化工廠DCS 常見故障及應對措施研究

鄧利楠

（中核沽源鈾業(yè)有限責任公司，河北張家口 076561）

0 引言

在經(jīng)濟發(fā)展與科技力量的推動下，社會生產(chǎn)的自動化程度日益提高，化工廠也不例外，通過引入DCS 強化了對工藝參數(shù)和加工流程的控制。但在實際運行過程中，DCS 可能會因各種各樣的故障影響化工廠的正常運轉(zhuǎn)，甚至引發(fā)重大事故，故掌握并有效解決化工廠DCS 常見故障意義重大。

1 化工廠DCS 概述

眾所周知，化工生產(chǎn)過程不僅涉及大量的危險化學品，而且具有易燃易爆、高溫高壓、易中毒、腐蝕性等諸多特點，所以比起其他工業(yè)生產(chǎn)活動來說危險性更高。簡單的說，化工廠原料種類繁雜，多為危險品，生產(chǎn)規(guī)模較大，工藝條件苛刻，生產(chǎn)方式高度連續(xù)化、自動化，其中任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都可能引發(fā)安全事故，因此需要借助技術手段保障化工廠安全、穩(wěn)定、高效的生產(chǎn)。

而DCS 這一集散控制系統(tǒng)，依托分散控制操作和集中管理的設計理念和多層分級、合作自治的形式結(jié)構(gòu)而形成的儀表控制系統(tǒng)，既組態(tài)靈活、性能穩(wěn)定，而且控制功能強大、便于維護，因而在化工、電力、冶金等行業(yè)領域中應用廣泛。其中化工廠DCS 通常包括I/O 板、控制器、操作站、通信系統(tǒng)以及圖形與編輯軟件幾部分，在上述軟硬件裝置的共同作用下，使得數(shù)據(jù)查詢、安全管理、控制、操作、分析等變得更為便捷、高效而可靠，如清楚了解關鍵的生產(chǎn)參數(shù)，及時根據(jù)數(shù)據(jù)信息加以調(diào)整保證安全生產(chǎn)，只需觸動控制按鈕即可控制目標發(fā)生動作實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，還可以分析歷史數(shù)據(jù)優(yōu)化生產(chǎn)工藝及其參數(shù)等[1]。

2 化工廠DCS 常見故障分析

DCS 的應用有助于化工廠安全生產(chǎn)的保障、生產(chǎn)效率的提升和產(chǎn)品質(zhì)量的改善，但這一切是以DCS 正常運行為重要前提的。不過在實際運行期間，DCS 可能會出現(xiàn)各種各樣的故障。

2.1 硬件設施故障

化工廠DCS 硬件常見故障一般分為兩種：一是電源故障，以電源模塊故障的情況居多，可能是由虛接的電源線造成的，也可能與損壞的元器件、劇烈的電壓波動等有關；二是I/O 卡故障，相對而言故障率較高的有AI、AO、DI、DO 卡件，此類故障影響的不只是一定范圍的數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場監(jiān)視，還可能導致聯(lián)鎖觸發(fā)，甚至造成整個系統(tǒng)停運，這可能與電氣元件老化、I/O 通道故障、端子連接有誤或者卡件有強電串入等有關[2]。

2.2 軟件系統(tǒng)故障

與硬件故障有所不同，化工廠DCS 軟件系統(tǒng)故障在很大程度上與其自身特點有關，甚至多數(shù)隱患始于DCS 調(diào)試階段，畢竟控制程序的設定工作量大、極為復雜，所以故障在所難免。如主/從CPU 組態(tài)信息不匹配，組態(tài)連接與數(shù)據(jù)庫對應點信號不一致，致使CPU 無法初始化，驅(qū)動設備選擇有誤致使系統(tǒng)無法輸出，以及繁忙的網(wǎng)絡通信致使管理混亂，不規(guī)范的安裝致使設備無法運行等，這些均易干擾DCS 的正常運行。

2.3 通信系統(tǒng)故障

化工廠DCS 的核心在于網(wǎng)絡與信息技術，但比起軟件系統(tǒng)通信系統(tǒng)更易發(fā)生故障，尤其是傳輸滯留問題。如果加以細致劃分則包括網(wǎng)絡通信和過程通道兩大故障類型。網(wǎng)絡通信故障常常表現(xiàn)為DCS 組態(tài)不規(guī)范和網(wǎng)絡堵塞，這是因為投運后的DCS控制器組態(tài)發(fā)生變動而軟件組態(tài)有增無減時往往使得一些組態(tài)不能真正連接I/O 點，但讀取信息的DPU 系統(tǒng)卻將其全部吸納，致使無效數(shù)據(jù)增多、負荷率高，最終出現(xiàn)網(wǎng)絡堵塞[3]。再者，DCS 的使用需要接入不同的網(wǎng)絡接口，當某節(jié)點數(shù)據(jù)并不屬于該網(wǎng)絡時也易引發(fā)網(wǎng)絡堵塞。而過程通道故障有：信號接線接口松動、連接錯誤或失敗、線路老化、撥碼開關異常、通信接線錯誤、硬件接線與信號要求不符等，像驅(qū)動程序和軟件更新的不及時或者過高的控制器和存儲器，運行溫度也有降低數(shù)據(jù)傳輸速度進而弱化DCS 實際功能。

