智能儀表的故障診斷與維護(hù)

趙鵬睿 李雨蒙

大慶油田第三采油廠規(guī)劃設(shè)計(jì)研究所

隨著油田多年的改造與數(shù)字化建設(shè)，基本上實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)以變送器類(lèi)儀表檢測(cè)為主、調(diào)節(jié)閥類(lèi)儀表控制為輔，中控室以視頻監(jiān)控與自控畫(huà)面相結(jié)合的集中監(jiān)控模式[1-2]，較好地實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。智能儀表在日常運(yùn)行中易受使用時(shí)間、環(huán)境、溫度、濕度及負(fù)載的影響而產(chǎn)生不同的故障。智能儀表在油田中的常見(jiàn)故障可分為外界環(huán)境造成的故障和設(shè)備元件導(dǎo)致的故障兩大類(lèi)[3]。針對(duì)儀表故障類(lèi)型進(jìn)行分析，總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，整理出一套自控系統(tǒng)的日常維護(hù)辦法，可以使管理者能夠快速排查故障，提前預(yù)防故障，及時(shí)解決故障，提高自動(dòng)化系統(tǒng)在油田的應(yīng)用水平，使智能儀表的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行更加穩(wěn)定。

1 常見(jiàn)故障類(lèi)型及處理

1.1 外界環(huán)境造成的故障

1.1.1 雷擊問(wèn)題

夏季常出現(xiàn)雷雨天氣，容易發(fā)生雷擊事故。雷擊會(huì)造成站內(nèi)停電自控設(shè)備失效，還會(huì)損壞儀表，導(dǎo)致PLC模塊擊穿。維護(hù)辦法：系統(tǒng)控制柜安裝UPS電源；遠(yuǎn)傳信號(hào)加裝安全隔離屏蔽柵；對(duì)電氣設(shè)備接地形成防雷接地保護(hù)；在建筑物屋角、屋脊等易受雷擊部位敷設(shè)避雷針、金屬網(wǎng)格等（圖1）。

圖1 污水罐加裝避雷針Fig.1 Installation of lightning rod in sewage settling tanks

實(shí)例1：某注入站夜間遭遇雷擊，造成全站停電，恢復(fù)供電后站內(nèi)計(jì)算機(jī)監(jiān)控畫(huà)面無(wú)法顯示現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，檢查PLC控制柜有刺鼻氣味，發(fā)現(xiàn)24 VDC電源有燒焦現(xiàn)象，經(jīng)判斷24 VDC電源因瞬間電壓過(guò)大被燒毀。

處理辦法：更換24 VDC電源，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示正常，注入站恢復(fù)正常生產(chǎn)。

1.1.2 腐蝕問(wèn)題

儀表內(nèi)元器件長(zhǎng)期受雨水侵蝕易出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。造成儀表腐蝕有以下幾種因素：①管理疏忽因素，員工冬季捆綁儀表的保溫層進(jìn)入夏季未及時(shí)拆卸，這種保溫層多采用毛氈棉布類(lèi)物質(zhì)，進(jìn)入夏季雨水量大，儀表在潮濕環(huán)境下工作，易造成儀表腐蝕；②施工安裝因素，一些橋架位置偏高，為安全起見(jiàn)多采用穿線(xiàn)管敷設(shè)電纜，雨水易經(jīng)穿線(xiàn)管流入儀表內(nèi)，導(dǎo)致儀表燒壞。

實(shí)例2：某聯(lián)合站回收水泵房電磁流量計(jì)進(jìn)水，懷疑流量計(jì)保養(yǎng)不當(dāng)，雨水經(jīng)穿線(xiàn)管滲入儀表內(nèi)，導(dǎo)致儀表腐蝕損壞。

處理辦法：對(duì)流量計(jì)進(jìn)行防水防護(hù)處理，清潔表頭內(nèi)積水，更換腐蝕元件。

1.1.3 線(xiàn)路老化問(wèn)題

數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)線(xiàn)路松動(dòng)、端子虛接現(xiàn)象。儀表維修工作中應(yīng)定期檢查線(xiàn)路，緊固接線(xiàn)螺絲，確保數(shù)據(jù)傳輸正常。

