劉海泉 顧勝前 汪 斌 溫 濤

(中國石油西南油氣田分公司重慶天然氣凈化總廠)

基于S7-1200 PLC的風(fēng)機控制系統(tǒng)典型故障分析與處理①

劉海泉 顧勝前 汪 斌 溫 濤

(中國石油西南油氣田分公司重慶天然氣凈化總廠)

介紹了天然氣凈化廠硫磺回收裝置風(fēng)機控制系統(tǒng)的組成和控制原理，總結(jié)分析在日常維護中遇到的典型故障及其原因，并給出了相應(yīng)的處理方法。

S7-1200 PLC 風(fēng)機控制原理 故障分析

風(fēng)機在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用，重慶天然氣凈化總廠硫磺回收裝置采用英格索蘭離心風(fēng)機，此風(fēng)機利用風(fēng)機動能提升空氣壓力、增加空氣能量，并將空氣運輸?shù)较掠蔚闹魅紵隣t對酸氣進行充分燃燒。為了保障安全生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，離心風(fēng)機控制系統(tǒng)采用S7-1200 PLC系列產(chǎn)品。根據(jù)用戶設(shè)定的壓力來實現(xiàn)控制風(fēng)機出口壓力的恒定，同時，PLC實時監(jiān)控風(fēng)機運行的電流、軸承溫度、振動、空氣流量及壓力等參數(shù)。該風(fēng)機控制系統(tǒng)主要由PLC及其功能模塊、執(zhí)行機構(gòu)、測量反饋部件(傳感器、變送器)等組成。

1 風(fēng)機基本控制原理

利用壓力變送器檢測風(fēng)機輸出空氣壓力值(被控制量)的實際值(PV)，PLC控制系統(tǒng)將輸出量的實際值與設(shè)定值(SP)(輸入量)進行比較得出偏差值，用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，使得輸出量維持期望的輸出。

英格索蘭離心風(fēng)機采用的是恒壓控制原理，即根據(jù)用戶的設(shè)定壓力來控制，主要根據(jù)系統(tǒng)壓力和電機電流來調(diào)節(jié)進氣閥和放空閥(旁路閥)的開度以達到恒壓控制，該風(fēng)機控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。

圖1 風(fēng)機控制系統(tǒng)示意圖

2 典型故障分析與處理

2.1 S7-1200 PLC(CPU-1415C)模式改變，風(fēng)機不能啟動

故障現(xiàn)象為：

a. 風(fēng)機供電正常，PLC控制柜各模塊供電正常，各檢測元件正常，各連接線正常；

b. 檢查入口閥、出口閥的初始狀態(tài)正常，發(fā)現(xiàn)放空閥定位器的顯示器無顯示，檢查該定位器電流輸入端無電流值；

c. 觀察PLC柜模擬量模塊(SM1231)、數(shù)字處理模塊(SM1221)和通信模塊(RS-485)LED燈點亮狀態(tài)正常，發(fā)現(xiàn)PLC控制器LED指示燈顏色為橙色，啟動風(fēng)機時無任何響應(yīng)。

從故障現(xiàn)象來分析，故障點有兩點：第1點是PLC的STOP/RUN指示燈狀態(tài)顯示橙色，PLC的工作模式已經(jīng)改變；第2點是出口閥定位器顯示器上無顯示，無顯示的原因是定位器無工作電流，而定位器的被控電流是從PLC控制器輸出的。經(jīng)詢問現(xiàn)場操作人員，了解到是儀表操作人員在更換通信模塊時，沒有及時斷開PLC工作電源造成此故障。

風(fēng)機采用的控制器為S7-1200系列， CPU型號為CPU1215C。 CPU有3種工作模式：RUN(運行)、STOP(停機)、STARTUP(啟動)。CPU的LED燈指示橙色，表示該CPU已經(jīng)處于停止模式(CPU狀態(tài)燈指示含義見表1)。STOP模式不執(zhí)行用戶程序，所有的輸出被禁止或按組態(tài)時的設(shè)置提供替代值或保持最后的輸出值[1]。檢測PLC到放空閥定位器的電流輸入端，無電流值，故定位器顯示器無顯示。

表1 CPU狀態(tài)指示燈含義

解決措施：通過雙絞線，利用S7-1200提供的集成Profinet接口與安裝有PLC編程軟件的計算機通信，將PLC由停止模式切換成運行模式，切換方法如圖2所示。

圖2 S7-1200與計算機通信界面

點擊圖2的右上方的RUN/STOP按鈕，當(dāng)由停止模式切換成運行模式時，其狀態(tài)指示為綠色，表示運行模式切換成功。同時，PLC模塊上的切換模式LED指示燈由橙色變成綠色。PLC從停止模式成功切換成運行模式時，PLC端口有信號輸出，放空閥的定位器有顯示閥位開度值。

