DCS常见故障及对策

DCS系统常见故障分析及对策
袁利剑1，南英淑2，刘立岩2
（1.中国神华榆林化工分公司机动工程部，陕西榆林719302；2.大庆石化公司化工一厂，黑龙江大庆
163714）
摘要：文中分析了某装置的DCS系统的常见故障，针对DCS系统专业管理及各专业全
方位管理，介绍了通过科学的技术管理手段，可以最大限度的规避DCS故障的发生，确
保DCS系统长周期平稳运行。

关键词:DCS系统故障管理长周期
DCS（Distributed Control System）即分散控制系统，广泛应用在石油、化工、电力、冶金、轻工等生产领域。

目前国内石化行业应用的主流DCS进口品牌为Yokogawa、Honeywell等，国产品牌为浙大中控、和利时等[1]。

DCS系统作为工业生产的中枢神经部分，它的连续、平稳、可靠运行是实现装置长周期运行的必要条件。

因此需要分析影响DCS系统稳定性的各项因素，以采取相应的操作对策。

1 DCS系统故障的类型
DCS故障表象千差万别，但其成因归纳起来为5类。

（1）DCS先天不足，自身存在自身缺陷。

（2）DCS系统配置规划设计不当。

（3）维护人员维护操作不当。

（4）制度管理有缺陷或执行不当。

（5）仪表专业外部影响因素。

1.1 DCS系统缺陷
该类故障较为常见，主要表现为DCS功能不完善、运行不稳定等，了解了系统的秉性，则可以避其短、取其长。

（1）各家DCS系统的热偶输入卡，抗干扰能力比较弱,当卡件附近有对讲机使用的情况下，PV值的波动会很大。

（2）和利时HOLLiAS-MAC5，冗余功能不完全，在特定的情况下存在CPU不切换缺陷；报警提示功能不完善，如报警显示”R网故障”实际上是CPU故障；历史报警信息，无法在线显示。

（3）横河CS3000的在线拷贝功能块有时会无法激活，在不同的Control Drawing Builder 件进行Copy有时会造成控制器Shut Down。

（4）霍尼韦尔PKS系统删除点时有时会行成鬼点，删除点的名称无法再新建。

1.2 集成配置不当
（1）系统配置不合理。

如使用霍尼韦尔PKS-C300系统，未配置CONSON站，在服务器故障时，所有操作站都无法操作；
（2）机柜内排布过密，散热不好，柜内高温导致电子元件工作不稳定。

（3）未考虑软件冲突问题，如横河CS3000与360安全卫士之间有冲突。

（4）系统集成施工缺陷：各品牌DCS的网络线在施工时，一旦有交叉现象，会导致网络工作异常。

1.3 维护操作不当
操作、维护不当引发的DCS故障在各企业中比较常见。

（1）维护不到位，如：每个检修周期点检、清灰作业不规范、不彻底等。

（2）操作不当，如：组态下装错误；维护中未按程序规定进行带电作业等。

（3）接线问题：拆线后，端子未进行绝缘包裹，导致接地，会造成保险烧毁，如有强电串入，则会导致安全栅、卡件烧毁。

信号回路上（包括现场）存在线接反、松动、脱落的现象。

影响DCS指示、控制。

（4）信号线没有做好屏蔽，绞度不够,易受到干扰
（5）组态不当，如西门子S7-400冗余控制系统默认DB1和DB2是用于冗余CPU之间的数据交换的数据块,如果编写不慎进行赋值操作,有可能Shut Down
1.4 制度管理有缺陷或执行不当
（1）防病毒管理：未进行防病毒管理要求或执行不严，导致病毒侵入。