此外，人為操作錯誤或不當也可能引發(fā)DCS 故障。

3 化工廠DCS 常見故障的應對措施

化工廠DCS 故障形式多樣化，影響范圍充滿了不確定性，這無疑對化工廠安全有序的生產(chǎn)構(gòu)成了威脅，所以要想充分發(fā)揮DCS 強化的控制功能，營造穩(wěn)定的運行環(huán)境，就必須采取措施加以有效防范，最大限度地降低DCS 故障風險，具體可從下述3 個方面入手。

3.1 重視日常維護，降低故障風險

盡管化工廠DCS 優(yōu)勢顯著，但是一旦發(fā)生故障勢必會對化工生產(chǎn)帶來不良影響，特別是隨著其自動化、智能化程度的提高，更容易牽一發(fā)而動全身，因此必須加強日常維護，做到防患于未然。

一方面，基于完善的維護管理制度，要求按時巡檢與DCS系統(tǒng)工作狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)故障提示，必須及時分析原因盡快消除故障，注意測試網(wǎng)絡硬件、交換機、IP 設置、“ping”命令等的檢查，若涉及通信部件或卡件應佩戴防靜電手腕。同時使用專用的存儲器備份驅(qū)動、DCS 組態(tài)軟件、PID 參數(shù)等內(nèi)容，當優(yōu)化組態(tài)、增減測點或邏輯時還要詳細記錄。由于良好的機房環(huán)境對DCS 的長期穩(wěn)定運行有著不容忽視的影響，所以必須重視室內(nèi)溫度的調(diào)節(jié)，一般夏季和冬季可分別控制溫度在252 ℃和222 ℃，以免因溫差過大導致機柜室內(nèi)設備發(fā)生凝露而影響功能和性能，并采取有效的隔離措施控制粉塵、腐蝕性氣體等的進入，以防損壞DCS 或引發(fā)異常停機[4]。當然在管理制度中還應明確禁止使用移動存儲器、無關軟件、非正規(guī)軟件等，盡量不在DCS 機柜附近使用能夠產(chǎn)生電磁波的裝置和設備，以免將計算機病毒引入DCS 中，或者導致DCS 誤動或拒動，這些都是我們在日常維護過程中值得注意的事項。

另一方面，在DCS 有計劃的大修期間，通常要求停電后進行全面而徹底的維護，此時應在確認化工廠生產(chǎn)設備處于停運狀態(tài)和組態(tài)信息保存結(jié)束的基礎上按步驟規(guī)范停電，隨后用干燥無油壓縮空氣以0.05MPa 的壓力重點吹掃工控機內(nèi)部以及電源箱、機籠等控制站部件，配以大吸力吸塵器清除灰塵。在佩戴防靜電手環(huán)檢修D(zhuǎn)CS 機柜時，盡量不要觸碰電路卡件，并在完成清灰后按編號準確復位、連接和緊固，若發(fā)現(xiàn)卡件異常、老化，電源模塊電壓偏低或機柜風扇有問題可予以更換。對于線路可重點檢查端子排、繼電器、分電箱、安全柵等供電構(gòu)件，并測量DCS 接地電阻是否低于2.5 Ω，以保證供電可靠，減少因供電異常引發(fā)的系統(tǒng)故障。待檢查完畢重新上電后對主控卡、冗余卡片、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、網(wǎng)絡線路等的冗余情況進行測試，必要時可升級換代，以滿足化工廠DCS 的工作要求。

