溫度儀表故障保護在DCS系統(tǒng)中的應(yīng)用

何宏偉

摘 要：DCS集散控制系統(tǒng)因靈活度高、通透性好、操作簡單，已經(jīng)隨著微機4C技術(shù)的普及廣泛應(yīng)用于各工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域。而無論是采用熱電阻或者熱電偶作為感溫元件的溫度儀表，其故障保護也逐步廣泛應(yīng)用于利和時、新華、橫河以及西門子等諸多DCS系統(tǒng)中。溫度儀表故障保護在DCS系統(tǒng)中既可以直接確定溫度儀表的直接故障，也可以避免工業(yè)設(shè)備因其工業(yè)參數(shù)報警與溫度保護裝置聯(lián)動，造成因設(shè)備有短路、斷路甚至信號干擾等非溫度異常引起的保護裝置聯(lián)動跳閘造成的過度保護。是非常有現(xiàn)實意義的應(yīng)有技術(shù)。

關(guān)鍵詞：溫度儀表;故障保護;DCS系統(tǒng)。

一、前言

當前較為常見的自動化溫度儀表測量方法主要分為熱電阻法和熱電偶法。熱電阻測溫法主要是利用金屬導(dǎo)體電阻隨溫度升高而增加的原理，通過精準穩(wěn)定測定金屬導(dǎo)體電阻進而穩(wěn)定反映出相應(yīng)的溫度值。一般低溫區(qū)域溫度測量都選用熱電阻法。而工業(yè)上普遍使用的熱電阻法選擇的熱電阻金屬一般具有以下特點，金屬導(dǎo)體需要有較大穩(wěn)定的導(dǎo)熱系數(shù)，且要求有較大的電阻率，這能保證儀表滿足足夠靈敏度的同時只需要相對較小尺寸的金屬單體即可。選用的金屬導(dǎo)體需要良好的物理性能保證可承受的測溫范圍，同時，電阻值與溫度值能夠形成穩(wěn)定的函數(shù)關(guān)系，且材料利于推廣使用。熱電偶測溫法是將溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號。熱電偶是水泥廠在窯頭和窯尾系統(tǒng)溫度測量中應(yīng)用最普遍的測溫器件，它的特點是測量范圍廣、性能穩(wěn)定，有足夠的測量精度，結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)好，可以遠傳，便于集中檢測和自動檢測。

現(xiàn)代工業(yè)中使用的機械設(shè)備通常都要求長時間穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，所以設(shè)備必不可少地安裝溫度儀表故障保護裝置。而故障保護需要關(guān)聯(lián)設(shè)備的相關(guān)參數(shù)，很多參數(shù)是與設(shè)備穩(wěn)定運行息息相關(guān)，一旦設(shè)置不完善，某一參數(shù)稍微異常就觸發(fā)故障保護裝置直接停機，這樣的過度保護是不利于生產(chǎn)的，直接造成大型設(shè)備所在的生產(chǎn)線整條停產(chǎn)，而未完成的產(chǎn)品均需要報廢，經(jīng)濟損失不可估量。因此，需要引入更為先進的DCS系統(tǒng)來合理、科學(xué)、安全地管理溫度儀表的故障保護裝置。如圖1、2所示為某公司實際使用的溫度儀表的感溫元件實例。

二、溫度儀表故障分類及處理措施

1.采用熱電偶感溫元件的儀表故障及處理

采用熱電偶作為感溫的溫度儀表主要故障有接線虛接，接線腐蝕，短路，斷路等故障方式。那當溫度儀表因故障保護而停止運行時，需要詳細分析溫度儀表故障原因。首先需要切斷溫度儀表中的熱電偶原件，然后使用補償導(dǎo)線將溫度儀表短接，該補償導(dǎo)線具有與熱電偶接近的熱電特性，觀察回來情況。如果回路正常則說明儀表正常能準確監(jiān)控溫度變化起到故障保護的功能。除此之外，還可以測量熱電偶的電阻或者兩端的電勢來判斷儀表是否出現(xiàn)短路現(xiàn)象。