如U盘、外网接入等，最典型的是发生在伊朗的“震旦”病毒。

（2））备份管理：未完善制度或未按制度执行，导致异常时无法恢复。

（3）监测管理：未完善制度或未按制度执行，导致系统异常报警不能及时发现。

（4）端子检查和紧固管理：制度未建立或执行不到位，导致长时间运行后端子松动。

（5）环境管理：环境的温度、湿度、防尘、防鼠、防腐蚀不到位引起的硬件损伤。

（6）更换卡件，未按规定执佩戴接地腕带，或采取其他静电消除措施。

（7）流量累计管理：各品牌DCS的流量累积在投用初期精度能满足要求,但累积的时间越长，精度越低。

此为浮点数的运算特性造成的,累积的数值大到一定程度，瞬时流量的数值将会被忽略掉.不计入累计结果。

该问题需要修改累积功能块的程序来解决。

1.5仪表外部因素
（1）施工影响，如：现场焊接作业，焊把线违规连接到仪表接地系统，造成DCS系统波动。

（2）新增MES管理系统，未配备防火墙。

（3）UPS系统改造，接地方式发生改变。

2 DCS故障预防对策
掌握了DCS各种故障类型的形成原因，可以有针对性的采取预防措施。

2.1 前期方案策划
需要充分考虑可用性、可靠性、维修性、先进性、经济性、安全环保性。

（1）确定短名单的原则：行业内主流品牌，业绩优良、质量可靠、服务团队扎实的DCS品牌。

可规避低质量DCS入围。

（2）确定网络架构，优选PEER TO PEER 架构。

至少要保障实时数据交互是PEER TO PEER结构。

可规避服务器死机、不切换等故障。

（3）每套装置的DCS网络在1、2层网络完全独立，可有效规避网络风暴。

（4）3层网络不直接对外，通过OPC服务器+病毒服务器+硬件防火墙的模式接入外网，可规避外网病毒侵蚀控制网。

（5）DCS控制器负荷、通讯符合不得超过50%，各控制站在线I/O卡件点数需预留15%的余量，使用量不得超过最大物理数量的70%。

控制站按照工艺流程分为若干个工段控制组，每个工段控制组内至少包括1对控制器。

（6）冗余原则（提高可靠性）：各级网络通讯设备和部件、控制站的处理器等功能卡、电源设备和部件、多通道控制回路的I/O卡、服务器（如果有）按1:1冗余；每个操作站都应有独立的计算机主机，各操作站之间应具备冗余的功能；冗余的设备，具备在线故障诊断、报警、自动切换及维修提示功能。

（7）可用性原则：插卡必须具备在线插拔、更换功能；冗余设备具备无差错切换功能、故障自诊断功能。

冗余服务器按照现场单元装置成对配置，各单元之间不得公用服务器。

（8）卡件性能的要求：AI及AO卡必须采用通道隔离式，尽量选择小卡类型，如有8通道的卡，就不选择16通道的卡。

数字量的卡件，输入、输出配置继电器隔离。

信号端子正端，一律配置带指示灯保险，可以清晰的判断是否回路断线。

（9）各端子板的电源模块配置带LED指示灯的保险，可清晰掌握板卡供电情况。

（10）所有控制信息，必须直接进入1层网络，不得通过2层网络引用1层网络。

2.2 集成、组态、验收安装、调试
DCS厂家进行系统集成、组态之前，硬件锁定，同时FDS（功能设计规格书）需要完成并锁定，全面的规定硬件集成原则、软件编程原则及流程图绘制约定。

内容要细致
2.2.1 集成、组态
（1）网络层级定义要清晰。

（2）IP地址的统一规划，保障无重复。

（3）电缆排布及配线的约定：例如底部进线、电源线与信号线分布走独立的汇线槽、绝缘护套完好、柜内及柜间配线两端均按设计图纸进行标号，且挂电缆标牌，材料选用普通PVC，标牌内容至少包含3部分内容：编号、来源、去向。

