工業(yè)自動(dòng)化控制DCS系統(tǒng)維護(hù)技術(shù)分析

孫云飛

山東電力建設(shè)第三工程有限公司，山東青島，266100

0 引言

我國(guó)科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化水平也在提升，越來(lái)越多高科技含量的設(shè)備投入到工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，使生產(chǎn)效率顯著提升。但是，這些設(shè)備本身所包含的各項(xiàng)參數(shù)比較復(fù)雜，設(shè)備的功能也處于待完善狀態(tài)。工業(yè)自動(dòng)化控制當(dāng)中，DCS系統(tǒng)是應(yīng)用最為廣泛的系統(tǒng)，其具備可靠性高、控制性能強(qiáng)的特點(diǎn)。但是DCS系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中條件比較復(fù)雜，很容易出現(xiàn)運(yùn)行故障。為進(jìn)一步突出DCS系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中的應(yīng)用效果，需要詳細(xì)了解DCS系統(tǒng)，并掌握DCS系統(tǒng)常見(jiàn)的故障以及做好故障診斷工作。如此，才能制定科學(xué)合理的維護(hù)措施，選擇恰當(dāng)?shù)木S護(hù)技術(shù)，充分發(fā)揮出DCS系統(tǒng)的控制功能。

1 工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展歷程

1.1 電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)

電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)分為直流傳動(dòng)和交流傳動(dòng)系統(tǒng)。交流電機(jī)無(wú)極調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)于20世紀(jì)30年代，廣泛應(yīng)用于機(jī)床等對(duì)電傳動(dòng)技術(shù)性能要求高的機(jī)械設(shè)備上。20世紀(jì)60年代，大功率晶體管的成功研制，使變換器技術(shù)發(fā)生了根本性的變化。晶閘管直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)克服了旋轉(zhuǎn)交流機(jī)組體積大、成本高、效率低、維護(hù)困難等缺點(diǎn)，調(diào)速精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等技術(shù)性能也有了很大提高[1]。20世紀(jì)80年代，電力電子技術(shù)與微電子技術(shù)相結(jié)合，在交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方面取得了重大進(jìn)展。鼠籠式發(fā)動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速和異步繞線轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是以轉(zhuǎn)子交流控制系統(tǒng)逐漸取代直流控制系統(tǒng)。

1.2 PLC系統(tǒng)

20世紀(jì)30年代，機(jī)械加工公司通過(guò)機(jī)械化制造工藝來(lái)提升制造效益。在不同的自動(dòng)化生產(chǎn)線中有許多繼電器系統(tǒng)。在頻繁運(yùn)行的狀態(tài)下，接觸式電器工作頻率降低，使用壽命短。這降低了操作電路的可靠性。生產(chǎn)于20世紀(jì)60年代初期的矩陣順序控制器和晶體管邏輯控制器，都是利用電子技術(shù)來(lái)作為繼電器控制的[2]。接觸器控制裝置的缺點(diǎn)是不能廣泛應(yīng)用。通用汽車(chē)公司建議將計(jì)算機(jī)完整性、靈活性和互操作性以及繼電器-接觸器控制系統(tǒng)的易解釋性和可操作性相結(jié)合。為了使通用控制器適應(yīng)工業(yè)環(huán)境，簡(jiǎn)化了編程和入門(mén)級(jí)程序，提高了員工對(duì)所用技術(shù)的理解和掌握。1969年，EDC開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)可編程邏輯控制器(PLC)，并成功地將其應(yīng)用于總裝線。摩托車(chē)的PLC安全性最高，平均無(wú)故障工作時(shí)間十萬(wàn)小時(shí)以上，大大降低了設(shè)備維護(hù)成本和經(jīng)濟(jì)損失[3]，已成為電氣自動(dòng)控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)設(shè)備。