3.2 有效處理故障，減少不良影響

（1）對于硬件類故障，首先需要考慮的便是硬件裝置自身的質(zhì)量問題，確認規(guī)格和性能匹配后方可投入使用，且在安裝時結(jié)合對環(huán)境溫度、濕度、灰塵顆粒等的實際要求進行嚴格安裝?？紤]到硬件故障輕則影響相關參數(shù)的正常監(jiān)視，重則導致自動調(diào)節(jié)功能失靈，因此必須及早發(fā)現(xiàn)及時處理。當出現(xiàn)電源故障時，可經(jīng)紅外線測溫儀對線路溫度進行測量和記錄，并及時更換UPS 電池及其破損、老化的線路和元件[5]；如果只是部分監(jiān)控數(shù)據(jù)變?yōu)閴狞c但模件狀態(tài)正常，可更換對應的端子板、模塊或檢查電纜絕緣、對地電壓來消除故障；若控制站監(jiān)控出現(xiàn)壞點且系統(tǒng)顯示其為離線狀態(tài)，可能為DPU 或主控機籠故障，此時可退出相應的保護、拔掉DO、AO 至端子板的預制電纜后更換DPU，根據(jù)數(shù)據(jù)是否異常判斷是否為DO、AO 端子板問題，如果故障點為機籠則可進行更換。

（2）對于軟件類故障，應重視調(diào)試運行環(huán)節(jié)，結(jié)合化工廠DCS 常見故障判斷是否存在問題，以期扼殺隱患于早期，特別是對于因設計、編程、操作等引起的程序錯誤，如順控軟件、聯(lián)鎖軟件多數(shù)與控制要求未滿足工藝過程造成的；還有設計與輸入數(shù)據(jù)引發(fā)的組態(tài)錯誤，需要基于對化工廠DCS 的深入了解和生產(chǎn)工藝的特點合理設置并優(yōu)化運行條件和參數(shù)。如果為驅(qū)動程序選擇錯誤所致，需要結(jié)合DCS 安裝手冊選擇條件相符的程序軟件，并根據(jù)設計要求規(guī)范完成網(wǎng)絡配置、網(wǎng)卡驅(qū)動等的安裝。當然，及時更新升級應用軟件且做好病毒查殺工作也是非常必要的。

（3）對于通信類故障，需要定期檢測通信端子、模件、線路接口等情況，及時解決接觸不良、接口錯誤等問題，經(jīng)常性的在線測試DCS 通信負荷率，這樣的話，即使通信總線切換或工作異常時也能將其負荷率控制在允許范圍內(nèi)，以免造成通信滯留影響正常的生產(chǎn)活動。優(yōu)化組態(tài)也是處理通信故障的有效途徑，即在檢修時對DCS 的操作站、數(shù)據(jù)站、DPU 等依次復位，隨后將其中無效的I/O 點刪除，并對柜機、模件、網(wǎng)絡等進行必要的清掃，同時建議借助雙層網(wǎng)結(jié)構(gòu)分開管理網(wǎng)絡和系統(tǒng)網(wǎng)絡，以此實現(xiàn)組態(tài)的優(yōu)化，提高DCS 通信的穩(wěn)定可靠水平[6]。對于過程通道故障的處理和防范，不僅需要營造良好的運行環(huán)境，做好基本的日常維護，還要避免使用大功率無線通信工具，盡可能減少人為切換操作。

3.3 規(guī)范操作，保證安全生產(chǎn)

分析化工廠DCS 常見故障及其原因數(shù)據(jù)得知，人為操作的影響也是不容小覷的，這就需要在使用DCS 的整個過程中遵循相關指導和規(guī)定，切實做到規(guī)范操作，保證安全生產(chǎn)。因此對于操作人員而言，除了掌握基本的計算機操作技能外，更應加強實操練習，如計算機監(jiān)控系統(tǒng)中的控制分組、調(diào)整畫面、趨勢圖、流程圖、報表、數(shù)據(jù)一覽、報警一覽、系統(tǒng)狀態(tài)、查找I/O 位號等常用功能，以及儀表面板中的指針、狀態(tài)改變、設定值、開關儀表等細節(jié)問題，必須熟練而準確的操作，禁止未經(jīng)系統(tǒng)授權禁止隨意修改運行參數(shù)，并具備一定的應急能力，如DCS 操作截面數(shù)據(jù)無法刷新或手自動切換不能操作時必須聯(lián)系儀表維護并即刻到達現(xiàn)場操作，若出現(xiàn)變送器故障應立即轉(zhuǎn)為手動，出現(xiàn)卡件故障時必須切回手動，待故障卡件被更換完畢且故障消除后方可再次投入自動等等。只有嚴格遵守管理制度，進行規(guī)范操作，化工廠DCS 運行質(zhì)量才能得到進一步的保障。

4 結(jié)束語

化工廠生產(chǎn)連續(xù)而危險，應用DCS 是必然選擇，關鍵在于最大限度地降低其故障風險。這就要求相關人員結(jié)合具體實踐，了解DCS 的故障類型和原因，然后采取合理有效的預防和治理措施加以抑制，進而降低故障概率，促進DCS 更為安全、可靠地服務于化工廠生產(chǎn)。