化工厂DCS 常见故障及应对措施研究

邓利楠

（中核沽源铀业有限责任公司，河北张家口 076561）

0 引言

在经济发展与科技力量的推动下，社会生产的自动化程度日益提高，化工厂也不例外，通过引入DCS 强化了对工艺参数和加工流程的控制。但在实际运行过程中，DCS 可能会因各种各样的故障影响化工厂的正常运转，甚至引发重大事故，故掌握并有效解决化工厂DCS 常见故障意义重大。

1 化工厂DCS 概述

众所周知，化工生产过程不仅涉及大量的危险化学品，而且具有易燃易爆、高温高压、易中毒、腐蚀性等诸多特点，所以比起其他工业生产活动来说危险性更高。简单的说，化工厂原料种类繁杂，多为危险品，生产规模较大，工艺条件苛刻，生产方式高度连续化、自动化，其中任一环节出现问题都可能引发安全事故，因此需要借助技术手段保障化工厂安全、稳定、高效的生产。

而DCS 这一集散控制系统，依托分散控制操作和集中管理的设计理念和多层分级、合作自治的形式结构而形成的仪表控制系统，既组态灵活、性能稳定，而且控制功能强大、便于维护，因而在化工、电力、冶金等行业领域中应用广泛。其中化工厂DCS 通常包括I/O 板、控制器、操作站、通信系统以及图形与编辑软件几部分，在上述软硬件装置的共同作用下，使得数据查询、安全管理、控制、操作、分析等变得更为便捷、高效而可靠，如清楚了解关键的生产参数，及时根据数据信息加以调整保证安全生产，只需触动控制按钮即可控制目标发生动作实现自动化生产，还可以分析历史数据优化生产工艺及其参数等[1]。

2 化工厂DCS 常见故障分析

DCS 的应用有助于化工厂安全生产的保障、生产效率的提升和产品质量的改善，但这一切是以DCS 正常运行为重要前提的。不过在实际运行期间，DCS 可能会出现各种各样的故障。

2.1 硬件设施故障

化工厂DCS 硬件常见故障一般分为两种：一是电源故障，以电源模块故障的情况居多，可能是由虚接的电源线造成的，也可能与损坏的元器件、剧烈的电压波动等有关；二是I/O 卡故障，相对而言故障率较高的有AI、AO、DI、DO 卡件，此类故障影响的不只是一定范围的数据采集和现场监视，还可能导致联锁触发，甚至造成整个系统停运，这可能与电气元件老化、I/O 通道故障、端子连接有误或者卡件有强电串入等有关[2]。

2.2 软件系统故障

与硬件故障有所不同，化工厂DCS 软件系统故障在很大程度上与其自身特点有关，甚至多数隐患始于DCS 调试阶段，毕竟控制程序的设定工作量大、极为复杂，所以故障在所难免。如主/从CPU 组态信息不匹配，组态连接与数据库对应点信号不一致，致使CPU 无法初始化，驱动设备选择有误致使系统无法输出，以及繁忙的网络通信致使管理混乱，不规范的安装致使设备无法运行等，这些均易干扰DCS 的正常运行。

2.3 通信系统故障

化工厂DCS 的核心在于网络与信息技术，但比起软件系统通信系统更易发生故障，尤其是传输滞留问题。如果加以细致划分则包括网络通信和过程通道两大故障类型。网络通信故障常常表现为DCS 组态不规范和网络堵塞，这是因为投运后的DCS控制器组态发生变动而软件组态有增无减时往往使得一些组态不能真正连接I/O 点，但读取信息的DPU 系统却将其全部吸纳，致使无效数据增多、负荷率高，最终出现网络堵塞[3]。再者，DCS 的使用需要接入不同的网络接口，当某节点数据并不属于该网络时也易引发网络堵塞。而过程通道故障有：信号接线接口松动、连接错误或失败、线路老化、拨码开关异常、通信接线错误、硬件接线与信号要求不符等，像驱动程序和软件更新的不及时或者过高的控制器和存储器，运行温度也有降低数据传输速度进而弱化DCS 实际功能。

此外，人为操作错误或不当也可能引发DCS 故障。

3 化工厂DCS 常见故障的应对措施

化工厂DCS 故障形式多样化，影响范围充满了不确定性，这无疑对化工厂安全有序的生产构成了威胁，所以要想充分发挥DCS 强化的控制功能，营造稳定的运行环境，就必须采取措施加以有效防范，最大限度地降低DCS 故障风险，具体可从下述3 个方面入手。

3.1 重视日常维护，降低故障风险

尽管化工厂DCS 优势显著，但是一旦发生故障势必会对化工生产带来不良影响，特别是随着其自动化、智能化程度的提高，更容易牵一发而动全身，因此必须加强日常维护，做到防患于未然。

一方面，基于完善的维护管理制度，要求按时巡检与DCS系统工作状态，若发现故障提示，必须及时分析原因尽快消除故障，注意测试网络硬件、交换机、IP 设置、“ping”命令等的检查，若涉及通信部件或卡件应佩戴防静电手腕。同时使用专用的存储器备份驱动、DCS 组态软件、PID 参数等内容，当优化组态、增减测点或逻辑时还要详细记录。由于良好的机房环境对DCS 的长期稳定运行有着不容忽视的影响，所以必须重视室内温度的调节，一般夏季和冬季可分别控制温度在252 ℃和222 ℃，以免因温差过大导致机柜室内设备发生凝露而影响功能和性能，并采取有效的隔离措施控制粉尘、腐蚀性气体等的进入，以防损坏DCS 或引发异常停机[4]。当然在管理制度中还应明确禁止使用移动存储器、无关软件、非正规软件等，尽量不在DCS 机柜附近使用能够产生电磁波的装置和设备，以免将计算机病毒引入DCS 中，或者导致DCS 误动或拒动，这些都是我们在日常维护过程中值得注意的事项。

