核電廠智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障的在線處理

李 佳，曹祖庭，孫震嘯，郭向東，盧金帆

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

0 引言

隨著電子科技的迅速發(fā)展，智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的發(fā)展越來越迅速，應(yīng)用范圍也越來越廣泛。按品牌劃分，目前核電廠廣泛使用的智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)品牌主要有Limitorque，Bernard，Rotork以及SND等。智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由以下部分組成:電子行程控制器、力矩傳感器、電源模塊、主控板、人機(jī)界面模塊等。

1 智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成

以下以常州電站輔機(jī)股份有限公司的SND智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為例，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。

1.1 電子行程控制器

SND智能型執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用一個(gè)16位的絕對(duì)編碼式電子行程控制器，在運(yùn)行過程中輸出軸帶動(dòng)行程控制器轉(zhuǎn)動(dòng)，行程控制器通過光電轉(zhuǎn)換將閥位轉(zhuǎn)換成絕對(duì)編碼(格雷碼)，再將絕對(duì)編碼信號(hào)通過專用微型控制器上的輸入點(diǎn)傳送給專用微型控制器。該執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用絕對(duì)編碼技術(shù)，在全行程的任何一個(gè)位置對(duì)應(yīng)的行程值均為唯一值，使閥門定位更加精確;并且在斷電狀態(tài)下，手動(dòng)操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍能保持?jǐn)?shù)據(jù)與實(shí)際行程的一致性，具有斷電記憶功能。

電子行程控制器實(shí)物如圖1所示。

圖1 電子行程控制器實(shí)物

1.2 力矩傳感器

力矩傳感器的實(shí)現(xiàn)采用了電阻應(yīng)變計(jì)原理。在應(yīng)變計(jì)的電測技術(shù)中，應(yīng)用最廣泛的測量電路是惠斯頓(Wheatstone)電橋電路。測量電橋由于具有靈敏度高、測量范圍寬、電路結(jié)構(gòu)簡單、精度高、容易實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，因此能很好地滿足應(yīng)變測量的要求。

1.3 電源模塊

執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過三相橋式整流電路獲得2路相互隔離的24 V直流電源，一路用于內(nèi)部控制系統(tǒng)，輸出功率為12 W，主要是用于對(duì)專用微型控制器和人機(jī)界面的供電;另一路輸出功率為3 W，用于對(duì)4—20 mA閥位反饋、遠(yuǎn)控信號(hào)和Modbus-RTU供電。

電源模塊如圖2所示。

圖2 電源模塊實(shí)物

1.4 主控板

主控板是智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制核心，所有輸入信號(hào)的采集、控制邏輯的運(yùn)算、控制命令的輸出和狀態(tài)報(bào)警信號(hào)的反饋都要通過它來完成。其完成的主要功能有:與人機(jī)界面的通信、電子行程和電子力矩的采集、電機(jī)過熱故障的判斷、遠(yuǎn)程開關(guān)量控制的接收、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)信號(hào)的發(fā)出、電機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的控制等。

1.5 人際界面模塊

人機(jī)界面模塊是人機(jī)對(duì)話的窗口，用戶可通過它對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場操作、參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)監(jiān)控。

2 智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)常見缺陷及處理

核電廠工作現(xiàn)場溫度高，各種設(shè)備振動(dòng)大，電磁干擾嚴(yán)重，且智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自身電子元器件較多，導(dǎo)致智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在現(xiàn)場的故障率較高，尤其是在運(yùn)行的前期及后期。按專業(yè)劃分，智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的缺陷主要可分為如下幾類，不同的缺陷類型應(yīng)采取不同的處理方式。

2.1 機(jī)械缺陷

機(jī)械缺陷主要是指智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械傳動(dòng)部件的缺陷，主要包括機(jī)械部件連接松動(dòng)、卡澀，元器件磨損以及密封失效等。這類故障的處理只能通過更換相關(guān)元器件或重新拆裝等方式完成;處理過程中必須將對(duì)應(yīng)的閥門完全隔離，且允許對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行開關(guān)、操作。此類問題在電廠調(diào)試期間以及設(shè)備運(yùn)行初期和后期較多。

2.2 外部工況缺陷

外部工況缺陷主要是由于外部工況的變化而引起的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作異常，主要包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)所在管網(wǎng)介質(zhì)壓力的變化、遠(yuǎn)控信號(hào)的邏輯閉鎖等。處理此類缺陷一方面要考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)置問題，也要考慮運(yùn)行人員的操作問題，比如開、關(guān)過緊造成過力矩，操作造成外部控制指令閉鎖問題。此外，還需要考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)同閥門的匹配問題，有無選型偏小的情況。此類問題在電廠調(diào)試期間出現(xiàn)較多，正式運(yùn)行之后出現(xiàn)很少。