實(shí)例3：某脫水轉(zhuǎn)油站集中監(jiān)控畫(huà)面數(shù)據(jù)頻繁丟失，現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)不能遠(yuǎn)傳。排查故障原因，判斷自控盤(pán)內(nèi)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)線(xiàn)接口松動(dòng)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不正常。

處理辦法：重新更換水晶頭，并用網(wǎng)絡(luò)電纜測(cè)試儀檢驗(yàn)數(shù)據(jù)線(xiàn)的通斷。

1.1.4 鼠患問(wèn)題

集控室內(nèi)常有老鼠咬斷數(shù)據(jù)光纜的情況發(fā)生。這類(lèi)問(wèn)題常出現(xiàn)在夜間，遇到這種突發(fā)情況會(huì)造成值班人員無(wú)法查看遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)。解決辦法：施工配線(xiàn)時(shí)避免光纜經(jīng)過(guò)員工生活區(qū)；電箱內(nèi)光纜傳輸線(xiàn)穿管防護(hù)；準(zhǔn)備備用電纜，當(dāng)光纜被老鼠咬斷時(shí)及時(shí)更換新線(xiàn)路恢復(fù)生產(chǎn)；站內(nèi)安裝捕鼠器去除鼠患。

實(shí)例4：某聯(lián)合站夜班值班人員匯報(bào)集中監(jiān)控系統(tǒng)注水崗數(shù)據(jù)丟失，儀表維修人員發(fā)現(xiàn)通信柜內(nèi)光纜被老鼠咬斷。

處理辦法：更換被老鼠咬斷光纜，對(duì)散放光纜進(jìn)行穿管防護(hù)。

1.2 設(shè)備元件導(dǎo)致的故障

1.2.1 PLC控制模塊故障

目前所有的智能儀表都選擇PLC作為主要控制設(shè)備，所有儀表的數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)判別和控制輸出都通過(guò)PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)[4-5]。經(jīng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，自控系統(tǒng)發(fā)生的故障存在多樣性和復(fù)雜性。有些系統(tǒng)存在過(guò)?，F(xiàn)象，對(duì)于這類(lèi)問(wèn)題的維護(hù)辦法是加強(qiáng)自控系統(tǒng)的管理，將系統(tǒng)下位程序進(jìn)行備份，對(duì)重要參數(shù)安裝數(shù)字顯示儀表，工作人員可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行安全生產(chǎn)[6]。

實(shí)例6：某注入站內(nèi)單井母液流量信號(hào)的采集是通過(guò)Modbus 485模塊進(jìn)行收集的，當(dāng)注入站由停產(chǎn)轉(zhuǎn)為生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)了母液流量數(shù)據(jù)不能遠(yuǎn)傳、執(zhí)行器調(diào)節(jié)閥不動(dòng)作的現(xiàn)象，經(jīng)判斷故障為Modbus 485模塊死機(jī)造成。

處理辦法：開(kāi)啟下位程序刷新Modbus 485模塊，數(shù)據(jù)恢復(fù)正常（圖2）。

圖2 Modbus485模塊Fig.2 Modbus485 module

實(shí)例7：某聯(lián)合站現(xiàn)場(chǎng)員工匯報(bào)集中監(jiān)控室注水崗數(shù)據(jù)丟失，信號(hào)無(wú)法遠(yuǎn)傳，經(jīng)過(guò)判斷為西門(mén)子PLC系統(tǒng)的CPU模塊故障。

處理辦法：更換故障模塊，重新組態(tài)，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)參數(shù)進(jìn)行量程設(shè)定。

1.2.2 流量檢測(cè)儀表故障

電磁流量計(jì)常見(jiàn)的故障有兩種，一種是線(xiàn)路故障，另一種是現(xiàn)場(chǎng)流量與監(jiān)控畫(huà)面不符。維護(hù)辦法可采用分段排除法，從儀表柜到現(xiàn)場(chǎng)儀表逆向排查；或者采用信號(hào)替代法，用信號(hào)源代替儀表發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA信號(hào)，查看監(jiān)控系統(tǒng)是否能接收數(shù)據(jù)。