1.3 DCS系統(tǒng)

DCS的管理系統(tǒng)涉及電腦、通信、顯示和管理四方面。它的特色是集中管理、上級(jí)監(jiān)控和分散管理。它便于使用，在制造中獲得應(yīng)用。工業(yè)生產(chǎn)信息化是利用計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、傳輸網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)來(lái)滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的技術(shù)要求的完整性分析。自動(dòng)DCS控制系統(tǒng)應(yīng)防止在潮濕和氧化條件下長(zhǎng)期運(yùn)行[4]。最小的DCS控制器，包括了硬件和軟件、操作節(jié)點(diǎn)、控制站。操作節(jié)點(diǎn)主要分為操作站點(diǎn)、工程師站和歷史站點(diǎn)，而控制站則主要分為主控卡、通信卡和電源單元、I/0卡和相關(guān)的終端板。主控層采用冗余處理的100Mbps工業(yè)以太網(wǎng)，為確保與光纜并行地平穩(wěn)工作，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)處理層采用了1.5～1.6的PROFIBUS-DP總線同軸。在中央控制層和信號(hào)處理單元的現(xiàn)場(chǎng)，它也可以用于第三方通信站和工業(yè)控制器。因此DCS也在電子工業(yè)中起到了很大的輔助功能作用。設(shè)備DCS系統(tǒng)故障會(huì)降低生產(chǎn)效率，導(dǎo)致生產(chǎn)中斷。因此，有必要加強(qiáng)系統(tǒng)維護(hù)[5]。

2 DCS系統(tǒng)常見(jiàn)故障

2.1 通信網(wǎng)絡(luò)故障

在DCS控制系統(tǒng)中，其通信網(wǎng)絡(luò)功能主要是兩方面：一方面是用于過(guò)程處理器間的通信，另一方面是用作人機(jī)間交互的通信。在實(shí)際工作中，無(wú)論什么方面的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)功能存在問(wèn)題，都會(huì)使DCS系統(tǒng)的測(cè)控功能受影響，DCS通信故障的主要因素是數(shù)據(jù)傳輸不暢通或中斷、信息干擾等[6]。在通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，信息數(shù)據(jù)的傳遞主要借助于節(jié)點(diǎn)間的詢問(wèn)進(jìn)行，一旦某個(gè)節(jié)點(diǎn)向另外的節(jié)點(diǎn)詢問(wèn)了某數(shù)據(jù)，而被詢問(wèn)的節(jié)點(diǎn)卻不是這樣的數(shù)據(jù)，那么詢問(wèn)的節(jié)點(diǎn)就會(huì)繼續(xù)向其他節(jié)點(diǎn)詢問(wèn)數(shù)據(jù)，這樣就會(huì)造成數(shù)據(jù)通信的不順暢。進(jìn)行信息傳送的線纜如果長(zhǎng)時(shí)間未加以更新，發(fā)生老化、銹蝕等現(xiàn)象后，會(huì)造成通信線路斷裂。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，會(huì)有許多的工作裝置，其中不同的裝置在控制系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)著不同的功能，設(shè)備內(nèi)部的信息傳送產(chǎn)生相應(yīng)的影響，對(duì)DCS控制系統(tǒng)的信息傳送產(chǎn)生阻礙，影響其順利傳送[7]。

2.2 電源故障

供電是確保整個(gè)DCS系統(tǒng)平穩(wěn)工作、高效監(jiān)控的重要基礎(chǔ)。在DCS控制系統(tǒng)中，為避免突發(fā)事故后的供電線出現(xiàn)斷路導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)停機(jī)工作，往往采取冗余雙電源的模式進(jìn)行供電，即一個(gè)為主供電，一個(gè)后備供電。在實(shí)際工作中，系統(tǒng)一般通過(guò)主電源實(shí)現(xiàn)供電，但如果主機(jī)供電設(shè)備出現(xiàn)了問(wèn)題，則系統(tǒng)就可以主動(dòng)轉(zhuǎn)移到后備供電上，從而保證了系統(tǒng)的工作安全平穩(wěn)[8]。而開(kāi)關(guān)式供電事故則一般是由于開(kāi)關(guān)式供電的布線頭觸碰不好、松動(dòng)、電路端子排接頭螺釘松動(dòng)或過(guò)熱等，在某些有強(qiáng)磁干擾的地方也會(huì)造成開(kāi)關(guān)電源過(guò)度的消耗。另外，開(kāi)關(guān)式供電保險(xiǎn)燒毀、機(jī)籠燃燒等也是較為普遍的開(kāi)關(guān)式供電事故。