當溫度儀表故障發(fā)生后，專業(yè)維修人員首先要使用電子儀器來測試、確認和管理相應(yīng)的故障儀表。其次是適時對于系統(tǒng)溫度儀表進行滯后測量，換句話說如果溫度儀表系統(tǒng)數(shù)值顯示的是瞬時增加或減小，可判斷是溫度儀表系統(tǒng)出現(xiàn)了故障。那最大的可能性是導(dǎo)線斷路等原因造成的。另外溫度儀表系統(tǒng)指針出現(xiàn)加速的來回震蕩，一般情況是由于沒有正確調(diào)節(jié)PID導(dǎo)致了這類現(xiàn)象的發(fā)生。再者手動操作設(shè)備系統(tǒng)也會影響溫度儀表系統(tǒng)的正常指示，若手動才做過程沒有指示的異常，則說明是溫度儀控制系統(tǒng)本身的異常問題。如果溫度儀表數(shù)值陡增或陡減，那判斷是變送器的放大器失效或者是系統(tǒng)導(dǎo)線斷線造成的。此外如果溫度儀表反應(yīng)遲鈍或者指針有大幅度的波動，則確定為技術(shù)操作或儀表本身的性能的問題。

2.采用熱電阻感溫元件的儀表故障及處理

熱電阻采用的材料基本為鉑、銅、錳、鎳、銠等純金屬，而工業(yè)上最經(jīng)常使用的為貴金屬鉑，通常將鉑金屬制作成電阻絲，將細的電阻絲繞成熱電阻。但因為細的電阻絲容易在振動較為劇烈的場合發(fā)生潛在的無法避免的斷裂問題。另外，工業(yè)設(shè)備基本都將其工業(yè)參數(shù)報警與溫度保護裝置聯(lián)動，會造成因設(shè)備有短路、斷路甚至信號干擾等非溫度異常引起的保護裝置聯(lián)動跳閘造成了過度保護。

對于工業(yè)設(shè)備中的鉑電阻溫度儀表故障，可以按照其組成回路的三部分來分別檢查。首先對于輸出部分的溫度報警器檢定，如果根據(jù)儀表設(shè)定參數(shù)檢定沒有問題則說明報警器合格。然后再對輸入部分的鉑電阻進行檢查，若萬用表測量的電阻值為正常的數(shù)值時則說明鉑電阻的正常的。最后再對回路測量部份的溫度變送器檢查，用歐姆表對于線對線以及線對地進行絕緣測試，判斷是否有接地的異常現(xiàn)象。這樣詳細的檢定有助于排除以及處理熱電阻感溫元件的儀表的故障。

三、溫度儀表故障保護在DCS系統(tǒng)中應(yīng)用

1.溫度儀表故障保護在和利時DCS系統(tǒng)中的應(yīng)用

對于和利時DCS系統(tǒng)，來分析使用熱電阻作為溫度儀表元件的相關(guān)故障保護。對于使用A、B、C三線制的熱電阻，若A相斷路則系統(tǒng)顯示正的某值，若B、C相斷路則系統(tǒng)顯示為負的某值。而短路則系統(tǒng)顯示為0。因此可以根據(jù)系統(tǒng)本身的特點，來進行改進邏輯以實現(xiàn)對溫度測量點的保護。以軸承溫都儀表故障保護邏輯為例，將保護溫度設(shè)定限值設(shè)為好，大于設(shè)定限值的為CT模塊，小于設(shè)定限值的為LT模塊，系統(tǒng)中使用TON模塊來穩(wěn)定持續(xù)幾秒的輸入來源信號，穩(wěn)定后后輸出為1。當溫度正常升高至設(shè)定限制時，輸出為1，經(jīng)過TON模塊后輸出1，與 LT模塊設(shè)定值判定后輸出的1值相與，發(fā)出溫度儀表故障保護跳閘指令。而當測點由于斷路突然升高至設(shè)定限時，LT模塊輸出為0，即將此測點溫度儀表故障保護跳閘切除。同樣，當測點突然降低至設(shè)定限時顯示為0時，也不會產(chǎn)生跳跳閘指令。這樣就避免了因壞點而導(dǎo)致的設(shè)備誤操作或者停機。也就達到了利和時DCS系統(tǒng)不因溫度儀表故障過度保護而造成的設(shè)備異常操作和停機的風(fēng)險。

