在交流电动机调速方面取得了重大进展。鼠笼式发动机变频调速和异步绕线转子系统是以转子交流控制系统逐渐取代直流控制系统。

1.2 PLC系统

20世纪30年代，机械加工公司通过机械化制造工艺来提升制造效益。在不同的自动化生产线中有许多继电器系统。在频繁运行的状态下，接触式电器工作频率降低，使用寿命短。这降低了操作电路的可靠性。生产于20世纪60年代初期的矩阵顺序控制器和晶体管逻辑控制器，都是利用电子技术来作为继电器控制的[2]。接触器控制装置的缺点是不能广泛应用。通用汽车公司建议将计算机完整性、灵活性和互操作性以及继电器-接触器控制系统的易解释性和可操作性相结合。为了使通用控制器适应工业环境，简化了编程和入门级程序，提高了员工对所用技术的理解和掌握。1969年，EDC开发了第一台可编程逻辑控制器(PLC)，并成功地将其应用于总装线。摩托车的PLC安全性最高，平均无故障工作时间十万小时以上，大大降低了设备维护成本和经济损失[3]，已成为电气自动控制系统中广泛应用的基础设备。

1.3 DCS系统

DCS的管理系统涉及电脑、通信、显示和管理四方面。它的特色是集中管理、上级监控和分散管理。它便于使用，在制造中获得应用。工业生产信息化是利用计算机信息技术、传输网络和多媒体技术来满足工业生产发展的技术要求的完整性分析。自动DCS控制系统应防止在潮湿和氧化条件下长期运行[4]。最小的DCS控制器，包括了硬件和软件、操作节点、控制站。操作节点主要分为操作站点、工程师站和历史站点，而控制站则主要分为主控卡、通信卡和电源单元、I/0卡和相关的终端板。主控层采用冗余处理的100Mbps工业以太网，为确保与光缆并行地平稳工作，现场信号处理层采用了1.5～1.6的PROFIBUS-DP总线同轴。在中央控制层和信号处理单元的现场，它也可以用于第三方通信站和工业控制器。因此DCS也在电子工业中起到了很大的辅助功能作用。设备DCS系统故障会降低生产效率，导致生产中断。因此，有必要加强系统维护[5]。

2 DCS系统常见故障

2.1 通信网络故障

在DCS控制系统中，其通信网络功能主要是两方面：一方面是用于过程处理器间的通信，另一方面是用作人机间交互的通信。在实际工作中，无论什么方面的通信网络系统功能存在问题，都会使DCS系统的测控功能受影响，DCS通信故障的主要因素是数据传输不畅通或中断、信息干扰等[6]。在通信网络系统中，信息数据的传递主要借助于节点间的询问进行，一旦某个节点向另外的节点询问了某数据，而被询问的节点却不是这样的数据，那么询问的节点就会继续向其他节点询问数据，这样就会造成数据通信的不顺畅。进行信息传送的线缆如果长时间未加以更新，发生老化、锈蚀等现象后，会造成通信线路断裂。在工业控制系统中，会有许多的工作装置，其中不同的装置在控制系统中担负着不同的功能，设备内部的信息传送产生相应的影响，对DCS控制系统的信息传送产生阻碍，影响其顺利传送[7]。

2.2 电源故障

供电是确保整个DCS系统平稳工作、高效监控的重要基础。在DCS控制系统中，为避免突发事故后的供电线出现断路导致整个系统停机工作，往往采取冗余双电源的模式进行供电，即一个为主供电，一个后备供电。在实际工作中，系统一般通过主电源实现供电，但如果主机供电设备出现了问题，则系统就可以主动转移到后备供电上，从而保证了系统的工作安全平稳[8]。而开关式供电事故则一般是由于开关式供电的布线头触碰不好、松动、电路端子排接头螺钉松动或过热等，在某些有强磁干扰的地方也会造成开关电源过度的消耗。另外，开关式供电保险烧毁、机笼燃烧等也是较为普遍的开关式供电事故。