實(shí)例8：某污水站監(jiān)控系統(tǒng)總來(lái)液與現(xiàn)場(chǎng)儀表顯示數(shù)據(jù)不符，由系統(tǒng)下位程序檢測(cè)到液位量程指定錯(cuò)誤。更改儀表正確量程，流量數(shù)據(jù)與實(shí)際流量數(shù)據(jù)顯示一致。

處理辦法：對(duì)更換的儀表重新進(jìn)行量程指定，修改下位程序及時(shí)恢復(fù)生產(chǎn)。

1.2.3 壓力、溫度檢測(cè)儀表故障

變送器的常見(jiàn)故障有內(nèi)部模塊故障、液晶顯示屏故障、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)與遠(yuǎn)傳數(shù)據(jù)不符等。維護(hù)方法：解決硬件問(wèn)題需聯(lián)系廠家更換，解決線(xiàn)路問(wèn)題需采用分段排除法和信號(hào)替代法查找故障原因。

實(shí)例9：某中轉(zhuǎn)站脫水加熱爐出口壓力故障，現(xiàn)場(chǎng)儀表沒(méi)有顯示，測(cè)量?jī)x表24 VDC電源供電正常，壓力表放空拆卸后，在無(wú)壓情況下測(cè)量表輸出數(shù)值為-0.04 MPa而不顯示0 MPa，判斷為儀表內(nèi)部變送器模塊故障。更換儀表變送器模塊，數(shù)據(jù)傳輸正常。

1.2.4 盤(pán)裝儀表故障

中間儀表包括盤(pán)裝二次表、閃光報(bào)警器、安全柵、配電器、繼電器等。常見(jiàn)的故障有：二次表死機(jī)、線(xiàn)路松動(dòng)、數(shù)據(jù)丟失等。由于很多儀器、儀表使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，已經(jīng)超出廠家保修時(shí)間，只能更換。

實(shí)例10：某轉(zhuǎn)油站2#加熱爐液位數(shù)字顯示儀故障，顯示液位高度3.85 m，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際液位為0.52 m，了解到站內(nèi)前一天全站停電，懷疑二次表出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象。

處理辦法：找到儀表供電電源重新送電，數(shù)字顯示儀表恢復(fù)正常（圖3）。

1.2.5 電動(dòng)閥、氣動(dòng)閥故障

電動(dòng)閥故障常見(jiàn)有兩種，一種是電動(dòng)閥不動(dòng)作，另一種是電動(dòng)閥動(dòng)作但沒(méi)有反饋。維護(hù)辦法是采用短接法查看信號(hào)是否傳輸?shù)较到y(tǒng)。氣動(dòng)閥常與變送器聯(lián)鎖，常見(jiàn)的故障有氣動(dòng)閥漏氣、聯(lián)鎖不動(dòng)作。維護(hù)辦法是通過(guò)系統(tǒng)設(shè)定氣動(dòng)閥開(kāi)度，逆向查找氣動(dòng)閥聯(lián)鎖故障；定期檢查氣動(dòng)閥運(yùn)行情況，查看氣動(dòng)閥是否漏氣。

圖3 二次表維修前后的液位Fig.3 Liquid level of the secondary table before and after maintenance

實(shí)例11：某污水站，22#濾罐反沖洗進(jìn)口調(diào)動(dòng)執(zhí)行器故障，閥無(wú)法送電，保險(xiǎn)跳斷，故障原因?yàn)殚y門(mén)電動(dòng)機(jī)內(nèi)進(jìn)水而損壞。

處理辦法：與廠家結(jié)合更換閥門(mén)電動(dòng)機(jī)，22#濾罐恢復(fù)正常反沖洗。

2 儀表維護(hù)