2.3 服務(wù)器故障

通常當(dāng)DCS操作系統(tǒng)停機(jī)檢修之后，很容易發(fā)生DCS操作系統(tǒng)的主、輔服務(wù)器切換失常的情形。最主要的故障現(xiàn)象為：畫(huà)面顯示器均為灰色，同時(shí)屏幕上出現(xiàn)的信號(hào)均為亂碼，單擊告警記錄，指示為服務(wù)器設(shè)備B(A)→服務(wù)器設(shè)備A(B)，單擊右下角的系統(tǒng)圖后，提示為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)出現(xiàn)故障。有故障的服務(wù)器設(shè)備指示為紅光，無(wú)故障的服務(wù)器設(shè)備則指示為綠燈，但控制器部分卻是正常工作運(yùn)行的。原因是：當(dāng)DCS系統(tǒng)只完成了一個(gè)比對(duì)時(shí)，有可能會(huì)造成主、副服務(wù)器的工作時(shí)間不一致，而產(chǎn)生無(wú)法進(jìn)行的狀況，也有可能會(huì)是主服務(wù)器的信息未能發(fā)送，甚至是在故障信息發(fā)送后，副服務(wù)器卻并未接收信息，而造成了主、副服務(wù)器設(shè)備的切換功能失常[9]。

2.4 插件故障

DCS系統(tǒng)插件是一個(gè)連接元件，主要的功用是按照控制系統(tǒng)的工作條件，對(duì)線纜和電纜端頭進(jìn)行連接、切斷，而這種插件中有的是必須連接的，有的必須絕緣的。在實(shí)際工作中，因?yàn)橛|及插件的材質(zhì)選擇不恰當(dāng)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)不合理或者工作環(huán)境問(wèn)題等，都會(huì)造成觸及插件內(nèi)部產(chǎn)生接觸不良的狀況，導(dǎo)通不暢。另外，觸及插件內(nèi)部的塵土、金屬塵?；蛘呓^緣老化問(wèn)題等，也會(huì)造成觸及插件內(nèi)部產(chǎn)生絕緣不好的狀況。

3 DCS系統(tǒng)的故障診斷

DCS控制系統(tǒng)本身也具有失效的自診斷程序，自診斷程序會(huì)定時(shí)地對(duì)總線或網(wǎng)絡(luò)上的部分模塊、元件等作出檢查。而一旦在工作中發(fā)生了異常，控制系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生故障代碼，而具體的故障代碼也將經(jīng)由操作站來(lái)傳遞給系統(tǒng)運(yùn)行管理人員。作業(yè)技術(shù)人員通過(guò)故障代碼了解到故障信號(hào)后，必須展開(kāi)常規(guī)的檢測(cè)，重點(diǎn)是對(duì)發(fā)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幾種。

3.1 直接判斷法

按照系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中所形成的代碼進(jìn)行判斷，查看其中的故障代碼，并根據(jù)設(shè)備所形成的故障現(xiàn)象，直接判斷故障發(fā)生的部位，并分析故障產(chǎn)生的原因。該種判斷方法需要判斷人員本身具備豐富的工作經(jīng)驗(yàn)，且能直接闡述故障產(chǎn)生的具體原因。當(dāng)然，該種方法無(wú)法準(zhǔn)確指出故障的位置，但能判定故障的大致范圍，采用該種故障診斷方法能夠有效節(jié)省故障診斷時(shí)間。

3.2 外部檢查法

該種檢測(cè)方式適合于對(duì)表面上容易發(fā)生的故障判別。通過(guò)外觀檢測(cè)，能夠使故障診斷的時(shí)間大大縮短，主要可以通過(guò)觀察來(lái)檢查某些零件是不是有破損、接線頭的接觸是不是正常、插座是不是有松動(dòng)以及電纜是不是有斷裂的現(xiàn)象。有的情況可利用對(duì)裝置的輕輕敲打或搖晃來(lái)加以確定，例如電纜聯(lián)接不好的現(xiàn)象，可利用輕輕搖晃把聯(lián)接不好的地方檢查起來(lái)，一般聯(lián)接不好的地方容易出現(xiàn)松動(dòng)。