2.溫度儀表故障保護在新華DCS系統(tǒng)中的應(yīng)用

現(xiàn)在以新華DCS系統(tǒng)的溫度儀表元件使用熱電阻為例，通常情況下熱電阻采用A、B、C三線制，根據(jù)實際大量實驗總結(jié)出：當A相為斷路，則系統(tǒng)顯示溫度點為某一較高數(shù)值;當B、C相斷路時，則系統(tǒng)顯示為壞點;當各相短路時，系統(tǒng)顯示數(shù)值約為0。這樣系統(tǒng)可以通過改進控制邏輯來消除由于各種原因?qū)е碌腻e誤信號。以電機軸承溫度儀表故障保護為例，首先在溫度測量 回路中加一個濾波，能有效消除因偶然因素引起的干擾 。系統(tǒng)中使用TQ模塊來測試溫度儀表狀態(tài)，可以直接判定出測點是否為壞點，設(shè)定壞點為1，非壞點為0。系統(tǒng)使用HLAlm模塊對溫度報警，超過系統(tǒng)設(shè)定的溫度上下限值就會輸出1。所有從該控制邏輯可知，當溫度正常升高至保護設(shè)定值時，HIAlm模塊就會輸出為1，而TQ模塊輸出為0，最后發(fā)出正常的跳閘指令;當系統(tǒng)測點為壞點，則TQ模塊輸出為1，此溫度儀表保護邏輯將被替換，不再參與整個系統(tǒng)的邏輯保護。而當系統(tǒng)溫度儀表保護元件短路時，模塊均顯示為0時，故障保護動作也不會發(fā)生。這樣就避免了因壞點或短路而導(dǎo)致的設(shè)備誤操作或者停機。 也就達到了新華DCS系統(tǒng)不因溫度儀表故障過度保護而造成的設(shè)備異常操作和停機的風(fēng)險。

3.溫度儀表故障保護在橫河DCS系統(tǒng)中的應(yīng)用

橫河公司開發(fā)的DCS系統(tǒng)一般都會體現(xiàn)ETS的理念。而其系統(tǒng)一般都有集成的數(shù)據(jù)庫，其含有集成化的故障報警信息等，而溫度儀表的故障報警信息也包含在其中。通常橫河公司DCS系統(tǒng)中，無論溫度儀表的元件斷路還是短路，故障均顯示的是壞點。當輸入低于下限時，在故障測位置顯示為IOP-;而當輸入高于上限時，在故障測位置顯示為IOP。假設(shè)溫度儀表取值為平均溫度。系統(tǒng)將對每個溫度測試點進行自動檢測并判斷是否為壞點 ，若判斷為壞點，則系統(tǒng)會自動屏蔽此溫度測量點。該測量點就不再參與到平均溫度的計算中。這樣就避免了因壞點而導(dǎo)致的設(shè)備誤操作或者停機。 也就達到了橫河DCS系統(tǒng)不因溫度儀表故障過度保護而造成的設(shè)備異常操作和停機的風(fēng)險。