2.3 服务器故障

通常当DCS操作系统停机检修之后，很容易发生DCS操作系统的主、辅服务器切换失常的情形。最主要的故障现象为：画面显示器均为灰色，同时屏幕上出现的信号均为乱码，单击告警记录，指示为服务器设备B(A)→服务器设备A(B)，单击右下角的系统图后，提示为网络系统出现故障。有故障的服务器设备指示为红光，无故障的服务器设备则指示为绿灯，但控制器部分却是正常工作运行的。原因是：当DCS系统只完成了一个比对时，有可能会造成主、副服务器的工作时间不一致，而产生无法进行的状况，也有可能会是主服务器的信息未能发送，甚至是在故障信息发送后，副服务器却并未接收信息，而造成了主、副服务器设备的切换功能失常[9]。

2.4 插件故障

DCS系统插件是一个连接元件，主要的功用是按照控制系统的工作条件，对线缆和电缆端头进行连接、切断，而这种插件中有的是必须连接的，有的必须绝缘的。在实际工作中，因为触及插件的材质选择不恰当、产品设计不合理或者工作环境问题等，都会造成触及插件内部产生接触不良的状况，导通不畅。另外，触及插件内部的尘土、金属尘埃或者绝缘老化问题等，也会造成触及插件内部产生绝缘不好的状况。

3 DCS系统的故障诊断

DCS控制系统本身也具有失效的自诊断程序，自诊断程序会定时地对总线或网络上的部分模块、元件等作出检查。而一旦在工作中发生了异常，控制系统就会产生故障代码，而具体的故障代码也将经由操作站来传递给系统运行管理人员。作业技术人员通过故障代码了解到故障信号后，必须展开常规的检测，重点是对发生故障的部分加以逐一排查，常用的故障排查法主要有以下几种。

3.1 直接判断法

按照系统运行过程中所形成的代码进行判断，查看其中的故障代码，并根据设备所形成的故障现象，直接判断故障发生的部位，并分析故障产生的原因。该种判断方法需要判断人员本身具备丰富的工作经验，且能直接阐述故障产生的具体原因。当然，该种方法无法准确指出故障的位置，但能判定故障的大致范围，采用该种故障诊断方法能够有效节省故障诊断时间。

3.2 外部检查法

该种检测方式适合于对表面上容易发生的故障判别。通过外观检测，能够使故障诊断的时间大大缩短，主要可以通过观察来检查某些零件是不是有破损、接线头的接触是不是正常、插座是不是有松动以及电缆是不是有断裂的现象。有的情况可利用对装置的轻轻敲打或摇晃来加以确定，例如电缆联接不好的现象，可利用轻轻摇晃把联接不好的地方检查起来，一般联接不好的地方容易出现松动。

3.3 替换对比法

在实际的故障排除中，这也是较为普遍的一个做法。该技术运用起来也相当方便，不过前提条件是故障出现的部位尽量减少，以缩短零件更换的时限。针对疑有故障的零件，用新的零件进行替代安装，一旦故障消除了，即是由于零件磨损而引起的故障，但一旦故障仍不能消除，则必须进行对疑有故障的零件进行替代安装，直至故障完全消除。但必须注意的是，在进行新的零件替代安装之前，要确认系统中并不出现短接或通断的状况，不然就会造成新替代安装的零件发生磨损问题，不但浪费掉了修复的时机，还大大增加了修复生产成本。

4 DCS系统维护技术

4.1 优化通信网络

通过DCS系统故障的排除流程和排除法判断出现故障的原因和部位，在判断部位、确定原因后实施针对性的检查维修。在平时的网络维护中，要更多检测DCS主机系统及其与主机系统所连接的系统间的通信负荷率，可通过网络测量仪表定期检查通信负荷率，一旦该指数达到了正常值，就要及时进行通信优化，还可将网络系统的运行参数加以适当调节，从而使得通信负荷率在正常的范围内。在实际生产中，为了减低通信负荷率也可用优化网络结构的方法，例如在控制站和主控单位中间的网络设备，通常使用的是单层网络结构，可将其加以调整，或采取双层网络结构的方法，以较好地减低通信负荷率。要定期检查通信线缆状况，有老化、绝缘破裂、锈蚀等现象及时进行更新，还必须确保新换的线缆质量满足实际运行的标准。同时需要注意，对以双路冗余性方式所配置的电源线，要检查是不是有插头松动、触及不好等状况，并及时加以修理。针对信息干扰造成的通信问题，要采取相应的方法把设备彼此分隔起来，可以增加设备内部的空隙，还可设置信息分隔设备，把无线网分隔，这样，就可以减少设备内部的相互干扰影响。

