除鹽水控制系統(tǒng)氣動(dòng)閥門(mén)拒動(dòng)故障分析

陳蒙蒙

（海南核電有限公司 海南昌江）

一、前言

海南昌江核電廠兩個(gè)機(jī)組共用一套淡水除鹽處理設(shè)備，系統(tǒng)接收前置淡水廠來(lái)水，經(jīng)過(guò)雙濾料過(guò)濾、一級(jí)反滲透處理和兩級(jí)離子交換器的過(guò)濾和脫鹽等工藝過(guò)程，向SER和SED系統(tǒng)提供符合水質(zhì)要求的除鹽水。

圖1 除鹽水PLC控制系統(tǒng)配置圖

控制系統(tǒng)采用Profibus-DP總線通信技術(shù)的主、從站結(jié)構(gòu)。由2臺(tái)上位機(jī)（工程師站與操作員站）、2套S7-400H冗余控制器主站和7個(gè)ET200M分布式I/O從站組成，見(jiàn)圖1。整個(gè)系統(tǒng)由管理層、控制層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層3部分組成。上位機(jī)管理層采用以太網(wǎng)卡P4型研華工控機(jī)和WinCC 7.0操作界面，實(shí)現(xiàn)全圖形顯示、報(bào)警記錄、測(cè)量值采集和PLC通信等功能，在YA控制間對(duì)除鹽水生產(chǎn)與貯存系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)視和控制。PLC主站2臺(tái)CPU互為熱備用，構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)。兩套西門(mén)子S7-400H冗余控制器主站和7個(gè)ET200M分布式I/O從站組成中間控制層。壓力、流量、液位等常規(guī)過(guò)程變量遠(yuǎn)傳儀表，電導(dǎo)率、Na+濃度、pH值等化學(xué)分析儀表，風(fēng)機(jī)、泵與變頻器、電動(dòng)閥門(mén)和氣動(dòng)閥門(mén)等工藝現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備組成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，司職采集現(xiàn)場(chǎng)工藝參數(shù)和執(zhí)行上層控制指令。

上位機(jī)管理層通過(guò)雙絞線和交換機(jī)與2套PLC主站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，主從站間的通信采用冗余Profibus DP總線和IM153接口模塊及有源背板總線實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)硬接線與從站中的I/O模塊連接。3個(gè)層次緊密銜接，組成整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)，完成信息采集和命令發(fā)送。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層中，氣動(dòng)閥門(mén)作為生產(chǎn)工藝管道上控制介質(zhì)流通與截止的一類(lèi)執(zhí)行部件，其是執(zhí)行機(jī)構(gòu)以壓縮空氣為動(dòng)力的開(kāi)關(guān)兩位閥門(mén)，通常由過(guò)濾減壓裝置、行程開(kāi)關(guān)、電磁閥、氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及閥門(mén)本體等部件組成。氣動(dòng)閥門(mén)具有啟閉速度快、操作靈活等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，頻繁應(yīng)用于除鹽水系統(tǒng)中間過(guò)程環(huán)節(jié)。閥門(mén)拒動(dòng)、誤動(dòng)、動(dòng)作不到位等故障現(xiàn)象，將直接影響所處過(guò)程環(huán)節(jié)的順控程序執(zhí)行、中斷生產(chǎn)，導(dǎo)致工藝系統(tǒng)各環(huán)節(jié)之間無(wú)法流暢銜接，對(duì)整個(gè)除鹽水控制系統(tǒng)的運(yùn)行引入停運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)。

