集散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)故障分析與解決

王 彬

（揚(yáng)州石化有限責(zé)任公司，江蘇揚(yáng)州 225200）

0 前言

煉油分廠所使用計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）是Honeywell公司的全廠一體化解決方案系統(tǒng)TPS（Total Plant Solutions System），于 2000年投用。2011年儀表控制系統(tǒng)升級(jí)改造，為兼顧新舊2套不同催化裝置的需求，采用升級(jí)擴(kuò)容的方式，即繼續(xù)保留為老催化裝置服務(wù)的2對(duì)控制器，增加為新建催化裝置服務(wù)的2對(duì)控制器，增加2臺(tái)全方位用戶(hù)工作站GUS（Global User Station）操作站，并對(duì)原來(lái)5臺(tái)工作站升級(jí)，以滿足煉油工藝生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化過(guò)程控制方案的實(shí)現(xiàn)。但從2016年下半年開(kāi)始，TPS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信頻頻出現(xiàn)故障（UCN電纜fail），給煉油分廠的生產(chǎn)裝置生產(chǎn)帶來(lái)重大安全隱患。為確保DCS系統(tǒng)安全運(yùn)行，對(duì)TPS通信故障問(wèn)題進(jìn)行攻關(guān)。

1 故障現(xiàn)象及危害

1.1 UCN電纜故障現(xiàn)象（出現(xiàn)紅色fail信息）

2016年10月30日煉油分廠DCS出現(xiàn)系統(tǒng)報(bào)警信息，儀表技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)檢查了網(wǎng)絡(luò)接口模件NIM（Network Interface Module）、高性能過(guò)程管理器HPM（High Performance Process Manager）、歷史模件 HM（History Module）和各輸入、輸出 I/O 卡件，各臺(tái)GUS操作站暫時(shí)不受影響操作。通過(guò)進(jìn)入系統(tǒng)診斷畫(huà)面，檢查發(fā)現(xiàn)為UCN的A纜fail報(bào)警，進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)UCN（Universal Control Network，通用控制網(wǎng)絡(luò)）電纜通信統(tǒng)計(jì)信息畫(huà)面，發(fā)現(xiàn)HPM05的噪聲值比其他HPM的噪聲值大很多，幀碎片也多，更換HPM05的HPM MODEM卡件，故障消除。2017年4月5 日，MCP（Maximizing Catalytic Propylene，最大化生產(chǎn)丙烯的催化劑工藝）裝置DCS系統(tǒng)出現(xiàn)系統(tǒng)報(bào)警信息，檢查發(fā)現(xiàn)UCN B纜報(bào)警，更換了一個(gè)終端電阻后，UCN電纜當(dāng)時(shí)顯示正常，但是故障卻未徹底消除，此后陸續(xù)出現(xiàn)UCN B纜報(bào)警的情況，也采取了更換TAP（通信電纜連接器）、互換UCN電纜等方式，但未根本解決問(wèn)題。由此分析出外部干擾是引起UCN B電纜報(bào)警的主要原因。圖1。

1.2 UCN電纜故障危害

UCN通信承載著控制器與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表設(shè)備的數(shù)據(jù)讀取以及下達(dá)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制數(shù)據(jù)的任務(wù)，如果不及時(shí)解決UCN電纜報(bào)警問(wèn)題，一旦UCN兩根電纜同時(shí)故障則會(huì)造成整個(gè)煉油分廠DCS系統(tǒng)癱瘓，不僅會(huì)影響整個(gè)煉油分廠的工藝過(guò)程生產(chǎn)，還會(huì)引發(fā)惡性安全事故。

2 故障原因分析及解決方案

2.1 故障原因分析

（1）當(dāng)UCN的B纜頻繁出現(xiàn)故障問(wèn)題后，先將焦點(diǎn)集中在該纜和與之相連的DCS部件上，由于該纜由很多段的支電纜組成，同時(shí)又有很多的部件與之相連，很難判斷是里的問(wèn)題，只能采用現(xiàn)有備件一一更換和相互更換的辦法來(lái)試誤，又由于故障不是一直存在而是偶發(fā)的，所以換一個(gè)部件要等很長(zhǎng)時(shí)間才能判斷該部件有無(wú)問(wèn)題，需花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。

圖1 UCN網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)電纜報(bào)警圖

（2）將焦點(diǎn)放到DCS的電源、接地、屏蔽層的敷設(shè)等，對(duì)每個(gè)柜子逐一進(jìn)行排查。同時(shí)對(duì)與之相鄰的4分降的所有的信號(hào)連接進(jìn)行清理，去掉不必要的連接（必需的連接加雙向隔離），采取上述措施后UCN的B纜還會(huì)出現(xiàn)故障。經(jīng)分析這些故障發(fā)現(xiàn)，故障首次發(fā)生的點(diǎn)集中在3#和4#控制器上，觀察2個(gè)控制器周?chē)h(huán)境，發(fā)現(xiàn)其正對(duì)著一個(gè)門(mén)，門(mén)過(guò)去就是4分降，門(mén)一關(guān)上故障就消失。這說(shuō)明是4分降產(chǎn)生的隨機(jī)性干擾，經(jīng)過(guò)2道墻后得到有效衰減，門(mén)開(kāi)時(shí)3#和4#控制器少了一層保護(hù)，受到干擾較大，易導(dǎo)致UCN B纜故障。4分降改造后產(chǎn)生的干擾比改造前強(qiáng)，這是導(dǎo)致UCN的B纜出現(xiàn)故障的主要原因。

