化学工業用計装自動制御システムの故障とメンテナンス技術

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この投稿は、2020年6月3日16時58分にsanchangybによって最終的に編集されました。著者：管孝永、韋本成、孟宪霞。所属機関：徳州実華化工有限公司。［要約］化学工業における温度、圧力、液面、流量を制御する計測器の一般的な故障やその診断方法についてまとめています。また、コンピュータによる診断技術や冗長化技術が化学工業用自動計測器のメンテナンスに果たす役割についても解説しています。 近年、制御技術の急速な発展に伴い、化学工業は絶えず高度化・改革が進み、自動化の度合いがますます高まっています。企業の生産発展のニーズを満たすため、化学工業用計装制御システムも絶えずアップグレードされている。完全な化学工業用計装自動制御システムには、温度制御計、圧力制御計、液面制御計、流量制御計、オンライン分析計、有毒有害かつ可燃性物質の警報計、調節弁など、多くの制御計器や装置が含まれる。 1 化学工業用計装自動制御システムのよくある故障 1．1 温度制御計器の故障 化学工業において、温度は重要な指標の一つであるため、温度の測定は特に重要です。化学工業の生産においてよく使われる温度計には、サンチャン熱電対、熱抵抗、温度変換器などがあります。温度制御計器では、以下の2種類の故障がよく発生します：①システム故障。システム内の部品には動作時の消費電力があり、温度制御計器に不具合が生じると誤った表示が出ます。②測定故障。測定素子上または測定回路上で発生する誤差のことです。化学工業の生産において、温度測定計器の表示誤差によって生産が不安定になり、急激に変化する物質の流量がもたらす衝撃で測定素子が損傷し、システムは切断またはエラーを示します。 上記のエラーメッセージが表示された場合、以下の方法で原因を判断することができます。①制御システムに表示される位置情報に基づき、制御キャビネット内の温度制御計器の接続端子を探し出し、その計器の配線を外します。その後、マルチメーターを使って初期測定を行い、得られた数値をシステムからの表示情報と比較します。もし測定値に大きなばらつきがあり、実際の値と一致しない場合、故障の原因は温度測定素子または測定回路にあると初歩的に判断できます。②温度制御計器に振動が生じ、周期的に変化する場合は、温度制御計器の伝送回路周辺に動力ケーブルやインバーターの干渉がある可能性を考慮する必要があります。③温度制御計器で現場測定値が実際の値よりも大きくなる場合は、温度制御計器の伝送線が適切か、または表示計器と測定計器が適切に連携しているかを検討する必要があります。 1．2 圧力制御計器の故障 化学製品の生産において、特に危険化学物質の製造過程では、高温・高圧・有毒・有害といった状況が伴うことが多く、圧力はシステムの運転監視における重要なパラメータである。スマート圧力変換器を代表とする圧力制御システムは化学工業分野で広く利用されており、サンチャンのスマート圧力変換器の使用により、作業員が生産プロセスを管理することが大幅に容易になっています。圧力制御システムの一般的な故障には、現場の圧力に関する故障とシステム自体の故障があります。故障が発生した際には、それが現場の故障なのかシステムの故障なのかを判断し、また現場での圧力表示とシステム上の表示が一致しているかを確認する必要があります。システムがエラーを表示するのに、現場の計器は正常に動作している場合はシステムの故障を疑い、システムの再起動を試みるべきです。現場のスマートトランスミッターでよく発生する故障は、出力表示がゼロになることです。この場合、電源ケーブルが逆に接続されていないか、または電源電圧が24V DCを満たしているかを確認する必要があります。また、電子回路基板が損傷している可能性もあります。 1．3 液位制御計器の故障 液位制御計器は化学工業の自動制御システムにおいて重要な構成要素であり、一般的な液位制御計器にはダブルフランジ式液位計、レーダー式液位計、超音波式液位計がある。 (1) 液面制御計器の表示値が最大または最小になった場合、現場で確認を行い、現場の液面計と遠隔伝送データが正常な変動範囲内にあるかを比較する必要があります。現場で手動で液面を調整し、液面が手動操作に応じて変化しない場合、液面制御システムに故障があることを意味する。データは変化するものの線形な関係が見られない、または何らかの規則性に従わない場合は、現場の液面制御計器に故障があると考えられ、具体的には現場に設置されている計器の測定方法や計器の種類に応じて対処する。 (2)液面制御計器の表示値が変わらず、また断線も表示されない場合は、計器が故障している可能性を考慮しなければならない。一般的なダブルフランジ式液面計の場合、液面計の上下のフランジ部分のバルブを閉じ、固定用のボルトやダイアフラムを取り外して、全体を大気中に露出させても液面の値が変わらない場合は、以下の2つの可能性を考える必要があります。①液面計の送信部の回路基板が損傷している可能性があり、その場合は回路基板を交換してみることができます。②回路基板を交換しても問題が解決しない場合は、高圧側および低圧側のダイアフラムまたはキャピラリーが同時に損傷している可能性があります。この場合は計器を交換し、計器のパラメータを再設定する必要があります。 (3)レーダー式液面計を用いて物位を測定する際、現場の物位が一定であるにもかかわらず、測定対象となる物質の表面に乱れが生じると、測定値が不規則に振動する。この場合、信号伝送が妨害されていないかを確認する必要がある。もし物質の表面によって信号の強度が弱まっているのであれば、保守作業員は近距離抑止機能を起動し、出力ダンピングを適切に上げることで妨害を抑制すべきである。 1．4 流量制御計器の故障 一般的に、システムの流量パラメータが突然変化して引き起こされる故障は、流量制御システムの故障に分類されます。流量制御計器の表示値が最小値のままであるか、表示されない場合は、現場で計器を点検する必要があります。現場のプロセス機器に異常がなければ、制御計器の故障と判断できます。差圧式流量計を例にとると、指示値がゼロの場合やわずかに動くだけの場合は、以下の3つの状況を考慮する必要がある：①バランスバルブが完全に閉じていないか漏れている場合は、バランスバルブを閉じて修理または交換すればよい；②制御装置の根元にある高圧・低圧バルブが開いていない場合は、そのバルブを開ければよい；③制御装置から差圧計までの配管やバルブが詰まっている場合は、配管を洗浄し、修理またはバルブを交換する；④蒸気用の圧力導管が完全に凝縮されておらず、凝縮水が圧力測定用の管内に十分に満たされていない場合は、完全に凝縮されるまで待ってから計器を起動する；⑤サンチャン制御装置とプロセス配管との間のシール部が緩んでいる場合は、ボルトを締め直すかシール部を交換する必要がある。流量の変動が大きく、表示値の安定性が悪い場合は、現場管理を強化し、流量制御計器の前後にあるバルブを適切に絞って、流量パラメータ自体の大きな変動による測定誤差を減らす必要がある。バルブを絞っても効果がない場合は、圧力検出素子がパラメータの変動に過度に敏感であるかどうかを検討し、その際はダンピング作用を適切に調整することで流量の正確な制御を実現できる。 2 制御システムの故障を防ぐ技術 2．1 コンピュータ診断技術 CENTUM CS 3000（略称：CS 3000）は、大規模・中規模な石油化学プロセス制御に適用されるDCS製品です。HISはCS 3000システムのオペレーションステーションで、Windows NT/2000/XP/Vistaオペレーティングシステムを使用し、システムのリアルタイム監視やプロセス操作を行うために利用されます。CS 3000システムでは、制御システムに障害が発生すると、すぐに警報を発し、障害記録を残します。これにより、障害箇所の特定や問題解決のための技術的なデータサポートが可能になります。CS 3000システムにおいて、アラームはプロセスアラーム、システムアラーム、操作ガイダンスの3種類に分けられます。