DCS系統接插件故障的危險性及防范措施

一、控制系統接插件故障情況
接插件是DCS系統重要的配套元器件，從系統、分系統、機柜、印刷電路板到每一個可更換的各獨立單元，成千上萬的接插件如同人的神經系統分布于各系統和部位，擔負著DCS系統的電能傳輸、信號控制與傳遞。任何一個接插件故障都將導致整個DCS系統或某一控制設備無法正常工作或停役。因此，有效預防DCS系統接插件故障對確保發電機組的安全、穩定、經濟運行具有重要意義。表1列出了1996~2003年上海電力系統發電機組因DCS系統接插件故障引起的次停機停爐事件。
二、DCS系統接插件常見故障及危害性
DCS系統接插件是一種為電纜(包括通信電纜)和電纜端頭提供快速接通和斷開的連接器件。通常要求接觸部位該導通的地方不僅必須導通，而且必須接觸可靠;對絕緣部位不該導通的地方必須可靠絕緣。現結合工作中碰到和參與的幾起接插件故障原因分析情況，概括出下面三種接插件常見故障。
1.接觸不良
接觸件是接插件的核心零件，也是接插件的導電部分，它將來自接插件的插頭 (或插座)尾部所連接的電線或信號線的電壓或電流信號傳遞到與其相配的接插件插座(或插頭)對應的接觸件上。故接觸件必須具備優良的結構、穩定可靠的接觸保持力和良好的導電性能。由于接觸件結構設計不合理、材料選用不當、機械加工尺寸超差、表面粗糙，熱處理、膠接及表面處理等工藝不合理，以及貯存使用環境惡劣和操作使用不當等原因，都會在接插件的接觸部位和端接部位造成接觸不良。

表1中的案例1、2為某電廠兩臺機組因通信接插件接觸不良造成的2次MFT動作;案例9為某電廠因DEH電源插頭接插件接觸不良引起的跳機動作。通過對這三個接插件酌現場模擬試驗發現，一且稍有振動，個別插針接觸電阻就會發生跳變，同一接插件中插針的插拔力差別較大。解體檢查發現，部分插孔孔徑明顯偏大，使插拔力減小。遂取消此接插件而直接改為焊接式連接，徹底消除了這一隱患。
案例5則是由于潮濕、腐蝕性氣體作用，結果在接插件表面生成了一層氧化薄膜，增加了接插件的接觸電阻，造成控制系統工作電源電壓降至額定允許工作電壓值以下，導致控制系統無法正常工作而跳機。
2.絕緣不良
絕緣體的作用是使接觸件保持正確的位置固定和排列，并使接觸件與接觸件之間、接觸件與殼體之間相互絕緣。因此，絕緣體必須具備優良的電器性能、機械性能和工藝成型性能。特別是隨著高密度、小型化接插件的廣泛采用，有些插針間的間距接近lmm甚至更小(達0.5mm),這對絕緣體材料、注塑模具精度和成型工藝等提出了更高的要求。如果絕緣體表面或內部存在金屬多余物、表面塵埃、焊劑以及長霉、絕緣材料老化等缺陷，都會出現短路、漏電、擊穿、絕緣電阻降低等絕緣不良現象。如對表1中的案例4進行現場測試，發現某點插針與外殼間有短路現象。解體觀察發現，插座外引出線的個別焊接線開始腐蝕，個別插針與屏蔽線間有多余金屬層剝落物，短路原因系剝落的金屬多余物粘連在一起引起的。
另外，2001年在某電廠鍋爐汽包水位保護系統調試過程中發現三取二保護邏輯失效。經反復檢查測試發現，導致三取二邏輯失效的原因是接插件異常引起的。測試表明，部分插針間的絕緣電阻只有幾十歐姆。遂對CT-24插頭進行解體檢查。結果發現，由于在焊接連接導線時因電烙鐵停留時間過長，部分固定插針的塑料絕緣體溶化變形，使得原本插針間很小的間隙變得更小，有的幾乎處于短路狀態，出現了插針間絕緣電阻極小的現象。經過重新更換接插件并小心焊接后，恢復正常。
3.固定不良