3.3 替換對(duì)比法

在實(shí)際的故障排除中，這也是較為普遍的一個(gè)做法。該技術(shù)運(yùn)用起來(lái)也相當(dāng)方便，不過(guò)前提條件是故障出現(xiàn)的部位盡量減少，以縮短零件更換的時(shí)限。針對(duì)疑有故障的零件，用新的零件進(jìn)行替代安裝，一旦故障消除了，即是由于零件磨損而引起的故障，但一旦故障仍不能消除，則必須進(jìn)行對(duì)疑有故障的零件進(jìn)行替代安裝，直至故障完全消除。但必須注意的是，在進(jìn)行新的零件替代安裝之前，要確認(rèn)系統(tǒng)中并不出現(xiàn)短接或通斷的狀況，不然就會(huì)造成新替代安裝的零件發(fā)生磨損問(wèn)題，不但浪費(fèi)掉了修復(fù)的時(shí)機(jī)，還大大增加了修復(fù)生產(chǎn)成本。

4 DCS系統(tǒng)維護(hù)技術(shù)

4.1 優(yōu)化通信網(wǎng)絡(luò)

通過(guò)DCS系統(tǒng)故障的排除流程和排除法判斷出現(xiàn)故障的原因和部位，在判斷部位、確定原因后實(shí)施針對(duì)性的檢查維修。在平時(shí)的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)中，要更多檢測(cè)DCS主機(jī)系統(tǒng)及其與主機(jī)系統(tǒng)所連接的系統(tǒng)間的通信負(fù)荷率，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量?jī)x表定期檢查通信負(fù)荷率，一旦該指數(shù)達(dá)到了正常值，就要及時(shí)進(jìn)行通信優(yōu)化，還可將網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)加以適當(dāng)調(diào)節(jié)，從而使得通信負(fù)荷率在正常的范圍內(nèi)。在實(shí)際生產(chǎn)中，為了減低通信負(fù)荷率也可用優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的方法，例如在控制站和主控單位中間的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通常使用的是單層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可將其加以調(diào)整，或采取雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的方法，以較好地減低通信負(fù)荷率。要定期檢查通信線纜狀況，有老化、絕緣破裂、銹蝕等現(xiàn)象及時(shí)進(jìn)行更新，還必須確保新?lián)Q的線纜質(zhì)量滿足實(shí)際運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)需要注意，對(duì)以雙路冗余性方式所配置的電源線，要檢查是不是有插頭松動(dòng)、觸及不好等狀況，并及時(shí)加以修理。針對(duì)信息干擾造成的通信問(wèn)題，要采取相應(yīng)的方法把設(shè)備彼此分隔起來(lái)，可以增加設(shè)備內(nèi)部的空隙，還可設(shè)置信息分隔設(shè)備，把無(wú)線網(wǎng)分隔，這樣，就可以減少設(shè)備內(nèi)部的相互干擾影響。

4.2 加強(qiáng)電源維護(hù)

開(kāi)關(guān)電源是DCS控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，對(duì)開(kāi)關(guān)電源的保護(hù)重點(diǎn)是要加強(qiáng)防護(hù)工作。首先，要把好質(zhì)量關(guān)，在開(kāi)關(guān)電源的交付使用過(guò)程中，首先要挑選品質(zhì)良好的產(chǎn)品，并保證產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)都符合實(shí)際工作條件。然后，在平時(shí)的操作中，要定期檢查開(kāi)關(guān)電源的回路和輸出電流等，并檢查開(kāi)關(guān)電源中的元器件是不是存在著老化的情況，并定期更新元器件。使用紅外測(cè)溫儀測(cè)量接線螺栓的工作溫度，以檢測(cè)有無(wú)存在接線螺釘工作溫度的過(guò)高現(xiàn)象。檢查所供電的保險(xiǎn)絲容量是否滿足正常運(yùn)行的需要，以及是否出現(xiàn)保險(xiǎn)絲容量過(guò)大或過(guò)小的情形。此外，必須注意的是，冗余性雙電源供電方法雖然有其必然的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也會(huì)造成供電故障或報(bào)警信號(hào)錯(cuò)誤，不利于對(duì)故障的診斷。在停機(jī)大修時(shí)，特別要做好對(duì)機(jī)籠的檢測(cè)，但是由于機(jī)籠替換的流程比較復(fù)雜，而且替換困難也較大，在大修流程中也極少發(fā)生替換，造成了其長(zhǎng)時(shí)間工作，很容易發(fā)生燃燒的狀況，所以盡量是定時(shí)替換機(jī)籠。最后，設(shè)置供電使用和維修狀況信息管理日志，使檢測(cè)人員可以了解供電裝置的工作狀況，適時(shí)作出檢測(cè)及更新零部件，也為后期的檢測(cè)維護(hù)提供一些必要的參照依據(jù)[10]。