4.溫度儀表故障保護在西門子DCS系統(tǒng)中的應(yīng)用

西門子DCS系統(tǒng)我們以SIMATIC PCS7為例，它是以西門子成熟的PLC系統(tǒng)S7-400為基礎(chǔ)，集成了上位機的自動化平臺。除了在技術(shù)方面使用冗余系統(tǒng)來提高系統(tǒng)的可靠性外還運用了安全儀表系統(tǒng)SIS，也有稱之為安全聯(lián)鎖系統(tǒng)或者緊急停車系統(tǒng)ESD。如同前文所提，配備了安全儀表系統(tǒng)，如果生產(chǎn)過程中發(fā)生執(zhí)行機構(gòu)故障，系統(tǒng)邏輯錯誤，動力源失效以及監(jiān)控的過程變量超限等，安全儀表系統(tǒng)將自動進入故障處理程序，將現(xiàn)場工藝設(shè)備轉(zhuǎn)入到安全模式展現(xiàn)給操作員和維護員，避免系統(tǒng)故障總成重大損失，實現(xiàn)規(guī)避或大大降低工藝實現(xiàn)過程中的各種潛在風(fēng)險。當然本文所提溫度儀表故障也是包含在在整個安全儀表系統(tǒng)中的，一般通過分析工藝過程和其控制對象，尤其是針對系統(tǒng)中出現(xiàn)的異常溫度儀表故障，可非常必要地引入獨立的安全儀表系統(tǒng)。獨立的安全儀表系統(tǒng)可采集各個安全儀表顯示的信息并傳輸?shù)紺PU中，這些信息包含測量的物理變量數(shù)值的大小也包含安全儀表自身的工作狀態(tài)。那么各個安全儀表自身工作狀態(tài)除去良好外，出現(xiàn)的異常工作狀態(tài)有信號溢出、失去電源、短路以斷路等儀表故障。以熱電阻為例，若溫度是緩慢上升而達到最高跳車值，系統(tǒng)就會發(fā)出跳車指令，直接跳車以保護設(shè)備;若是因斷路或儀表故障等瞬間達到最高跳車值，此時系統(tǒng)會立刻給出一個虛假值并報警但不會發(fā)出跳車指令。這樣就避免了因壞點而導(dǎo)致的設(shè)備誤操作或者停機。 也就達到了西門子DCS系統(tǒng)不因溫度儀表故障過度保護而造成的設(shè)備異常操作和停機的風(fēng)險。

四、結(jié)論

DCS集散控制系統(tǒng)因靈活度高、通透性好、操作簡單，已經(jīng)隨著微機4C技術(shù)的普及廣泛應(yīng)用于各工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域。而無論是采用熱電阻或者熱電偶作為感溫元件的溫度儀表，其故障保護也逐步廣泛應(yīng)用于利和時、新華、橫河以及西門子等諸多DCS系統(tǒng)中。溫度儀表故障保護在DCS系統(tǒng)中既可以直接確定溫度儀表的直接故障，也可以避免工業(yè)設(shè)備因其工業(yè)參數(shù)報警與溫度保護裝置聯(lián)動，造成因設(shè)備有短路、斷路甚至信號干擾等非溫度異常引起的保護裝置聯(lián)動跳閘造成的過度保護。是非常有現(xiàn)實意義的應(yīng)有技術(shù)。

參考文獻：

[1] 唐磊.DCS系統(tǒng)在污水處理裝置自動化控制中的應(yīng)用[D].山東大學(xué)，2010.

[2] 張漢昌.集散控制系統(tǒng)DCS在瓦斯發(fā)電自動監(jiān)控系統(tǒng)中的研究及應(yīng)用[J].煤礦機電，2013（02）：88-93.

[3] 田善江.余熱發(fā)電站DCS集散控制應(yīng)用實踐[J].有色設(shè)備，2012（05）：19-23.

[4] 韋月萍.淺談DCS系統(tǒng)在發(fā)電廠電氣控制上的應(yīng)用[J].科技風(fēng)，2012（18）：74.

[5] 尚思沖.DCS應(yīng)用中存在的問題及發(fā)展趨勢[J].自動化應(yīng)用.2015（12）：50+52.

[6] 張建.DCS系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].科技風(fēng)，2014（14）：103.

（中國葛洲壩集團水泥有限公司 ?湖北 ?荊門 ?448000）