基于局域网的电气和仪表设备故障诊断与报警技术

安岁芹 程 琪 张 帅 王 冲

(中国石油兰州石化公司a.物资采购管理部；b.电仪事业部，兰州 730060)

随着现代炼化企业规模的不断扩大和生产过程自动化程度的不断提高，用于动力保障和过程测控的智能型电气和仪表设备被广泛应用，这也使得电气和仪表检维修人员的维护巡检点数量增多，而且无法实现对每台设备运行状况的24h连续实时监视，致使一些有处理时间和意义的故障不能被及时发现并采取相应措施，引起生产装置波动、停车甚至安全或环保事件。张锋等基于物联网技术设计了一种低成本的在线实时环境监测系统，实现对石化厂区中的温度、湿度、一氧化碳、二氧化碳、风向、风速及PM2.5等的自动监测和预警；并对化工厂的易燃易爆气体、有毒气体和粉尘进行实时在线监测分析，形成直观结果，使生产管理人员能够及时掌握有毒气体的实时动态信息，并直观观察其变化动态，及时排除可能引发危险事故的因素，将危险控制在始发阶段，实现了化工生产的安全、持续和高效运行[1]。

范文进介绍了一起冷冻机组的试车事故，分析得出了产生该事故的原因，并结合现场实际可行的联锁故障排查方法和解决类似事故的相关经验,总结了二次控制回路直流电源系统接地导致联锁故障的排查方法，最后提出了防止该类联锁故障发生的防范措施[2]。但是，大多的现场故障是在发生了停车事故或装置严重波动时，才进行相关的处理，还没有见到有关开发电气和仪表设备故障诊断与报警系统，利用技术手段替代人工巡检，实现设备的实时可靠运行的相关报道。目前国际上已开发的设备管理软件侧重于对仪表状况的管理，即仅以仪表运行的时间长短来判断仪表运行状况；或采用载波数字通信，反馈变送器本身的故障，而且反映的故障类别有限。

笔者所在设备维护团队设计采用控制系统报警功能实现设备故障诊断，与采用设备管理软件对仪表设备本身的运行状况判断有本质区别。在此，开发利用智能电气和仪表设备强大自检报警功能和现代通信网络技术，把生产工艺异常或终端设备故障发送到监测终端，让运行维护人员能够及时准确地了解设备的运行状况，从而尽可能及时准确地调整工艺流程或果断退出故障设备，使生产装置得以连续平稳运行或避免事故扩大。

1 电气和仪表设备故障诊断与报警系统网络的建立

目前中国石油兰州石化公司各炼化装置的电气变电所和仪表控制室都已经使用各种控制系统(如电气SCADA及仪表DCS等)，这些控制系统的管理和运算能力不断增强，除完成生产控制以外，还可以利用控制系统自身的诊断程序或独立开发的程序，在控制室监控终端将同一区域的所有电气和仪表设备的故障诊断和报警信息(现有的智能电气和仪表设备基本都具备故障自诊断功能，有故障时会自动报警)加以收集和整理，以流程画面的色变、声和光形式报警。

另外，通过控制系统的OPC或其他通信接口将诊断和报警信息传送至企业局域网，并开发专用网页，管理、技术、调度指挥及检维修值班等工作人员都能在固定网页进行设备运行状态的监视。同时将报警信息与短信报警平台或短信报警模块关联，可及时将报警信息以短信形式送达相关人员的手机，把一些在发展阶段还未造成装置波动和停车，且有处理时间的电仪故障通知维护人员，为进行正确的相关处理争取宝贵时间。

对于边远或无网络覆盖的区域(如电气外供线路及杆塔等)，设计采用无线网络实现数据的采集和上传，既节约了投资又方便了维护和管理。

将电气和仪表现场检测设备、控制系统(含通信接口)、局域网及移动通信等环节加以整合，设计如图1所示的电气和仪表设备故障诊断与报警系统网络。

图1 电气和仪表设备故障诊断与报警系统网络

2 电气设备故障诊断与报警系统

电气设备的故障诊断与报警主要根据现有设备的综合保护单元和具有自动监控功能的专用装置采集或自诊断电气设备的故障或报警信息，利用现有(对于论证需纳入该系统管理而无采集、运算及传输等功能的电气设备可新增相关单元)变电站集控系统NSC200NT SCADA/EMS(必要时做相应的编程与组态)，经企业局域网和移动通信网络发送至运行维护人员的专用监控计算机或移动电话。

