化工仪表自控系统的故障诊断分析

引言

化工生产企业因生产原料和生产工艺方面的特殊原因,不可避免地存在诸多不安全因素以及高污染的可能性,为有效避免人为主观原因造成的突发安全事件和环保事件,通常应用仪表自控系统辅助人工完成相关工作,这也是化工生产企业的必然发展趋势。

精细化工作为化工领域的重要分支,它与基础化工的不同点在于:(1)因产量少、工艺反应时间长而多采用间歇式生产:(2)因产品需与下游市场需求情况相适应,所以产品更迭速度快。但自控系统设计先期投用成本一般较高,涉及多个专业领域,所以对专业技术人员的素质能力要求较高,这些都大大限制了自控系统的普及。自控系统运行的稳定性和可靠性除了与产品本身的软硬件质量息息相关以外,也与专业维护人员的技术水平有着密切联系。

1化工仪表自控系统的主要组成

化工仪表自控系统一般由检测单元、变送转换单元、控制单元和执行单元●大部分组成,它四之间主要是通过各种信号进行串联,以实现其功能。

在控制回路中,可以将电信号视为一个能流,根据它的流动方向和流动状态,查找故障发生的位置。在自控系统中,电信号主要分为模拟量信号和数字量信号,能流根据参照物不同分为输入和输出信号,因此有模拟量输入信号(A1)、模拟量输出信号(A0)、数字量输入信号(D1)、数字量输出信号(D0)4种。因脉冲量信号应用较少,本文暂不提及。值得注意的是,1/0信号是相对的,具体根据选取的参照物不同而不同。

检测、变送单元可以理解为采用传感器技术,通过各种物理或化学原理,使需要测量或控制的物理参数或状态被表征出来。其涉及的专业领域广泛,如发生故障,需根据具体工作原理判断维修的可行性。

控制单元即各种能够进行逻辑运算的控制器。在化工领域应用较多的有DCs系统和PLC系统,单个设备控制仍然存在基于单片机技术的控制器,这里不做介绍。DCs系统和PLC系统大体上都是由电源模块、CPU模块、1/0模块和连接器组成,也涉及通信模块及扩展模块等特殊用途的组件。配合上位机对程序进行编译阅读,是实际查找自控故障的最有效手段。因其制造集成化高、精密性强,如发生故障,一般采用直接更换的方式。

执行单元一般为执行器,常见的有调节阀、开关阀,与电气专业配合时,还包括热保护器等有辅助动作功能的电器元件。

2能流在故障诊断中的应用

2.1利用能流的流动方向进行故障诊断

在自控系统运行过程中,能流贯穿整个过程。因为控制单元是自控系统的核心,所以在查找故障时,要以控制单元作为主体,判断能流的流动方向,然后"顺藤摸瓜",就可以查找到故障的具体部位。化工装置运行中,常见的能流流动方向如表1所示。

根据上述能流方向进行宏观上的故障查找,能够达到快速锁定故障部位的目的。具体的硬件故障还需要根据硬件本身的结构和原理进行修复。

2.2利用能流的流动状态进行故障诊断

能流的流动方向给故障查找提供了宏观的方向性指引,在具体故障处理过程中,往往会忽视能流的流动状态。实际上,能流也有品质要求,当能流的流动状态不符合要求时,自控系统的运行会受到极大的影响。因为能流本身无法实现可视化,所以需要借助仪器进行分析。示波器是仪表自控专业故障判断的常用工具之一,通过示波器可以观察能流的流动状态,判断其是否受到外界信号干扰,或者高(低)电平持续时间是否满足控制器扫描周期需要等。当通过能流的流动方向查找故障部位受到阻碍时应当考虑上述内容,尤其是自控系统安装施工比较粗放时特别需要注意这个问题。

3故障处理实例

3.1某电动执行机构故障处理

某装置使用小型PLC控制系统进行简单的过程控制。PLC为ModiconM218可编程控制器,扩展两个模拟量模块和两个数字量模块。运行过程中,系统报警显示"电动阀开信号超时",装置联锁跳车。根据能流流动方向判断法,D1模块未能在设置时间内接收到相应的数字量输入信号时报警,使用万用表测量位置开关的常开点没有闭合信号,打开现场相应电动阀接线盒,检查位置开关凸轮的动作情况,发现其未到达极限位置,因此无法发出使D1导通的电压信号。调整凸轮机构,使其达到极限位置后,装置能够正常开车,且运行正常。

3.2脉冲量信号对模拟量信号的干扰作用

某化工装置风机转速使用脉冲量信号进入DCs控制系统,前期投用正常,但运行数年后发现其机械监视仪表(振动监视、位移监视)常出现误动作现象,考虑风机运行安全性,机械仪表使用二取二联锁保护,发生误动作停机事件的概率高。经系统专业技术人员与甲方技术人员共同查找故障,发现脉冲量信号的引入对机械仪表传送回的4~20mA标准电流信号有不规则干扰。加装信号隔离用安全栅后,此故障未再出现。由此可见,自控系统中高频信号的引入要特别注意,其干扰能力存在不确定性,为故障诊断增加了困难。

3.3标准电流信号传输故障

某装置标准电流信号的传输采集出现故障。现场变送器指示在量程的一半左右,但中控显示其值为满量程。依次测量变送器输出电流,AI卡件输入电流和现场变送器的输出电流分别为22mA和12mA,与各自显示一致,断开控制回路,单独测量AI通道电压,DC24V正常。然后使用标准信号发生器进行卡件通道的单独测试,未见异常。将电缆两头悬空,测量其绝缘情况,发现电缆有短接现象。检查电缆敷设情况,发现电缆在一转弯处有破损,重新进行绝缘处理后,中控显示值与变送器显示值相一致。

分析认为,电缆绝缘虽然被破坏,但未发生过大的短路电流,使得熔断器未发生动作。但绝缘破坏之后,回路中增加了并联支路,因此,输入卡件的电流应为变送器输出电流和绝缘破坏处短接电阻产生的电流之和,造成中控显示值大于现场变送器显示值的情况。

4结语

随着我国经济结构性改革,作坊式生产模式终将被淘汰,现代化的智能工厂建设势在必行,化工行业作为高风险、高污染行业,自控系统的大规模应用是必然选择。但自控系统集成度高,结构复杂,涉及专业领域多,对系统的设计与安装有着很高的要求。化工企业只有不断克服困难,应用新技术、新工艺,才能在竞争激烈的市场环境下长久发展。