二、PLC系統(tǒng)氣動(dòng)閥門(mén)的遠(yuǎn)程控制

1.WinCC與PLC的建立通信連接

將WinCC與PLC之間需要通信的數(shù)據(jù)，包括變量名、數(shù)據(jù)類(lèi)型、地址等定義變量，以完成WinCC與PLC之間的數(shù)據(jù)通訊。在圖形編輯器中，用基本元件或圖形庫(kù)中的對(duì)象制作生產(chǎn)工藝流程監(jiān)控畫(huà)面，將變量與每個(gè)對(duì)象連接，即相當(dāng)于畫(huà)面中各對(duì)象與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相連，實(shí)現(xiàn)在畫(huà)面上監(jiān)視和控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。根據(jù)所采用的通信協(xié)議在變量管理器（Tag Managennent）中選擇通信驅(qū)動(dòng)程序，并選擇期望的通道單元，為該通道單元組態(tài)邏輯連接。設(shè)置邏輯連接節(jié)點(diǎn)名、網(wǎng)絡(luò)地址與PLC中的設(shè)置地址相同，建立WinCC與PLC之問(wèn)的通信連接。

2.控制指令的傳遞

遠(yuǎn)程模式下，氣動(dòng)閥門(mén)的控制指令由上位機(jī)至就地氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。上位機(jī)工作站W(wǎng)inCC監(jiān)控畫(huà)面的閥門(mén)操作命令通過(guò)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信傳輸，下送至PLC控制器；PLC控制器對(duì)收到的命令進(jìn)行綜合運(yùn)算處理，再將運(yùn)算結(jié)果的內(nèi)部電平信號(hào)通過(guò)一個(gè)數(shù)字量輸出卡件的唯一指定通道，以24 V外部電平信號(hào)形式向下游繼電器機(jī)架傳送。機(jī)架上相對(duì)應(yīng)的DC24 V繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)“閉合”（常開(kāi)觸點(diǎn)通過(guò)硬接線接入就地的電磁閥供電控制回路），供電控制回路導(dǎo)通，電磁閥得電，控制壓縮空氣的氣路換向切換，使得氣動(dòng)閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的上位機(jī)遠(yuǎn)程操控。

上位機(jī)操作站開(kāi)啟閥門(mén)，操作指令傳至控制層，調(diào)用 PLC程序中的閥門(mén)控制模塊進(jìn)行綜合運(yùn)算處理，判斷開(kāi)啟條件是否滿(mǎn)足，在各引腳輸入狀態(tài)正常情況下，由Q0.0點(diǎn)發(fā)出開(kāi)閥指令OD，在線監(jiān)視該模塊。PLC開(kāi)閥命令Q0.0已發(fā)出，可通過(guò)觀察相應(yīng)DO卡件的對(duì)應(yīng)通道LED指示是否點(diǎn)亮確定。

觀察下游繼電器線圈是否得電吸合。繼電器得電，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，并通過(guò)硬接線接入就地電磁閥箱，電磁閥DC24 V供電形成回路，見(jiàn)圖2。電磁閥得電，切換進(jìn)氣方向，使氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，從而控制閥門(mén)開(kāi)啟。

圖2 電磁閥的控制接線原理圖

三、故障現(xiàn)象

系統(tǒng)調(diào)試及運(yùn)行接產(chǎn)期間，氣動(dòng)蝶閥動(dòng)作故障問(wèn)題出現(xiàn)頻率較高，由于氣動(dòng)閥門(mén)的故障查找涉及控制回路、閥門(mén)本體及執(zhí)行機(jī)構(gòu)問(wèn)題，屬于維修部門(mén)儀控和機(jī)械兩個(gè)專(zhuān)業(yè)的接口部件，作為維護(hù)人員，如何快速準(zhǔn)確的定位問(wèn)題所在，采取有效的處理方式，對(duì)整個(gè)除鹽水系統(tǒng)的正常運(yùn)行有著重要意義。

四、故障分析

1.監(jiān)控層畫(huà)面組態(tài)

WINCC中閥門(mén)畫(huà)面的組態(tài)采用調(diào)用兩層腳本的形式實(shí)現(xiàn)。在監(jiān)控畫(huà)面上點(diǎn)擊操作的閥門(mén)時(shí)，彈出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的操作窗口（包括打開(kāi)、關(guān)閉、位置反饋、狀態(tài)信息等），這是第一層腳本調(diào)用，所有的閥門(mén)在進(jìn)行操作時(shí)都進(jìn)行此窗口調(diào)用。而具體位號(hào)的閥門(mén)的數(shù)據(jù)變量信息以變量組的類(lèi)型鏈接在第二層腳本中（C語(yǔ)言腳本），在C腳本中寫(xiě)入變量信息。