儀表維護(hù)工作包括智能儀表內(nèi)部原件的故障排查和系統(tǒng)程序、線(xiàn)路故障排查。

儀表內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)先查看說(shuō)明書(shū)了解設(shè)備是了解設(shè)備的操作與使用方法。打開(kāi)設(shè)備電路部分，對(duì)照電路圖找到相應(yīng)元器件進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)結(jié)果推測(cè)可能出現(xiàn)的故障，有針性地進(jìn)行維修處理。

儀表線(xiàn)路故障可以根據(jù)儀表信號(hào)傳輸?shù)姆绞椒诸?lèi)進(jìn)行處理：模擬量信號(hào)故障采用分段排除法或信號(hào)替代法進(jìn)行處理；開(kāi)關(guān)量信號(hào)故障采用短接法進(jìn)行處理[7-8]。

模擬量輸出信號(hào)分為兩種，一種是兩線(xiàn)制信號(hào)（壓力、溫度變送器、浮球液位計(jì)），一種是四線(xiàn)制信號(hào)（電磁流量計(jì)信號(hào)）。

（1）兩線(xiàn)制信號(hào)指2根電纜即為供電線(xiàn)又是信號(hào)線(xiàn)。對(duì)于這類(lèi)儀表的維護(hù)，首先判斷配電器電源是否有電，配電器如果供電正常，可以選擇信號(hào)替代法，利用信號(hào)源代替儀表發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA電流帶負(fù)載信號(hào)，診斷是線(xiàn)路故障還是程序故障。還可以用萬(wàn)用表測(cè)量法測(cè)量?jī)x表供電電壓，或者串接萬(wàn)用表測(cè)量?jī)x表輸出電流，判斷儀表內(nèi)部是否故障。

（2）四線(xiàn)制信號(hào)指電源線(xiàn)和信號(hào)線(xiàn)分開(kāi)工作，信號(hào)直接從儀表傳輸給控制系統(tǒng)模塊。對(duì)于這類(lèi)信號(hào)故障的排查與兩線(xiàn)制方法相同，可以采用替代法，用萬(wàn)用表串接測(cè)量?jī)x表電流輸出，再使用信號(hào)源替代儀表輸出標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA DC信號(hào)，對(duì)故障進(jìn)行診斷（圖4）。

圖4 信號(hào)源替代法進(jìn)行故障診斷Fig.4 Fault diagnosis by the signal source substitution method

開(kāi)關(guān)量信號(hào)是指閥位的開(kāi)關(guān)反饋、泵的啟停控制等信號(hào)。其發(fā)生故障時(shí)首先用萬(wàn)用表測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)儀表的供電電源是否出現(xiàn)故障，再用短接法短接信號(hào)，看系統(tǒng)是否能收到反饋，如果有反饋，則儀表內(nèi)部有故障；如果沒(méi)有反饋，再檢查繼電器是否動(dòng)作。如果短接繼電器不動(dòng)作則為繼電器故障；如果繼電器動(dòng)作再找供給系統(tǒng)DO模塊的公共電源24 VDC是否有電，判斷是否為線(xiàn)路故障或者是模塊通道故障[9]。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）對(duì)不同類(lèi)型儀表進(jìn)行安全保護(hù)，可采取防雷接地、防腐防潮、電磁防護(hù)等措施，同時(shí)加強(qiáng)管理，延長(zhǎng)智能儀表及自控系統(tǒng)使用壽命，減少經(jīng)濟(jì)損失。

（2）崗內(nèi)重要參數(shù)應(yīng)加裝數(shù)字顯示儀表或更換老舊現(xiàn)場(chǎng)儀表，若自控系統(tǒng)出現(xiàn)故障，遠(yuǎn)傳信號(hào)丟失，工作人員可根據(jù)就地儀表參數(shù)進(jìn)行安全生產(chǎn)。

（3）過(guò)保的站場(chǎng)進(jìn)行程序備份，以方便系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)。

（4）集中監(jiān)控系統(tǒng)投入運(yùn)行后維修、維護(hù)工作尤為重要，應(yīng)提高自控專(zhuān)業(yè)人員的業(yè)務(wù)能力，加強(qiáng)技術(shù)培訓(xùn)，提高其編程、調(diào)試及診斷故障水平，有效地開(kāi)展油田生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)工作[10]。