另一方面，在DCS 有计划的大修期间，通常要求停电后进行全面而彻底的维护，此时应在确认化工厂生产设备处于停运状态和组态信息保存结束的基础上按步骤规范停电，随后用干燥无油压缩空气以0.05MPa 的压力重点吹扫工控机内部以及电源箱、机笼等控制站部件，配以大吸力吸尘器清除灰尘。在佩戴防静电手环检修DCS 机柜时，尽量不要触碰电路卡件，并在完成清灰后按编号准确复位、连接和紧固，若发现卡件异常、老化，电源模块电压偏低或机柜风扇有问题可予以更换。对于线路可重点检查端子排、继电器、分电箱、安全栅等供电构件，并测量DCS 接地电阻是否低于2.5 Ω，以保证供电可靠，减少因供电异常引发的系统故障。待检查完毕重新上电后对主控卡、冗余卡片、数据转发、网络线路等的冗余情况进行测试，必要时可升级换代，以满足化工厂DCS 的工作要求。

3.2 有效处理故障，减少不良影响

（1）对于硬件类故障，首先需要考虑的便是硬件装置自身的质量问题，确认规格和性能匹配后方可投入使用，且在安装时结合对环境温度、湿度、灰尘颗粒等的实际要求进行严格安装。考虑到硬件故障轻则影响相关参数的正常监视，重则导致自动调节功能失灵，因此必须及早发现及时处理。当出现电源故障时，可经红外线测温仪对线路温度进行测量和记录，并及时更换UPS 电池及其破损、老化的线路和元件[5]；如果只是部分监控数据变为坏点但模件状态正常，可更换对应的端子板、模块或检查电缆绝缘、对地电压来消除故障；若控制站监控出现坏点且系统显示其为离线状态，可能为DPU 或主控机笼故障，此时可退出相应的保护、拔掉DO、AO 至端子板的预制电缆后更换DPU，根据数据是否异常判断是否为DO、AO 端子板问题，如果故障点为机笼则可进行更换。

（2）对于软件类故障，应重视调试运行环节，结合化工厂DCS 常见故障判断是否存在问题，以期扼杀隐患于早期，特别是对于因设计、编程、操作等引起的程序错误，如顺控软件、联锁软件多数与控制要求未满足工艺过程造成的；还有设计与输入数据引发的组态错误，需要基于对化工厂DCS 的深入了解和生产工艺的特点合理设置并优化运行条件和参数。如果为驱动程序选择错误所致，需要结合DCS 安装手册选择条件相符的程序软件，并根据设计要求规范完成网络配置、网卡驱动等的安装。当然，及时更新升级应用软件且做好病毒查杀工作也是非常必要的。

（3）对于通信类故障，需要定期检测通信端子、模件、线路接口等情况，及时解决接触不良、接口错误等问题，经常性的在线测试DCS 通信负荷率，这样的话，即使通信总线切换或工作异常时也能将其负荷率控制在允许范围内，以免造成通信滞留影响正常的生产活动。优化组态也是处理通信故障的有效途径，即在检修时对DCS 的操作站、数据站、DPU 等依次复位，随后将其中无效的I/O 点删除，并对柜机、模件、网络等进行必要的清扫，同时建议借助双层网结构分开管理网络和系统网络，以此实现组态的优化，提高DCS 通信的稳定可靠水平[6]。对于过程通道故障的处理和防范，不仅需要营造良好的运行环境，做好基本的日常维护，还要避免使用大功率无线通信工具，尽可能减少人为切换操作。

3.3 规范操作，保证安全生产

分析化工厂DCS 常见故障及其原因数据得知，人为操作的影响也是不容小觑的，这就需要在使用DCS 的整个过程中遵循相关指导和规定，切实做到规范操作，保证安全生产。因此对于操作人员而言，除了掌握基本的计算机操作技能外，更应加强实操练习，如计算机监控系统中的控制分组、调整画面、趋势图、流程图、报表、数据一览、报警一览、系统状态、查找I/O 位号等常用功能，以及仪表面板中的指针、状态改变、设定值、开关仪表等细节问题，必须熟练而准确的操作，禁止未经系统授权禁止随意修改运行参数，并具备一定的应急能力，如DCS 操作截面数据无法刷新或手自动切换不能操作时必须联系仪表维护并即刻到达现场操作，若出现变送器故障应立即转为手动，出现卡件故障时必须切回手动，待故障卡件被更换完毕且故障消除后方可再次投入自动等等。只有严格遵守管理制度，进行规范操作，化工厂DCS 运行质量才能得到进一步的保障。

4 结束语

化工厂生产连续而危险，应用DCS 是必然选择，关键在于最大限度地降低其故障风险。这就要求相关人员结合具体实践，了解DCS 的故障类型和原因，然后采取合理有效的预防和治理措施加以抑制，进而降低故障概率，促进DCS 更为安全、可靠地服务于化工厂生产。