當(dāng)出現(xiàn)畫(huà)面層組態(tài)鏈接錯(cuò)誤時(shí)，會(huì)出現(xiàn)被操作閥門(mén)拒動(dòng)故障，由于閥門(mén)的鏈接是以變量組的形式進(jìn)行組態(tài)，出現(xiàn)鏈接錯(cuò)誤時(shí)是一個(gè)整體故障出現(xiàn)，不會(huì)出現(xiàn)其中單一變量的鏈接故障。通常它的表現(xiàn)是，對(duì)一個(gè)閥門(mén)相應(yīng)操作時(shí)，另外一個(gè)不相干的閥門(mén)卻產(chǎn)生動(dòng)作。

2.PLC控制指令

開(kāi)關(guān)控制指令的產(chǎn)生經(jīng)過(guò)相應(yīng)邏輯程序的運(yùn)算過(guò)程，單電控（或雙電控）的動(dòng)作閥門(mén)的控制邏輯是一致的，對(duì)閥門(mén)數(shù)量較多的PLC系統(tǒng)，通常將單電控或雙電控的閥門(mén)邏輯制作封裝成標(biāo)準(zhǔn)的FB功能塊，同類(lèi)型閥門(mén)的可直接調(diào)用此塊，同時(shí)對(duì)功能塊各項(xiàng)參數(shù)引腳分配數(shù)據(jù)點(diǎn)。

在這個(gè)環(huán)節(jié)的檢查中，首先需要檢查確認(rèn)數(shù)據(jù)點(diǎn)位鏈接是否存在錯(cuò)誤。由于編程人員再做這部分的梯形圖編程過(guò)程與修改，時(shí)常會(huì)復(fù)制已有閥門(mén)編程數(shù)據(jù)，然后再對(duì)復(fù)制的塊各參數(shù)進(jìn)行修改，所以在修改過(guò)程中，可能有遺漏的內(nèi)容，而這些遺漏內(nèi)容將造成邏輯程序執(zhí)行錯(cuò)誤。其次，數(shù)據(jù)點(diǎn)位鏈接沒(méi)有問(wèn)題時(shí)，點(diǎn)擊S7管理器工具欄中“眼鏡”標(biāo)識(shí)（在線監(jiān)視按鈕），進(jìn)行在線監(jiān)視。

通過(guò)狀態(tài)在線的過(guò)程，可以清楚當(dāng)前閥門(mén)數(shù)據(jù)塊中的各項(xiàng)參數(shù)，如遠(yuǎn)程/就地狀態(tài)、手/自動(dòng)狀態(tài)、手/自動(dòng)開(kāi)關(guān)閥輸入、保護(hù)開(kāi)/關(guān)，閥門(mén)位置反饋和電氣故障等點(diǎn)位數(shù)據(jù)信息，并結(jié)合調(diào)用塊中的開(kāi)關(guān)控制邏輯程序，予以定位在程序運(yùn)算處理環(huán)節(jié)中存在的故障。

圖3 電磁閥切換示意圖

3.輸出卡件及通道狀態(tài)

在已確認(rèn)程控指令經(jīng)過(guò)PLC處理發(fā)出后，說(shuō)明來(lái)自軟件方面（畫(huà)面組態(tài)和邏輯程序）的原因已排除，接著，需要確認(rèn)數(shù)字量DO卡件的工作狀態(tài)。