4.2 加强电源维护

开关电源是DCS控制系统的关键部分，对开关电源的保护重点是要加强防护工作。首先，要把好质量关，在开关电源的交付使用过程中，首先要挑选品质良好的产品，并保证产品的技术参数都符合实际工作条件。然后，在平时的操作中，要定期检查开关电源的回路和输出电流等，并检查开关电源中的元器件是不是存在着老化的情况，并定期更新元器件。使用红外测温仪测量接线螺栓的工作温度，以检测有无存在接线螺钉工作温度的过高现象。检查所供电的保险丝容量是否满足正常运行的需要，以及是否出现保险丝容量过大或过小的情形。此外，必须注意的是，冗余性双电源供电方法虽然有其必然的优点，但同时也会造成供电故障或报警信号错误，不利于对故障的诊断。在停机大修时，特别要做好对机笼的检测，但是由于机笼替换的流程比较复杂，而且替换困难也较大，在大修流程中也极少发生替换，造成了其长时间工作，很容易发生燃烧的状况，所以尽量是定时替换机笼。最后，设置供电使用和维修状况信息管理日志，使检测人员可以了解供电装置的工作状况，适时作出检测及更新零部件，也为后期的检测维护提供一些必要的参照依据[10]。

4.3 优化服务器

关于主、副服务器设备切换异常的正常维护，需要首先将CRT运行停机，以确定机组的主机负载平衡。检测系统的网络和控件有无出现故障，如果网络和控件都正常工作，则还必须检测服务器设备的对时操作系统有没有差异。假如是由对时系统差异所引起的切换异常，则必须重新启动主机服务器设备，并在软件设定上使主、副服务器设备每间隔一段时间完成1次对时，以保证主、副服务器设备的时序一致性。若没有因为主、副服务器相对的操作系统不同造成的切换异常，就必须做好下一个排查。

4.4 加强插件维护

插件的故障问题需要特别注意，尤其是在进行设备装机过程中，做好插件的检查工作，确保插件已经处于导通状态。检查插件需要保持操作系统停止运行，并对插件进行逐一检查。虽然设备本身比较复杂且插件种类较多，但在实际检查期间，可以利用导通检测设备规避手动检查，该种设备操作简单，且检查流程比较少，能够有效提升检查效率，且规避检测失误的问题。还需要经常开展动态振动测试，在系统静止下的插件即便接触状况良好，但实际工作中由于振动也会造成插件产生信号瞬时停顿的状况，所以通过振荡测试就能够检测插件在正常系统工作状况下的接触状况。面对一些插件所存在的绝缘性不好问题，可以对插件制定清洁计划，采用吹灰器将插件当中可能存在的金属屑或者是尘土清除。如果对设备进行大修，需要对不容易被清洗到的插件死角进行专门的清洗，确保插件和卡槽连接良好。当然，在对插件进行绝缘检测期间，如果发现绝缘老化要予以替换，以防止出现绝缘件被击穿的状况。

5 结语

DCS控制系统作为工业生产领域的关键组成部分，对工业生产信息化管理有着关键的意义。所以，必须做好对DCS系统的保养，针对系统经常出现的问题做好针对性的维修排除。排查的过程中，需要科学合理地运用一些常规的排除手段，迅速发现问题部位，针对某些易发问题部位和零部件进行重点监测，做到发现问题，及时进行维修排除，使DCS系统更加平稳工作，对工业智能化管理起到积极作用。