殼體是接插件的外罩。插合的一對連接器殼體通常也為伸出的接觸件提供精確的對位、對中和保護，同時還具有安裝定位、鎖緊固定在設備上的功能。固定不良，輕者影響可靠接觸而造成瞬間斷開，重者會使連接器解體。解體是指接插件在插合狀態下，由于材料、設計、工藝等原因，在振動、沖擊等環境條件下導致插頭與插座之間、絕緣體與殼體之間或插針與插孔之間的不正常分離，造成控制信號的抖動丟失或中斷。表1中案例3、6、7、8就是由于TSI(汽輪機監測保護系統)的小型圓形插頭在使用中因振動導致插頭和插座之間出現輕微的分離，造成測量信號抖動丟失引起的。對于這類看起來微不足道的卡圈、彈簧及緊固件等也要定期進行檢查和維護，切不可因小失大。
上述三種類型的致命失效是控制系統接插件的隱性缺陷，必須采取有效措施加以預防。此外，殼體涂層起皮、破傷，絕緣體毛刺，接觸件加工粗糙、變形，定位鎖緊配合不嚴、總分離力過大等現象，也是接插件的常見病、多發病。這種顯性缺陷只要在使用前進行仔細的檢查，通常能夠及時發現并剔除。
三、防止接插件故障的對策
1.開展"零缺陷"質量管理
質量管理的最高境界是"零缺陷"，開展"零缺陷"質量管理要求做到控制不漏項，并依據工作標準要求嚴格檢查、檢驗和把關。近年來，西方一些知名企業開始實施"6σ"質量管理策略。"其含義是:"對于缺陷(差錯)數，6σ就是要求將缺陷(差錯)率控制在百萬分之三、四之內"，即每操作一百方次或抽查一百方個產品，其差錯或不合格率只允許為3-4個，這是近乎完美的目標。6σ管理是保持和獲得企業經營上的成功并將其營業額最大化的綜合管理體系和發展戰略，它能嚴格、集中、高效地改善企業質量管理策略的實施，以"零缺陷"為完美追求目標，帶動質量成本的大幅度降低。
2.工做好故障原因分析，不斷提高可靠性
要積極開展和加強接插件的可靠性研究、試驗和統計工作，力求掌握接插件的可靠性指標，不斷提高控制系統的叫靠性。為此，要培養和造就批具有豐富經驗的故障原因分析技術人員，不僅能準確分析。定位生產過程中出現的各種問題，而且能及時采取相應的預防措施。對使用中發生的質量和可靠性問題(包括時間、地點、環境、故障現象、故障部位等)應有正確。可靠的記錄并及時進行反饋，以便通過故障分析找出故障原因，采取有效的預防措施，這是提高接插件可靠性最有效的方法。
3.抓好工藝裝備和檢測設備的技術改造
通過近幾年對控制系統接插件故障原因的分析發現，要提高接插件質量水平，單憑增加人力投入是不行的。必須采用先進的年產工藝裝備和檢測設備，為生產接插件服務。如灌膠工序采用針筒手工操作。灌膠量和均勻度都很難控制，局部過量加壓后若滲入接觸件的插合界面，極易造成接觸不良。為此，應采用自動點膠機完成這一工序。自動點膠機可作X、Y、Z三軸平面及立交運行，涂膠時間和行走速度通過可編程控制器進行設定。另外，不少制造廠用硅碼測定總分離力，用標準插針加法碼測定單孔分離力，用吊硅碼測定壓接導線拉脫力，用手工插拔測定機械壽命。這些檢驗項目均可用全自動插拔力試驗機完成。該試驗機可準確控制插拔行程、速度、次數、暫停時間等參數，能高精度地進行單孔分離力、總分離力、機械壽命和壓接導線拉脫力等試驗。
4.做好質量驗收和檢驗工作
接插件的質量驗收項目很多，對用戶來說有些項目很難進行，因此要求接插件廠家提供詳細的出廠檢驗報告，以便用戶進行驗收確認。但對絕緣電阻和接觸電阻等，用戶可在現場進行測試。一旦發現滿足不了規定的技術指標和要求，就應堅決剔除，以免留下隱患造成不可彌失的損失。表2給出了典型接插件的主要技術指標。

四、接插件可靠性檢驗/測試
為確保控制系統接插件的質量和可靠性，預防致命失效發生。應做好如下預防性檢驗/測試。