2.3 內(nèi)部元器件缺陷

內(nèi)部元器件缺陷主要是指由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部各電氣相關(guān)元器件存在問題造成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)不可用。較傳統(tǒng)式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)而言，智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部電子元件較多，且現(xiàn)場工況比較惡劣，環(huán)境溫度、機(jī)械振動(dòng)、電磁干擾等均對(duì)它有較大的影響。此類故障主要有:主控板故障黑屏、花屏;現(xiàn)場旋鈕失靈，無輸出反饋;接線松動(dòng);主控板PLC死機(jī)，通信接口損壞;電源模塊過熱燒毀;行程傳感器故障造成行程跳動(dòng)，無法正常顯示;旋鈕被磁化造成人機(jī)界面不可用等。對(duì)智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來說，此類故障最多，大約可占到日常缺陷的80 %以上。由于產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家不同，可能出現(xiàn)的故障信息也各不相同，但是按部件來說，總體上可分為:執(zhí)行機(jī)構(gòu)拒動(dòng)或者誤動(dòng);閥位同實(shí)際閥位顯示不一致;執(zhí)行機(jī)構(gòu)人機(jī)界面黑屏;上送信號(hào)出現(xiàn)誤報(bào);各類異常報(bào)警等。

對(duì)于上述缺陷導(dǎo)致的故障，少部分可以通過斷電復(fù)位、還原設(shè)置以及內(nèi)部接線重新拔插加以解決，更多的還是需要進(jìn)行傳統(tǒng)的隔離更換處理。即先將執(zhí)行機(jī)構(gòu)所在的管道系統(tǒng)隔離，再對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作。由于缺陷處理工作涉及管道的隔離以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開、關(guān)操作等，故從發(fā)現(xiàn)問題到解決問題，整個(gè)處理過程一般需要1—2天時(shí)間。即使緊急處理，也需3 h以上才能完成。由于工況限制，核電廠某些閥門在運(yùn)行期間不允許操作，想要處理這些閥門的缺陷，就需等待合適工況。這不僅延長了缺陷處理的時(shí)間，而且相關(guān)管道系統(tǒng)帶病運(yùn)行也給核電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來很大隱患。

3 智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障的在線處理

某核電廠通過對(duì)智能電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)研究以及對(duì)現(xiàn)場大量消缺試驗(yàn)的總結(jié)歸納，找到了一些不同于傳統(tǒng)的故障處理方式，即通過在線設(shè)置和更換的方式，直接處理執(zhí)行機(jī)構(gòu)電氣類的故障缺陷。在整個(gè)處理過程中，不涉及管道的隔離和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的操作，給現(xiàn)場工作帶來了很大便利。由于電氣類缺陷在現(xiàn)場缺陷中的占比較大，該方式可解決電廠日常運(yùn)行中的很大一部分問題。

以下結(jié)合實(shí)例，詳細(xì)地闡述智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障在線處理的基本理念和具體措施。

3.1 行程控制器故障在線處理

2015年1月，某核電廠智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)4ARE056VL二次觸發(fā)報(bào)警，就地檢查故障顯示為行程控制器編碼器故障。通過現(xiàn)場斷電復(fù)位消除了報(bào)警，但是該隱患依舊存在。為徹底解決這一問題，需要對(duì)編碼器進(jìn)行更換。由于受機(jī)組運(yùn)行工況限制，閥門不允許動(dòng)作，故只能對(duì)其進(jìn)行在線更換。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥位的設(shè)定值儲(chǔ)存在主板中，假設(shè)編碼器的量程范圍是0—c，閥門設(shè)定的關(guān)閥位值為a，開閥位值為b。在不考慮溢出的情況下(溢出時(shí)，只需要主板程序內(nèi)部補(bǔ)充相關(guān)算法即可)，設(shè)定值滿足如下關(guān)系:0＜a＜b＜c。

對(duì)于不同編碼器，其結(jié)構(gòu)、原理及監(jiān)測閥位變化的方式是一致的，只是內(nèi)部齒輪位置以及反饋的閥門二進(jìn)制代碼不一樣。針對(duì)現(xiàn)場的編碼器，如果一個(gè)新編碼器內(nèi)部齒輪的位置即反饋閥位的二進(jìn)制代碼，與現(xiàn)場的編碼器一樣，則可以直接更換，不需重新設(shè)定閥位，即不需要操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作閥門。行程控制器的閥位值設(shè)定如圖3所示。

