石油化工自动化仪表的常见故障及维护技术

崔杏杏

（中国石油工程建设有限公司华北分公司，任丘 062550）

自动化仪表是石油化工生产过程中的核心组件。由于工艺流程的复杂性和生产过程的自动化需求，这些仪表在精确控制生产参数方面发挥着至关重要的作用。因此，石油化工生产对仪表设备的稳定性和可靠性有着极高的要求。相较于普通仪表，自动化仪表的故障成因更为复杂，故障种类也更多，从而增加了维护难度。文章深入剖析故障成因，采用科学的维护手段，确保自动化仪表的稳定运行。

1 自动化仪表的特点

在石油化工生产领域，自动化仪表具有重要的作用，为石油化工生产提供了全面的技术支持。石油化工自动化仪表具有以下特点。第一，高精度测量。自动化仪表可以实现高精度的测量，误差不超过±0.01%，可满足石油化工过程中对测量精度的要求。第二，高稳定性。石油化工过程中，自动化仪表能够保持长时间的稳定运行，减少故障和停机时间，提高生产效率。第三，多种通信协议支持。自动化仪表支持多种通信协议，如Modbus、Profibus 等，可以与其他设备进行通信和数据交换。第四，开放性。自动化仪表采用以Windows/CE、Linux、VxWorks 等嵌入式操作系统为系统软件核心和高性能微处理器为硬件系统核心的嵌入式系统技术。第五，适应性强。自动化仪表可根据石油化工工艺的不同需求进行定制和配置，满足不同生产流程的要求。

2 自动化仪表的常见故障及其成因

2.1 传感器故障

传感器故障主要有3 种类型。一是传感器输出信号波动较大、不稳定、无法提供准确的测量数值，一般是因为传感器受到外部电磁干扰、电源电压不稳定、传感器内部元件老化等。二是传感器完全失去功能、无法产生任何输出信号，一般是因为传感器元件损坏，电源供应出现问题，或者恶劣工作环境导致传感器内部损坏。三是传感器输出的测量值与实际值之间存在较大的偏差、误差值超出可接受范围，一般是因为传感器长时间使用、未进行定期校准，或环境因素引起的传感器漂移等。

2.2 信号传输故障

信号传输故障主要有3 种类型。一是控制系统无法接收传感器的信号，导致无法进行相应的控制，主要是电缆连接松动或断裂、电缆被外部物体剪断，或电缆线路故障等原因导致信号无法正常传输。二是控制系统接收到的信号出现波动或噪声，使得测量值不稳定，主要是电磁干扰、设备互相干扰、外部电源波动等引起的信号干扰。三是控制系统在一定范围内无法接收传感器信号，导致控制失效，主要是信号传输线路出现短路或断路、设备响应延迟等原因导致信号出现死区。

2.3 执行机构故障

执行机构故障主要有2 种类型。一是阀门无法正常打开或关闭，导致流体控制不准确，主要是因为阀门长时间未使用造成零部件卡阻，或介质沉积在阀门内部，阻碍阀门运动。二是控制系统输出的电机驱动信号正常，但执行机构无法响应，电机无法正常工作，主要是电机老化、电源问题，或控制电路故障等原因导致电机失灵。

2.4 电源故障

电源故障主要有2 种类型。一是控制系统供电电压波动大、影响仪表和执行机构的正常工作，一般是因为电源质量不稳定、电源线路老化，或其他设备对电源的影响等。二是控制系统供电线路出现短路或断路，导致电源无法正常供应，一般是因为电缆连接不良、电缆老化以及电线短路或断路等。

2.5 环境因素引起的故障

环境因素引起的故障主要有2 种类型。一是仪表外壳、连接线等部件出现腐蚀，降低仪表的整体性能，主要是因为化学介质对仪表材料的腐蚀，或气候条件对设备表面的侵蚀等。二是仪表工作在高温环境下，内部元件老化，密封材料硬，主要是因为长时间高温工作、环境温度过高等。

3 自动化仪表常见故障的维护技术

3.1 传感器故障维护技术

3.1.1 故障诊断

使用Tableau、Power BI 等数据记录和分析工具，监测传感器输出信号的波动情况，通过与设定的波动阈值进行对比，判断是否存在异常波动。在实时监测的基础上，可以采用数据存储与回放的方式，进一步分析波动的时间段，有助于确定故障发生的具体条件。利用先进的故障诊断工具和仪表上的故障代码或报警信息，快速定位传感器故障的类型和位置，从而大幅缩短故障定位的时间，提高维护效率[1]。针对偏差较大和误差故障，需要校准仪表，以确保传感器输出值与实际值相符。校准可以有效减小测量误差，并检查仪表的运行状态，确保没有物理损坏或连接问题。此外，可以使用独立的测量手段验证仪表输出，并将测量值与其他设备的读数进行对比，以排除单一仪表的偏差。

3.1.2 传感器元件更换

当传感器内部元件损坏时，采用精密的仪器和工具拆解传感器，更换损坏的元件，更换过程中需要确保操作环境清洁，避免灰尘和杂质进入传感器内部。针对不同类型的传感器，选择合适的替代元件进行更换，在更换元件时需要确保新元件的性能参数与原有元件相匹配，以保证传感器的正常工作[2]。

3.1.3 预防性维护

定期清洁维护传感器，保持其外部表面干净，防止灰尘、油污等杂质影响传感器的正常工作。清洁过程中要使用合适的清洁剂，避免对传感器材料产生腐蚀。在传感器工作环境中安装环境监测设备，实时监测温度、湿度等因素，当环境条件发生变化时，通过自动化系统进行相应的调整，以减少对传感器的影响。