现阶段中国石油兰州石化公司纳入基于局域网实现故障诊断和报警的主要电气设备/系统如图2所示。综合保护单元的监测数据包括线路、变压器、电动机、发电机及电容器等电气设备/系统的模拟量(电流、电压及功率等)和开关量(综保单元故障、开关状态及保护动作等)；变频器硬件故障包括输出短路、直母线短路、整流逆变器故障及控制器故障等；直流屏硬件故障包括充电模块故障及电池故障等；6kV系统接地报警包括接地报警信息及选线信息等；UPS硬件故障包括控制器故障、电池故障、旁路故障及整流逆变单元故障等；GIS开关硬件报警包括高压部位、操作机构、辅助设备和接地点故障、触头检测温度及气室压力等；架空线杆塔倾斜即杆塔倾斜角度监测；金具和导线温度监测包括架空线路的连接金具、接续金具和导线的温度监测；架空线绝缘子监测包括表面泄漏电流、盐密及污秽等。

图2 电气设备故障诊断与报警项目汇总

3 仪表设备故障诊断与报警系统

仪表设备的故障诊断与报警主要依靠DCS系统采集或诊断设备的故障或报警信息、信号回路状态及各类控制系统DCS/ESD/ITCC/PLC等的运行状态、报警信息、仪表供电系统和附属的伴热系统异常状态报警，通过DCS OPC接口接入企业局域网和移动通信网发送至运行维护人员的专用监控计算机或移动电话。现阶段中国石油兰州石化公司纳入基于局域网实现故障诊断和报警的主要仪表设备/系统如图3所示，具体如下：

a. 变送器硬件故障。变送器厂家一般设定变送器硬件故障时，回路电流小于4mA或大于20mA。

b. 变送器测量信号波动。电阻体及液位计等仪表测量值一般变化缓慢，当出现大幅波动时，有可能是检测元件出现故障或接线松动。

c. 变送器引压管堵塞。变送器引压管堵塞，测量值不变，趋势为一条直线。

d. 引压管伴热异常。利用智能变送器HART信号中解析出的介质温度判断引压管伴热是否正常。

e. 回路开路/短路/接地。仪表信号回路(包括变送器本体、线路、安全栅和I/O卡件)任一元件故障都有可能造成回路的开路、短路和接地不良问题。

f. 控制器故障。控制系统(DCS/ESD/ITCC/PLC)一般为冗余控制器，且自身具备故障诊断功能，出现报警时，一般为设备硬件或软件故障。

g. I/O卡件故障。控制系统重要回路I/O卡件一般为冗余设计，且自身具备故障诊断功能，出现报警时，一般为设备硬件或软件故障。

h. 电源故障。仪表12V(DC)/24V为稳压源并联供电，稳压源有异常会有DI报警信号。

i. 冗余网络故障。控制器及操作站等节点主副网任一出现故障。

j. UPS/市电电源故障。装置仪表供电一般至少为两路(UPS/市电)，利用接触器辅助触点，实现其中一路失电时的及时报警。

k. 伴热总管温度和压力异常。冬季仪表伴热总管温度和压力低于报警设定值时，发出报警信号。

4 结束语

中国石油兰州石化公司利用电气和仪表控制系统将设备故障报警信息集中上传进行统一管理，有效避免了电气6kV系统接地引发供电系统波动，以及乙烯裂解炉稀释蒸汽流量变送器引压管带油及高压聚乙烯反应坝内温度检测元件振动大开路等制约装置长周期运行的设备故障。先后上百次避免了电气和仪表设备故障造成的装置波动或停车，效果明显、作用显著。

图3 仪表设备故障诊断与报警项目

利用控制系统诊断并收集设备故障报警和关键运行参数，把数据上传至网络，在网上或通过手机短信通知管理与维护技术人员，改变了炼化装置电气和仪表的维护方式，提高了维护效率，能够及时发现并维护系统故障，减少了装置波动，国内外没有先例，开创了利用控制系统进行仪表设备本身故障诊断的先河，在炼化企业电气和仪表维护中将有广泛的应用前景。

[1] 张锋,曾俊林,李凯亮.基于物联网技术的石化厂区环境在线监测系统[J].化工仪表自动化,2015,42(3):267～271,349.

[2] 范文进.联锁故障分析及排查方法和防范措施[J].石油化工自动化,2014,50(6):75～77.