2.2 解決方案和措施

（1）來(lái)自空間的輻射干擾?？臻g輻射電磁場(chǎng)是由電力線纜、雷電、無(wú)線電廣播、變頻設(shè)備等產(chǎn)生，稱(chēng)為輻射干擾。若控制系統(tǒng)置于射頻場(chǎng)內(nèi)，就會(huì)受到輻射干擾，主要通過(guò)2條路徑影響：①直接對(duì)控制系統(tǒng)內(nèi)部的輻射，由電路感應(yīng)產(chǎn)生干擾；②對(duì)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的輻射，由通信線路感應(yīng)引入干擾。

DCS機(jī)房是由緊靠四分降的值班室改造而成，處在一個(gè)相對(duì)較差的電磁環(huán)境中，機(jī)房也未作防電磁干擾處理。為此，攻關(guān)小組對(duì)緊靠DCS機(jī)房的電氣四分降墻面加裝了屏蔽網(wǎng)，關(guān)閉機(jī)房正對(duì)四分降的門(mén)以增加防護(hù)層次，并將木門(mén)換成了金屬門(mén)以增強(qiáng)屏蔽效果。

（2）來(lái)自DCS系統(tǒng)外連接線的干擾，主要有3類(lèi)：①電源干擾?？刂葡到y(tǒng)的正常供電電源均由電網(wǎng)供電，由于電網(wǎng)覆蓋范圍廣，它將受到的空間電磁干擾均在線路上感應(yīng)成電壓和電流，尤其是電網(wǎng)內(nèi)部的變化、開(kāi)關(guān)操作浪涌、變頻裝置引起的諧波等，都通過(guò)輸電線路傳到電源原邊；②信號(hào)線引入干擾。與控制系統(tǒng)連接的各類(lèi)信號(hào)傳輸線，除了傳輸有效的各類(lèi)信息外，還有外部干擾信號(hào)侵入；③接地系統(tǒng)干擾。地線包括系統(tǒng)地、屏蔽地、交流地和保護(hù)地等，接地系統(tǒng)混亂對(duì)控制系統(tǒng)的干擾是各個(gè)接地點(diǎn)電位分布不均，不同接地點(diǎn)間存在電位差引起環(huán)路電流，影響系統(tǒng)正常工作。

針對(duì)引線干擾，攻關(guān)小組為了徹底檢查接地系統(tǒng)，首先根據(jù)實(shí)際情況繪制出DCS機(jī)房接地示意圖，并在整改后請(qǐng)電氣人員對(duì)機(jī)房分別搖測(cè)接地電阻，在保證接地可靠安全的情況下及時(shí)更改資料以備日后維護(hù)查詢(xún)。控制系統(tǒng)的信號(hào)地與控制柜的安全接地完全隔離分開(kāi)，同種信號(hào)集中在一點(diǎn)接地，避免多點(diǎn)接地電位差同造成干擾。對(duì)停用的儀表接線進(jìn)行拆除并從系統(tǒng)中刪除；對(duì)儀表和電氣設(shè)備之間聯(lián)系的信號(hào)進(jìn)行隔離，特別是模擬信號(hào)增加向雙隔離。

（3）加強(qiáng)管理，進(jìn)一步細(xì)化DCS系統(tǒng)巡檢制度，每天詳細(xì)記錄UCN通信數(shù)據(jù)并比對(duì)，有效監(jiān)控DCS系統(tǒng)通信狀態(tài)。圖2。

圖2 良好的UCN網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行圖

3 存在問(wèn)題和下一步措施

（1）干擾問(wèn)題。雖然已經(jīng)知道干擾來(lái)自何方并通過(guò)屏蔽和增加防護(hù)層次阻止對(duì)DCS的影響，但對(duì)四分降內(nèi)的間歇性干擾的產(chǎn)生機(jī)理和誘發(fā)因素還一無(wú)所知。期間DCS的UCN電纜由于四分降變頻風(fēng)機(jī)啟動(dòng)引起短時(shí)間報(bào)警，這就需要從根本上消除干擾。下一步對(duì)DCS機(jī)房的墻面和天花進(jìn)行屏蔽改造，進(jìn)一步加強(qiáng)DCS機(jī)房的抗干擾能力。在DCS改造中，機(jī)房和控制室的電磁環(huán)境應(yīng)作為一個(gè)重要指標(biāo)加以控制。

（2）DCS老化問(wèn)題。這套Honeywell公司的TPS系統(tǒng)，從2000年投用到現(xiàn)在，期間經(jīng)過(guò)多次擴(kuò)容升級(jí)，新舊設(shè)備在一個(gè)系統(tǒng)中共同運(yùn)行，舊設(shè)備的老化短板危及整個(gè)系統(tǒng)的安全。進(jìn)行全面的系統(tǒng)更新是解決問(wèn)題的最好辦法，經(jīng)過(guò)技術(shù)攻關(guān)延長(zhǎng)了系統(tǒng)使用壽命，緩解了系統(tǒng)更新的緊迫性。

4 結(jié)語(yǔ)

攻關(guān)小組通過(guò)努力發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致催化DCS的核心通信電纜UCN電纜頻繁出現(xiàn)故障的原因,通過(guò)加裝隔離網(wǎng)等一系列的措施，已初步解決了通信電纜存在的重大安全隱患，在無(wú)投入和無(wú)外援的情況下，依靠自身的技術(shù)力量完成了該科研項(xiàng)目。解決了機(jī)房外部環(huán)境干擾問(wèn)題，提高了DCS系統(tǒng)可靠性和安全性，保障了生產(chǎn)裝置的安全與平穩(wěn)運(yùn)行。而且整理繪制的UCN電纜結(jié)構(gòu)圖和DCS機(jī)房接地示意圖，便于今后的DCS維護(hù)工作，積累的DCS維護(hù)經(jīng)驗(yàn)可有助于設(shè)備長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行。