计算机控制系统的常见故障

计算机控制系统的常见故障

一、计算机控制系统简介

1、DCS 控制系统（集散控制系统，Distributed Control System ）

DCS 系统基于“4C”技术（通讯、控制、计算机、CRT ）发展起来，具有集中管理，分散控制的特点，特别适用于流程工业的过程控制和参数监视。

常见的DCS 系统为：1）Honeywell TDC-3000； 2）YAKOGAWA CENTUM-CS ； 3）Rosemount Delta V 。

DCS 控制系统的一般结构如下图所示：

各组成部分的功能如下：

1）人机接口：包括操作员所用的操作站、工程师组态用的工程师站等。

操作站用于监控过程工艺参数，提供实时报警、历史趋势显示，对过程进行干预。工程师站用于改变、组态控制策略，组态各种报警、历史趋势、操作组等。

2）控制站：在DCS 系统中直接与现场仪表信号打交道，处理输入/输出信号，执行各种具体的控制算法。

其主要部件包括：控制器（CPU ）、输入/输出（I/O ）模块、通讯卡 。I/O 模块包括模拟量输入AI 、模拟量输出AO 、开关量输入DI 、开关量输出DO 等。

3）通讯网络：实现控制站与人机接口间各种数据的实时双向传输，便于操作人员了解现场实时情况，并及时对现场做出干预，以及实现历史趋势数据的记录。

为提高系统的可靠性，一般控制站的主要部件（CPU 卡，与控制回路有关的I/O 模件）、通信电缆均采用冗余配置（一主一备，以便出现故障时能及时在线切换）。

下面以一个塔釜液位的控制为例，简要介绍一下控制回路在DCS 中的实现方式。

上图左所示的是一个塔釜液位控制的流程图，图右为该控制回路在DCS 中实现的具体过程。由此可得出：1）信号处理、控制运算均在控制站中完成；2） 各种控制功能模块（PID 、分程、前馈、选择等）均为系统中的软模块。

2、ESD 及PLC

系统

ESD ：Emergency Shutdown System 紧急停车系统

人机接口 （操作站等） 控制站 通讯网络（冗余） 控制站

PLC：Programmable Logic Controller 可编程序逻辑控制器

在石化系统中，ESD、PLC系统主要用于装置的联锁停车、顺序控制等，它与DCS的区别主要在于这些系统以处理数字量信号为主，系统的扫描周期为ms数量级，动作响应速度快（DCS主要用于处理模拟量，一般的扫描周期均为１s），完全能满足装置联锁控制的要求，如发生喘振时的动作速度要求为200ms。一些典型的产品型号为：TRICON、FSC、HIMA、西门子S7系列、三菱FX系列等。

PLC系统一般由电源模块、通讯模块、CPU模块、I/O模块以及辅助的继电器、保险丝等外部设备共同构成。ESD是在PLC的基础上发展起来的，其特点在于采取冗余或容错的工作方式，如“三取二”表决，系统的安全认证等级很高，有一个部件出现故障，不影响系统的表决。

以目前在扬子应用最多的TRICON ESD系统来说，其原理如下：

它将三路隔离、并行的控制系统（每路称为一个分电路）和广泛的诊断集成在一个系统中，用三取二表决提供高度完善、无差错、不间断的过程操作，不会因为单点的故障而导致系统失效。传感器信号在输入模件中被分成隔离的三路，通过三个独立的通道，分别被送到三个处理器中，处理器间的TRIBUS总线按多数原则对数据进行表决，并纠正任何输入数据的偏差。此过程保证每个主处理器使用相同的表决后的数据完成应用程序。主处理器的输出沿着三个通道，被送到输出模件，并在输出模件中再次进行表决/选择。

ESD系统一般由机架、电源模块、CPU模块、通讯模块、I/O模块、内部数据总线等构成，下图为一个TRICON系统的主机架及部分模块。

二、DCS系统的常见故障及影响

1、电源故障

1）电源故障对操作站的影响

ａ.操作站是单路供电设备，要求电源稳定可靠。

ｂ.一旦电源中断，将造成操作站黑屏，无显示，系统处于盲操状态。

由于控制站一般采用双路冗余供电，且TDC-3000系统还带有蓄电池，不会因为单路电源的中断而影响其工作。操作站黑屏后，所有控制回路的工作状态仍保留在停电前的状态，对系统的输出无影响。

故障发生后，可采取的紧急措施为：①利用未停电的操作站进行区域转换，切换到停电操作站所在的区域，以便对生产过程进行实时监控（前提是各操作站未用一路电源）；②将操作站的供电电源分开，不要采用一路电供所有操作站的形式；③一般供电设备均为UPS，其故障产生的时间很短，电源恢复后，需立即启动操作站，加载程序。

同样的情况也可能是显示器出现故障，更换新的显示器即可恢复正常。

例：2003年4月27日扬子乙烯装置TDC-3000控制系统因电气UPS切换故障，造成系统瞬间失电，操作站全部黑屏，给工艺操作带来极大的影响，后来经改造，将各区域所包含的操作站（至少2台，如裂解区5台）平均分为2路不同来源的UPS供电，这样即便某路电源故障，仍能保证区域内有部分操作站正常工作。

2）电源故障对控制站的影响

如前所述，一般控制站由双路供电且带有蓄电池，故单路供电故障对系统影响不大。但故障发生后，需联系仪表专业人员将用此路中的设备重启。

双路同时发生故障且无蓄电池的场合，所有指示全部消失，控制回路回到初始状态，气开阀全关，气关阀全开。

3）电源故障对历史记录的影响

电源故障会造成历史模件（TDC3000中称为硬盘HM）的失电，停电这段期间的历史记录无。电力恢复后，历史模件具有自启动功能，无需人工干预。

2、通信故障

1）人机接口与控制站之间的通信故障

人机接口与控制站之间的通讯网络在TDC3000系统中称为LCN（局域控制网）。由于通讯网络一般采用冗余配置，两条网络周期性进行切换。当一条出现故障时，系统切到另一条网络，同时进行报警，此时对操作无影响，但仪表人员应立即检查排除故障。

当两条网络同时发生故障后，过程信息的显示及操作指令的下传均会出现问题，但控制器的工作状态仍保持在故障前的状态，自动控制回路仍保持自动操作，只是因网络出现问题，信息值已无法修改，且过程数据无法正常显示。如故障短期不能消除情况下，需作紧急停车处理。

2）控制站内部的通信故障

控制站内部的通讯网络在TDC3000系统中称为UCN（万能控制网）。由于是冗余配置，一条出现故障对工艺无影响；当控制器内部的冗余网络同时出现故障时，由于控制信息在机柜内部无法正常传输，会影响到控制回路的正常输出，一旦出现双网同时故障的情况（此时操作站上仍能显示），需将故障段控制器所带的重要回路全部改手操方式甚至是走工艺旁路。一般造成网络出现故障的原因包括：同轴电缆破损、接头松动、接地效果不好、电磁干扰大等等。此外，当UCN网的噪音积累到一定程度后，也会造成网络瘫痪。

3）控制器过载故障

一般情况下，正常投用的控制器，其负荷（控制回路数、处理量）不能超过其负荷能力的2/3，一旦控制器所带回路过多，处理量过大，就会造成系统处理时间变慢，进而导致数据的传输刷新速度变慢，严重地会导致操作站上的实时数据画面时有时无，类似黑屏一样，此时控制回路的工作状态并无改变，但对操作会造成影响。此种故障状态下，应通知仪表人员进行升级，平时应注意观察各个控制器的负荷，对于新增回路、技改项目在控制器中做到合理分配空间。