利用西門(mén)子STEP 7軟件的模塊自診斷功能，讀取選中數(shù)字量模塊的狀態(tài)信息，對(duì)該模塊工況有個(gè)整體判斷。接著檢查模塊供電情況，量取24VDC是否正常。供電正常時(shí)，說(shuō)明卡件自身已損壞，由此DO卡發(fā)出的控制指令都會(huì)存在異常，在控制系統(tǒng)中，會(huì)表現(xiàn)出多個(gè)閥門(mén)同時(shí)無(wú)法控制的現(xiàn)象。此外，在YA調(diào)試過(guò)程中，出現(xiàn)一起DO卡件的輸出通道故障，即DO卡件其中的一個(gè)通道出現(xiàn)故障。DO卡件的通道在有輸出情形下，通道指示燈會(huì)呈現(xiàn)綠色，因此可以通道指示燈的狀態(tài)作為通道正常與否的判定依據(jù)。

4.繼電器與機(jī)架接線

一般繼電器機(jī)架隨同機(jī)柜出廠時(shí)已通過(guò)相關(guān)功能驗(yàn)證調(diào)試，但由于現(xiàn)場(chǎng)高溫高濕環(huán)境，繼電器疲勞動(dòng)作，以及現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜安裝過(guò)程中的人為原因等因素，存在故障的可能性。

當(dāng)DO卡件的通道有輸出時(shí)，通道下掛的繼電器的供電端子應(yīng)有24 VDC的輸入，繼電器線圈吸合，通過(guò)得電指示燈或間隙寬窄進(jìn)行確認(rèn)。繼電器得電后，檢查其工作情況。首先，繼電器不能有機(jī)械抖動(dòng)（電壓不穩(wěn)或元器件方面原因），其次再檢查繼電器的觸點(diǎn)通斷狀態(tài)是否正確（最好采用萬(wàn)用表的電壓擋測(cè)量）。繼電器及觸點(diǎn)都正常時(shí)，結(jié)合機(jī)柜端子圖紙，進(jìn)一步核查機(jī)架接線

5.氣源換向電磁閥

調(diào)試維護(hù)過(guò)程中，由于氣源換向電磁閥的原因?qū)е碌拈y門(mén)拒動(dòng)故障，有著極高的比例。YA除鹽水現(xiàn)場(chǎng)的氣源換向電磁閥為24 VDC單線圈二位五通型，具有控制雙作用氣缸的功能，失電復(fù)位。當(dāng)電磁閥線圈得電時(shí)，動(dòng)芯金屬桿克服小彈簧力被吸合，與先導(dǎo)閥噴嘴脫開(kāi)，閥體內(nèi)的氣流從先導(dǎo)氣孔進(jìn)入，經(jīng)噴嘴和一旁細(xì)孔進(jìn)入先導(dǎo)氣腔，推壓白色先導(dǎo)閥瓣，電磁閥閥桿克服大彈簧作用下置位，如圖3所示，電磁閥“1”“4”氣孔導(dǎo)通，開(kāi)閥氣缸進(jìn)氣，氣動(dòng)閥打開(kāi)；當(dāng)電磁閥線圈失電時(shí)，動(dòng)鐵芯金屬桿受小彈簧的推力作用壓住噴嘴，先導(dǎo)氣腔內(nèi)的氣流經(jīng)過(guò)旁孔、金屬桿槽排走，電磁閥閥體在大彈簧作用下復(fù)位，“1”“2”氣孔導(dǎo)通，關(guān)閥氣缸進(jìn)氣，氣動(dòng)閥關(guān)閉。

電磁閥切換故障將直接導(dǎo)致氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)無(wú)法按要求動(dòng)作。通過(guò)手動(dòng)按鈕檢查電磁閥切換功能是否正常。在線圈失電情況下，按下紅色手動(dòng)按鈕，閥體氣路有短促的排氣聲，說(shuō)明電磁閥切換功能完好。

對(duì)YA現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)起故障電磁閥進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題集中在這些元器件上：

（1）先導(dǎo)閥瓣斷裂。線圈得電時(shí)，由于密封失效，先導(dǎo)氣腔無(wú)法建立，電磁閥閥桿未受到閥瓣推力造成氣路切換故障，更換閥瓣后消除故障。

（2）先導(dǎo)進(jìn)氣孔與電磁閥先導(dǎo)氣路接口處持續(xù)漏氣，位于接口處的O形密封圈擠壓變形，先導(dǎo)氣路持續(xù)排氣，進(jìn)氣壓力降低。