保护接地线采用绿色电线；信号接地线采用黄绿双色电线等。

电源电缆规定L、N颜色，有利施工、维护。

（4）供电的要求：需电气专业提供2路独立220V输出的UPS电源，接地方式采用TN-S。

冗余设备分别接入2路独立电源；相邻的2个非冗余电源设备供电取自不同的UPS电源，如操作站、工程师站、服务器、OPC、AMS等。

（5）接地要求，明确接地线径、规格等。

（6）操作台、辅助操作台的要求：如规格、型号、尺寸、颜色，按钮及报警灯的颜色、测试、护罩等。

（7）柜内配置要求，配置温控风扇、温度报警开关。

机柜的色标、规格、柜内空间裕度的要求、铭牌尺寸、字体、字色、字号及材质、粘贴位置等。

2.2.2 FAT验收要按照测试大纲进行，确保全面性
（1）外观检查:标准：标识清晰，机柜、端子柜及安全栅柜外观无破损，门锁正常，过滤网齐全，柜内空间布置合格，尺寸符合协议要求，柜内接线便于日后仪表维护，柜内端子、空开、继电器、风扇、日光灯的型号，数量，配置，容量符合要求。

操作台规格、布置、外观符合要求。

（2）系统硬件配置检查，要求表面无划伤痕迹，硬件配置及数量符合协议要求。

I/O余量不得低于总输出点数的15％。

（3）接地检查，按照DCS手册上的指标检查，如霍尼韦尔PKS系统，要求工作地（模拟地、逻辑地、屏蔽地）与安全地分开，相互之间要检查测试绝缘情况。

（4）各卡件输入输出通道测试：进行100%打点测试，数字量时行通断测试，模拟量以零点、量程及中间点进行3点测试，要求误差在精度允许内，对于模拟输出点要求下限输出在4 MA以下，上限输出在20 MA以上。

（5）冗余功能测试：要求电源冗余，控制器冗余、卡件冗余（协议要求）、通讯冗余。

电源冗余测试正常，控制器及卡件带电热插拔切换时硬件灯指示正常，数据不能有较大波动；通讯A网与B网之间的切换不影响数据传输。

各项冗余切换进行测试次数不低于10次。

（6）网络功能测试：系统的通讯协议已经完成，网络构架符合协议网络拓扑图。

验收项目与公司其它项目之间的通讯方式清晰明确。

（7）系统响应时间测试：检查响应时间是否符合协议要求。

2.2.3 系统的安装、调试DCS设备安装前，对环境的要求必须保障，此项是调试的前提和长周期运行的关键。

（1）机柜间土建施工完毕、天棚、吊顶、墙壁粉刷、照明等装修施工完成，室内除灰工作完成；空调、消防系统施工、调试完成，具备投用条件。

尤其是控制机柜进入后严格控制电焊、动火等作业，防止对电气仪表元件造成损害。

（2）上电前需检查电源系统：UPS电源需检查、检测满足设备供电要求后再进行送电，同时应有厂家人员在现场指导。

（3）检测仪表控制系统的接地线径是否符合DCS系统技术指标要求。

（4）检查DCS系统的接地电阻值。

（5）查看信号电缆对地绝缘测试记录>500 M欧为合格，随机抽查实测几组电缆绝缘情况。

（6）单调、联调，按照调试方案进行。

在开工之前，对DCS回路端子进行紧固工作，确保消灭接触不良的情况。

3 结束语
防止人的不安全行为，消除物的不安全状态，所有的风险都是可控的。

DCS管理也是如此。

实践证明，纵向实现DCS设备的选型、采购、集成、组态、安装、调试、投运、更新的全过程管理，横向实现“机、电、仪、管、操五位一体”的全方位管理，横纵结合，是实现DCS长周期运行的有效手段。

参考文献：
[1] 程永红.DCS系统故障分析处理及维护防范措施[J].中国仪器仪表，2011（2）：58-60.
作者简介：袁利剑，男，工程师，1998年毕业于大庆石油学院机械制造及自动化专业，现从事煤化工装置仪表自动化管理工作。