4.3 優(yōu)化服務(wù)器

關(guān)于主、副服務(wù)器設(shè)備切換異常的正常維護(hù)，需要首先將CRT運(yùn)行停機(jī)，以確定機(jī)組的主機(jī)負(fù)載平衡。檢測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)和控件有無(wú)出現(xiàn)故障，如果網(wǎng)絡(luò)和控件都正常工作，則還必須檢測(cè)服務(wù)器設(shè)備的對(duì)時(shí)操作系統(tǒng)有沒(méi)有差異。假如是由對(duì)時(shí)系統(tǒng)差異所引起的切換異常，則必須重新啟動(dòng)主機(jī)服務(wù)器設(shè)備，并在軟件設(shè)定上使主、副服務(wù)器設(shè)備每間隔一段時(shí)間完成1次對(duì)時(shí)，以保證主、副服務(wù)器設(shè)備的時(shí)序一致性。若沒(méi)有因?yàn)橹?、副服?wù)器相對(duì)的操作系統(tǒng)不同造成的切換異常，就必須做好下一個(gè)排查。

4.4 加強(qiáng)插件維護(hù)

插件的故障問(wèn)題需要特別注意，尤其是在進(jìn)行設(shè)備裝機(jī)過(guò)程中，做好插件的檢查工作，確保插件已經(jīng)處于導(dǎo)通狀態(tài)。檢查插件需要保持操作系統(tǒng)停止運(yùn)行，并對(duì)插件進(jìn)行逐一檢查。雖然設(shè)備本身比較復(fù)雜且插件種類較多，但在實(shí)際檢查期間，可以利用導(dǎo)通檢測(cè)設(shè)備規(guī)避手動(dòng)檢查，該種設(shè)備操作簡(jiǎn)單，且檢查流程比較少，能夠有效提升檢查效率，且規(guī)避檢測(cè)失誤的問(wèn)題。還需要經(jīng)常開(kāi)展動(dòng)態(tài)振動(dòng)測(cè)試，在系統(tǒng)靜止下的插件即便接觸狀況良好，但實(shí)際工作中由于振動(dòng)也會(huì)造成插件產(chǎn)生信號(hào)瞬時(shí)停頓的狀況，所以通過(guò)振蕩測(cè)試就能夠檢測(cè)插件在正常系統(tǒng)工作狀況下的接觸狀況。面對(duì)一些插件所存在的絕緣性不好問(wèn)題，可以對(duì)插件制定清潔計(jì)劃，采用吹灰器將插件當(dāng)中可能存在的金屬屑或者是塵土清除。如果對(duì)設(shè)備進(jìn)行大修，需要對(duì)不容易被清洗到的插件死角進(jìn)行專門(mén)的清洗，確保插件和卡槽連接良好。當(dāng)然，在對(duì)插件進(jìn)行絕緣檢測(cè)期間，如果發(fā)現(xiàn)絕緣老化要予以替換，以防止出現(xiàn)絕緣件被擊穿的狀況。

5 結(jié)語(yǔ)

DCS控制系統(tǒng)作為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的關(guān)鍵組成部分，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)信息化管理有著關(guān)鍵的意義。所以，必須做好對(duì)DCS系統(tǒng)的保養(yǎng)，針對(duì)系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題做好針對(duì)性的維修排除。排查的過(guò)程中，需要科學(xué)合理地運(yùn)用一些常規(guī)的排除手段，迅速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題部位，針對(duì)某些易發(fā)問(wèn)題部位和零部件進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，做到發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)進(jìn)行維修排除，使DCS系統(tǒng)更加平穩(wěn)工作，對(duì)工業(yè)智能化管理起到積極作用。