（3）電磁閥閥桿及密封圈上累積的粘性油污灰塵顆粒，卡澀阻礙閥桿位移。

檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣管線上的過(guò)濾減壓閥的設(shè)定值過(guò)高，達(dá)到0.65 MPa左右，而此類(lèi)型閥門(mén)正常情況下0.04 MPa壓力可滿(mǎn)足開(kāi)關(guān)要求。管線壓力過(guò)高，頻繁動(dòng)作的電磁閥閥瓣容易疲勞斷裂損壞。調(diào)試維護(hù)過(guò)程中，注意調(diào)整減壓閥的設(shè)定值處于合理的數(shù)值，即滿(mǎn)足氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最小輸入壓力即可。

調(diào)試初期SAT系統(tǒng)供氣管線接臨時(shí)空壓機(jī)，分配管線焊接裝配完畢后整體未做仔細(xì)吹掃工作，導(dǎo)致管路中的顆粒灰塵進(jìn)入下游用戶(hù)。氣源分配管線安裝完畢后，下游的過(guò)濾減壓裝置及用戶(hù)可先不連接氣路，對(duì)分配管線進(jìn)行對(duì)空吹掃，清除焊渣、顆?；覊m，對(duì)于后續(xù)有關(guān)涉及壓縮空氣使用的系統(tǒng)調(diào)試應(yīng)予以注意。系統(tǒng)運(yùn)行期間，選取窗口，對(duì)過(guò)濾減壓裝置的濾芯進(jìn)行定期清潔，清除油污。

6.氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

除鹽水系統(tǒng)的氣動(dòng)蝶閥的執(zhí)行結(jié)構(gòu)采用雙作用式的氣缸，雙作用氣缸的活塞壓縮和拉伸都輸出作用力，活塞兩側(cè)的受壓面積相等，兩側(cè)的運(yùn)動(dòng)行程和輸出力大致相等，具有輸出力矩大等優(yōu)勢(shì)。由于活塞與缸體之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就有可能產(chǎn)生不可預(yù)見(jiàn)的摩擦，缸體在高濕度、酸堿環(huán)境下銹蝕，密封圈受熱變形導(dǎo)致張力不均勻等原因，使得兩側(cè)活塞受力不一致，造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作不順暢，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)卡澀導(dǎo)致閥門(mén)拒動(dòng)。因此在已排除控制與供氣方面的問(wèn)題原因后，需要對(duì)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行部件解體檢查，以消除故障。

圖4 控制環(huán)路的檢查

五、氣動(dòng)閥門(mén)拒動(dòng)故障的診斷方法（圖4）

控制指令經(jīng)由上位機(jī)送至就地執(zhí)行機(jī)構(gòu)，傳遞過(guò)程中涉及軟件組態(tài)、硬件狀態(tài)、繼電器、換向電磁閥及氣缸等多項(xiàng)內(nèi)容。控制信號(hào)的傳遞共經(jīng)5個(gè)環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)過(guò)程層層銜接，形成一條完整的控制環(huán)路，其中任意環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，都可能產(chǎn)生就地氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥門(mén)的拒動(dòng)故障。處理此類(lèi)閥門(mén)故障時(shí)，按照指令的傳遞方向，結(jié)合PLC及WinCC組態(tài)軟件的相關(guān)知識(shí)，依次檢查逐步排除，能有效的定位故障點(diǎn)并予以消除。

六、結(jié)論

通過(guò)對(duì)氣動(dòng)兩位閥門(mén)拒動(dòng)問(wèn)題的產(chǎn)生因素進(jìn)行分析，結(jié)合運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的故障排查方法，儀控檢修人員能快速有效地解決除鹽水系統(tǒng)中的同類(lèi)故障問(wèn)題，該診斷方法也為其他PLC系統(tǒng)及DCS中提供借鑒，同時(shí)也有助于向運(yùn)行調(diào)試人員及其他接口專(zhuān)業(yè)提供了定位故障點(diǎn)的參考。