3.2 信号传输故障维护技术

3.2.1 故障诊断

采用示波器、信号分析仪等实时监测和分析信号，通过观察波形、频谱等参数，快速定位信号传输路径中的异常，为后续的故障排查提供准确的依据。建立故障模式识别系统，通过分析历史数据，识别出不同类型的信号传输故障模式，采用机器学习等技术，使系统能够在出现相似故障时迅速做出准确判断，提高故障诊断的效率。

在故障定位时，可以采用时域分析法，观察信号在时间轴上的波动情况，通过分析波形的振幅、周期等信息，定位信号传输路径中的异常点，该方法对于一些瞬时干扰或短时故障的定位具有较好的效果。采用频域分析法，将信号转化到频域进行分析，观察频谱的变化，通过识别频谱中的异常频率成分，可以准确定位信号传输中的故障源，可以快速定位问题[3]。

3.2.2 信号增强与保护

在信号传输路径中设置信号放大器，增强信号的强度，在长距离传输或受到外界干扰较强的情况下，能够提升信号的稳定性，减小信号失真的可能性。采用电磁屏蔽技术屏蔽信号传输线路，通过使用屏蔽罩、屏蔽层等材料，减少外界电磁干扰对信号传输的影响，增强信号的抗干扰能力。

3.2.3 在线监测与维护

建立远程监测系统，通过网络远程监控仪表设备的运行状态。实时获取信号传输的相关数据，发现异常及时报警，降低因故障而导致的生产风险。制订定期维护计划，定期巡检信号传输线路。检查连接器、绝缘层、接地等关键部位，及时发现并处理故障隐患。

3.3 执行机构故障维护技术

3.3.1 故障诊断

利用振动传感器监测执行机构的振动情况，通过分析振动频谱判断机械磨损程度。使用电流和电压传感器监测执行机构的电气参数，识别电气故障。对控制信号进行波形分析，检测是否存在异常信号，判断控制系统是否正常。

3.3.2 机械磨损故障的维护

定期检查执行机构的润滑系统，确保润滑油的质量和充油量符合要求，使用先进的润滑油和自动润滑系统，减少机械磨损。定期检查执行机构的关键部件，如轴承、齿轮等，一旦发现磨损，及时更换，避免故障进一步扩大。

3.3.3 电气故障的维护

定期巡检执行机构的电气连接，确保电缆连接牢固，绝缘性良好，防止因电气连接松动引发故障。建立电气参数监测系统，实时监测执行机构的电流、电压等参数，记录历史数据，利用数据分析工具预警和诊断异常情况。采用现场绝缘测试仪定期测试执行机构的电气绝缘，确保电气系统的安全性和稳定性[4]。

3.4 电源故障维护技术

3.4.1 供电不足的维护

在使用自动化仪表时，需要确保电源容量满足仪表的需求，通过评估系统的负载可以确定电源容量是否满足要求。如果电源容量不足，应及时进行升级，以防止供电不足导致仪表工作不稳定。为了应对电源供应中断的情况，可以设置备用电源，备用电源可以是不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）或发电机组，能够在主电源故障时立即接管供电，确保仪表系统的持续稳定运行。

3.4.2 电源波动的维护

电源波动可能会对自动化仪表的正常运行造成影响，可以通过安装电源稳压器来维持电源的稳定性。电源稳压器能够自动调整输出电压，抵消电源波动，保持在仪表允许的工作电压范围内。为了抑制电源中的高频噪声，可以在仪表的电源线路上安装滤波器，有效过滤电源中的杂波。

3.4.3 电源干扰的维护良好的地线连接对于减小电源干扰具有重要作用，因此应定期检查地线连接是否牢固，避免接地不良引起的电源干扰，可以采用导电性较好的连接材料，如铜排来提升地线连接的可靠性。在仪表的电源线路上加装屏蔽罩或屏蔽导线，可以有效减小外部电磁干扰对电源的影响，屏蔽措施能够保持电源信号的纯净性，增强仪表的抗干扰能力。

3.5 环境因素引起故障维护技术

3.5.1 温度变化引起的故障及维护技术

在高温或低温环境中，自动化仪表会受到材料性能的影响而出现故障，因此在仪表设计和选择材料时，应优先考虑使用耐高温或耐低温的材料，以确保仪表在极端温度条件下能够正常工作。同时，可以采用温度补偿技术，在仪表中嵌入温度传感器，实时监测环境温度，并根据温度变化调整仪表的工作参数，以保持仪表的稳定性和准确性。

3.5.2 湿度变化引起的故障及维护技术

湿度对仪表的影响主要体现在电路板和电子元件上，在潮湿环境中应采取防潮措施，如在仪表内部加装湿度吸收剂或采用防潮密封技术，以防止湿气侵入导致电路短路或元器件损坏。对于需要在潮湿环境中使用的仪表，可以采用密封防护技术，包括使用密封圈、防水胶等材料，确保仪表的外壳和连接部分具有良好的密封性，防止湿气渗入。

3.5.3 化学物质腐蚀引起的故障及维护技术

在腐蚀性化学物质的工作环境中，应选择耐腐蚀的材料。以自动化仪表的外壳为例，为了防止外壳受到腐蚀，可以选择如表1 所示的防腐材料。在仪表表面涂覆防腐蚀涂层，可以有效隔离化学物质对仪表的腐蚀，增强仪表的抗腐蚀能力[5]。

表1 自动化仪表外壳可选择防腐材料

4 结语

研究石油化工自动化仪表的常见故障及维护技术对于提高生产效率、保障生产安全、提升设备可靠性、降低维护成本以及推动技术创新都具有重要的理论意义，在明确故障种类及成因的情况下，采用科学的维护技术能够确保仪表高效稳定运行。