圖3 行程控制器的閥位值設(shè)定

由于新編碼器內(nèi)部齒輪的位置以及反饋的二進(jìn)制代碼是未知的，假設(shè)反饋的二進(jìn)制代碼數(shù)值為d，d的大小相對(duì)于前面假設(shè)的a，b，c的數(shù)值，有3種可能:

(1) 當(dāng)0＜d＜a時(shí)，更換新的編碼器后，閥位顯示為0(全關(guān));

(2) 當(dāng)a＜d＜b時(shí)，更換新的編碼器后，閥位顯示為0—100 %中的某個(gè)數(shù)值(中間位置);

(3) 當(dāng)b＜d＜c時(shí)，更換新的編碼器后，閥位顯示為100 %(全開)。

經(jīng)核實(shí)，該現(xiàn)場閥門處于開度100 %的全開位置，更換新的編碼器時(shí)只要確保其閥位也在100 %位置即可。新編碼器的參數(shù)可在線修改完成，具體步驟如下:

(1) 將執(zhí)行機(jī)構(gòu)置于就地“停止”位置，并斷開上游380 V動(dòng)力電源開關(guān)，打開控制部件端蓋;

(2) 拆除原有編碼器接線，將新編碼器的接線插到主板上;

(3) 對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)重新上電，觀察新編碼器的閥位顯示;

(4) 若閥位顯示為0，用螺絲刀或內(nèi)六角逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)(不同廠家可能旋轉(zhuǎn)方向不同)編碼器，直到閥門剛好顯示為100 %;若閥位顯示在0—100 %的中間位置，用上述方法旋轉(zhuǎn)編碼器，直到閥門剛好顯示為100 %;若閥位顯示為100 %，用上述方法旋轉(zhuǎn)編碼器，直到閥位脫落全開位，再逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)編碼器，直到閥門剛好顯示為100 %;

(5) 用固定卡固定新編碼器的齒輪位置;

(6) 再次斷開執(zhí)行機(jī)構(gòu)上游電源，拆除舊的編碼器，并用固定卡固定舊編碼的齒輪位置;

(7) 安裝新的編碼器，恢復(fù)相關(guān)接線及控制部件端蓋;

(8) 再次對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行上電，檢查閥門狀態(tài)，確認(rèn)閥位顯示為100 %位置，否則需要再次進(jìn)行上述調(diào)整。

經(jīng)過處理，該執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障消除，各項(xiàng)功能恢復(fù)正常。

3.2 力矩傳感器故障在線處理

若力矩?cái)?shù)據(jù)儲(chǔ)存在主板中，則直接更換力矩傳感器即可;若力矩傳感器嵌入了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，則需要對(duì)其進(jìn)行在線設(shè)置，設(shè)置的思路參考行程控制器的設(shè)置。

3.3 電源模塊故障在線處理

電源模塊主要用于給執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力電源和控制電源，大部分電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)置和參數(shù)均保存在主控板或人機(jī)界面模塊中，故一般情況下電源模塊可直接更換。但因一些繼電器的狀態(tài)沒有自保持功能，失電后其輸出狀態(tài)會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)，所以需考慮電源模塊失電后外部輸出繼電器的狀態(tài)。

3.4 主控板和人機(jī)界面模塊故障在線處理

智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要設(shè)置和參數(shù)均儲(chǔ)存在主控板或人機(jī)界面模塊中，部分廠家和型號(hào)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)中這2部分是合二為一的，故以下將其統(tǒng)一考慮。

2016-05-23，4CET012VV智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由于操作失誤，導(dǎo)致就地的開、關(guān)閥位值重置為相同值，執(zhí)行機(jī)構(gòu)上全開和全關(guān)指示燈均亮起，執(zhí)行機(jī)構(gòu)無法動(dòng)作，判定為主控板故障。此時(shí)，電腦與執(zhí)行機(jī)構(gòu)無法建立通信連接，故不能讀取主控板中的參數(shù)。因此，需要先確定閥位值。根據(jù)運(yùn)行人員反饋，現(xiàn)場閥位真實(shí)開度為10 %左右。

參考同型設(shè)備的行程參數(shù)及之前備份的數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行閥位設(shè)定，確定該執(zhí)行機(jī)構(gòu)的需整定的目標(biāo)閥門行程D。