各種のアラームにはそれぞれ専用の表示ウィンドウがあり、計装制御システムに障害が発生した際、計装メンテナンス担当者はHISが提供するアラーム情報に基づいて障害を診断し、適切な対策を講じて障害を解消し、できるだけ早くシステムの正常な運転を回復させます。これにより、計装のメンテナンス作業の効率が向上し、生産が安全かつ安定して順調に行われることが保証されます。 2．2 冗長技術 化学工業用計装自動制御システムの運用において、冗長技術の適用はシステムの安全性と操作性を大幅に向上させる。冗長技術には以下のものが含まれる。 2．2．1 ハードウェア冗長性 複数の同一のモジュールまたは部品を並列に接続し、ホットスタンバイ動作モードにおいて、そのうちの1つが動作状態（動作カード）となってシステムのデータ収集、演算、制御出力、ネットワーク通信などの機能を実現する。一方、もう1つはスタンバイ状態（スタンバイカード）となり、動作カードの内部制御状態をリアルタイムで追跡する（すなわち状態同期）。動作カード/予備カード間のプラス/マイナス論理は排他的であり、つまり一方が動作カードであれば、もう一方は必ず予備カードとなる。また、2つのカードが同時かつ順序良く動作し、入出力特性の一致性を保証するために、冗長な制御回路（動作/予備制御回路とも呼ばれる）および情報通信回路が存在する。現代の通信技術の発展により、冗長化技術も進化している。この冗長化技術にはオンラインでの障害検出機能があり、障害の発見、位置特定、隔離、そしてヒューマンマシンインターフェースの障害警報を実現することができる。故障検出には、電源、マイクロプロセッサ、データ通信リンク、データバス、およびI/O状態などが含まれます。その中で、故障診断には故障自己診断と故障相互検査（動作中のカードと予備カード同士の相互チェック）が含まれ、システムに故障が発生した際にも中断なく自動的に切り替えを実現できる。冗長化技術は、一方で運用保守担当者がシステムの障害を判断しやすくし、迅速にメンテナンスを行って障害箇所を排除するのに役立ちます。また、他方でシステムの信頼性を高め、安全な生産の実現に大きく貢献します。 2．2．2 ソフトウェア多重冗長の論理投票 投票とは、冗長システムが多数決の原則によって結論を決定するプロセスおよび方法のことである。同一の媒体を測定する場合、2台またはそれ以上の計器を設置して別々に測定し、得られたデータを冗長システムに送って投票処理を行うことで、システムの動作状態を判断します。この冗長投票の仕組みにより、システムの信頼性が向上し、不必要な機器の連動動作が生産に与える影響が軽減されます。一般的な投票方式には、1つから2つを選ぶ投票ロジック（1oo2）、2つから2つを選ぶ投票ロジック（2oo2）、1つから3つを選ぶ投票ロジック（1oo3）、3つから2つを選ぶ投票ロジック（2oo3）がある。3対2の投票ロジックを例にとると、通常は3つの制御計器の状態がすべて1と表示され、そのうち任意の2つの制御計器の組み合わせ信号が同時に0になった場合、投票器はアクチュエータに対応する連動動作を実行するよう指令します。3対2の投票ロジックは比較的合理的な選択であり、二重化システムが真偽を判断できないという欠点を克服できる。どちらかのチャネルに何らかの障害が発生しても、投票処理を経ることでシステムは通常通り動作し続け、その安全性と利用可能性を適切な水準で維持することができる。 3 結語 化学工業用計装自動制御システムの広範な導入は、インテリジェントな生産の実現、労働力の解放、そして生産事故の安全かつ効果的な防止において重要な意義を持っている。科学技術の進歩に伴い、化学工業用制御計器も絶えず改良されているため、計器制御システムの故障箇所も増え続けています。基礎的な故障から取り組み、経験を積み重ねつつ新しい技術を積極的に学び、出現する新たな問題を徹底的に理解することでのみ、計器の保守作業をより適切に行い、故障を未然に防ぎ、化学工業用計器制御システムの円滑な運用を確保することができます。本文は原文URLより転載：http://www.jssanchang.com/hangye/1114.html