1.預防接觸不良
(a)導通檢測
由于條件限制，此項試驗用戶大多不做。用戶裝機后，一般常用蜂鳴器、萬用表或指示燈等測試儀器手工逐點進行導通檢查。由于繁瑣枯燥、易疲勞，還需對照接線表、芯線號，極易造成漏檢，錯檢。建議借助導通檢測儀對接插件進行100%的導通檢測。如NAC公司的NM-SP導通儀"具有迅速判明每個接點是否斷路、短路、誤配線和防止漏檢等功能，只要漏掉一點，就不會發出合格的聲光指示信號。
(2)瞬間檢測
控制系統接插件有不少是在動態振動環境下使用的。試驗證明，僅進行靜態接觸電阻檢驗是否合格。并不能保證動態環境下使用時的可靠接觸，因為往往接觸電阻合格的接插件在進行振動、沖擊等模擬環境試驗時仍出現信號瞬間中斷現象。建議進行100%動態振動試驗，考核其接觸可靠性。NAC公司的NM-llA導通儀配有便攜式小型電動振動臺，它有10個平行獨立回路，可按產品技術條件規定設定監測的瞬間中斷時間(μs級)，可模擬產生100Hz以內的低頻振動，因此可用于接插件的瞬間動態接觸檢測。
(3)單孔分離力檢測
單孔分離力是指在插合狀態下接觸件由靜止變為運動的分離力，用來表征插針和插孔正在接觸。試驗表明，單孔分離力過小，在受振動、沖擊載荷時有可能造成信號瞬斷。用測單孔分離力的方法檢查接觸可靠性比測接觸電阻有效。檢查發現，單孔分離力超差的插孔，測量其接觸電阻往往仍合格。為此，建議生產廠家應對關鍵接插件進行自動插拔力測試，防止因個別插孔松弛而造成信號瞬斷。
2.預防絕緣不良
國內許多接插件生產廠由于資金原因仍采用早期的單參數電性能測試儀，如耐壓測試儀、絕緣電阻測試儀和接觸電阻測試儀等，需多次插拔變換儀器，操作較繁瑣。而NAC公司、CIRRIS公司的多功能自動電性能檢測儀采用自動邏輯切換電路，一次插合即可快速、準確地完成導通、絕緣、耐壓和瞬斷等參數的自動檢測。此外，還可在計算機中設定試驗電壓、試驗時間、漏電流、 絕緣電阻閥值等參數，能將被檢接插件與記憶的內存樣品信息進行比較，判斷是否合格。
3.預防互換性不良
互換性檢查是一種動態檢查，它要求同一系列相配的插頭和插座都能進行相互插配連接。通過互換性檢查，可以發現是否由于殼體、絕緣體、接觸件和橡膠墊等零件尺寸超差、缺裝或裝配不到位等原因造成無法插合、正確定位和鎖緊等缺陷。互換性檢查的另一作用，是通過螺紋、卡口等的插拔連接及時發現是否有影響接插件絕緣性能的金屬多余物，以免系統工作時由于這些多余物而造成通信故障等隱患發生。
4.盡量少用插頭、插座式接插件
接插件是控制信號及電源連接的重要器件，具有連接牢固、操作方便的特點，但選用不當或使用時間一長，經常會出現如接觸不良、脫落、腐蝕等問題，尤其在有振動的地萬更應慎重。在必須使用接插件連接的地方應注意:(1)能用少量的多芯插頭時，絕不用大量的單芯插頭;(2)為防止連接松動，盡量采用自鎖式結構，不用金屬絲系結;(3)必須定期維護、檢查，發現異常及時更換。這些措施對改善接插件的可靠性、提高控制系統的安全性意義重大，也是徹底消除因接插件原因引起控制系統故障并導致停爐跳機事件發生的重要手段。
五、結束語
近年來，由于控制系統接插件故障引起的停爐跳機事件時有發生，這就提醒人們一方面要重視控制系統接插件的質量指標和維護保養，盡可能選用高可靠性接插件(如柔性插合，接觸穩定可靠的接插件);另一方面要盡可能利用DCS強大的邏輯判斷功能，一旦檢測到信號抖動、突變、丟失等異常狀態，立即將其隔離、報警并保持此前信號的原有狀態，以減少因接插件異常等原因引起的停爐跳機事件的發生，確保機組安全、經濟運行。