假設(shè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的當(dāng)前閥位值為d，閥門關(guān)閥位值為a，開閥位值為b，結(jié)合當(dāng)前閥門10 %的實(shí)際開度，可計(jì)算出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閥位值如下:

關(guān)閥位值:a=d-D×10 %;

開閥位值:b=d+D×90 %。

由于D并非為當(dāng)前閥門的實(shí)際行程，10 %開度也僅僅為運(yùn)行人員初步測量，以此為基準(zhǔn)計(jì)算得出的閥位值可能存在一定的誤差，依此整定可能會(huì)導(dǎo)致閥門開關(guān)不到位或過力矩報(bào)警。

經(jīng)同運(yùn)行人員進(jìn)行交流得知，運(yùn)行期間該閥門需置于全關(guān)位置;執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)關(guān)位有很高的要求，而對(duì)開位則要求不高，只要開度大于全開閥位的50 %即可。為確保執(zhí)行機(jī)構(gòu)在接收到關(guān)閥指令后，閥門能夠關(guān)到位，且開閥過程中不會(huì)觸發(fā)力矩保護(hù)，故需對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的上述開、關(guān)閥位定值a，b進(jìn)行保守計(jì)算，重新計(jì)算如下:

關(guān)閥位值:a=d-2×D×10 %;

開閥位值:b=d+D×50 %。

在關(guān)閥時(shí)，將關(guān)行程繼續(xù)向關(guān)方向移動(dòng)觸發(fā)力矩保護(hù)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過力矩關(guān)動(dòng)作來確保閥門關(guān)到位;在開閥時(shí)，不需100 %到位，但也能保證有50 %以上的開度。閥位值的計(jì)算示意如圖4所示。

圖4 閥位值的計(jì)算示意

將新主控板裝入執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使用電腦與執(zhí)行機(jī)構(gòu)建立通信連接，通過電腦專用軟件將計(jì)算得出的開關(guān)閥位值寫入新主控板內(nèi)，即可完成對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的整定，并確保在日常運(yùn)行中閥門的可靠關(guān)閉。

4 故障在線處理的注意事項(xiàng)

在線處理執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障的過程中，由于涉及帶電操作，故在整個(gè)工作過程中需要特別注意安全，避免人因造成設(shè)備問題。

(1) 在線更換的宗旨是保持閥門的當(dāng)前狀態(tài)，故在對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障處理的過程中，必須保證全過程中閥門的位置不變，為此需對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)做好隔離。隔離方法如下:

① 就地選擇開關(guān)置于“停止”位，以防閥門誤操作;

② 根據(jù)實(shí)際工作需要將其動(dòng)作電源斷開;

③ 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反饋點(diǎn)存在外部48 V直流電源，在工作中需考慮其影響;

④ 根據(jù)需要在閥桿上增加夾具，鎖定閥門的當(dāng)前位置。

(2) 使用萬用表時(shí)，嚴(yán)禁使用電阻檔位，防止開閥或關(guān)閥信號(hào)接通，從而造成誤開或誤關(guān)閥門。

(3) 電子元件可能存在干擾問題，這給執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作帶來不確定性。根據(jù)需要在重要場合安排專人在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)上游動(dòng)力電源處進(jìn)行監(jiān)護(hù)，并同運(yùn)行操作人員保持全程聯(lián)系，以便應(yīng)對(duì)異常和極端工況。

5 結(jié)束語

由于工況不同且生產(chǎn)廠家各異，在實(shí)際工作中智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障種類繁多，因此上述在線缺陷處理方式也存在一定的局限性:

(1) 只能針對(duì)電氣元件的缺陷來處理，而且在處理的過程中還存在一些小的問題，如對(duì)關(guān)閥要求高的閥門難以做到對(duì)開閥的高要求;

(2) 對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)自身的要求也較高，需要生產(chǎn)廠家預(yù)留足夠的通信接口，開發(fā)配套的監(jiān)控軟件等;

(3) 需要前期對(duì)電動(dòng)頭的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，同時(shí)故障處理工作必須由具有大量缺陷處理經(jīng)驗(yàn)的人員來執(zhí)行。

為此，核電檢修工作者必須與時(shí)俱進(jìn)，歸納總結(jié)，創(chuàng)造出更多、更好、更實(shí)用的現(xiàn)場缺陷處理方法和理論，確保核電廠更加安全有效運(yùn)行。