在日常PLC和各模塊維護時，需要注意兩點：在更換與PLC連接的各功能模塊時需要在斷電情況下進行操作；更換同型號模塊時不用重新組態(tài)。

2.2 入口閥開度變大引起風(fēng)機啟動過程中出現(xiàn)過載或停機

故障現(xiàn)象為：正常啟動風(fēng)機時，風(fēng)機通過自檢后，電機開始運轉(zhuǎn)，但在電機運轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)了電機運行電流值超過設(shè)定的報警值(200A)而報警，當(dāng)電流值達210A時則停機。

啟動風(fēng)機后，其運行狀態(tài)為首先入口閥由全關(guān)至全開再運行到起始位(入口閥自檢)，其次電機開始運轉(zhuǎn)，同時打開出口閥，放空閥全開，最后系統(tǒng)進行恒壓控制。在查看與檢測電機的各項檢測參數(shù)時，未發(fā)現(xiàn)電機本身有任何問題，僅電機運行電流增大，空氣出口壓力、空氣流量已超出系統(tǒng)設(shè)定值。計算風(fēng)機空氣流量公式為：

F=C1·Amp3+C2·Amp2+C3·Amp+C4

式中Amp——風(fēng)機運行電流；

Ci——風(fēng)機系數(shù),i=1,2,3,4；

F——風(fēng)機入口流量，Nm3/h。

由上式可以看出，空氣流量與風(fēng)機運行電流組成一元多次方程。根據(jù)風(fēng)機的工作原理，風(fēng)機的“Q-H”性能曲線與管道阻力曲線的交點為風(fēng)機的工況點，故改變風(fēng)量的實質(zhì)是改變風(fēng)機的工況點。風(fēng)機通過節(jié)流調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)兩種方法來改變風(fēng)量。為了減少風(fēng)機的軸功率，節(jié)流調(diào)節(jié)是在風(fēng)機入口側(cè)安放圓管蝶閥，利用改變蝶閥轉(zhuǎn)角(即開度)來實現(xiàn)的[2]。

解決措施：減小風(fēng)機入口閥起始位，將以前的40%的開度設(shè)置在25%～30%范圍內(nèi)，否則風(fēng)機內(nèi)阻力太小，風(fēng)量太大，電機功率過高而電流超出報警值。

在減小入口閥起始位時應(yīng)注意兩點：入口閥起始位不能設(shè)置過小而引起喘振；啟動風(fēng)機前觀察入口閥實際起始位是否與系統(tǒng)設(shè)定的起始位相差甚大，否則需對入口閥執(zhí)行機構(gòu)進行調(diào)整。

2.3 執(zhí)行機構(gòu)不動作引起風(fēng)機停機

故障現(xiàn)象為：風(fēng)機出口閥、放空閥不動作，閥卡、閥位動作不到位等，引起風(fēng)壓系統(tǒng)一直超系統(tǒng)設(shè)置壓力，或是提升不到設(shè)定壓力，嚴重則引起風(fēng)機系統(tǒng)聯(lián)鎖。當(dāng)閥位動作不到位時，PLC接收不到閥位反饋信號也會引起風(fēng)機聯(lián)鎖停機。針對以上兩種故障情況采取相應(yīng)措施如下。

2.3.1 閥不動作

閥不動作一般表現(xiàn)在執(zhí)行機構(gòu)故障、泄漏；沒有氣源、氣源不足或氣源接頭破裂漏氣；PLC無輸出信號；閥桿、軸、閥內(nèi)件卡死、損壞；閥芯在閥座中卡死；閥門定位器故障等。

解決措施：依據(jù)由簡到繁的原則，檢查執(zhí)行機構(gòu)氣源壓力是否足夠、氣源管線接頭是否漏氣、檢查是否有控制信號、信號線接頭是否松動或氧化、電磁閥是否良好等。如以上都無問題，需要對閥體本身進行檢查維修。

2.3.2 閥卡

閥門在工業(yè)上投入使用后，在工況相對穩(wěn)定的情況下，閥門就長時間保持在一定范圍內(nèi)活動，隨著時間的推移，加之工業(yè)環(huán)境相對惡劣，閥門性能就會變差。在停機或是啟動時就經(jīng)常存在閥卡的現(xiàn)象。放空閥使用彈性閥座蝶閥，此閥采用橡膠密封，由于橡膠密封容易受溫度影響出現(xiàn)橡膠鼓包、老化等，最容易引起閥卡。

解決措施：更換閥門密封圈或閥門，也可對密封圈進行打磨使閥門輕松運動。

2.4 干擾引起控制系統(tǒng)紊亂

故障現(xiàn)象為：風(fēng)機在運行過程中，出現(xiàn)系統(tǒng)壓力超出設(shè)定壓力4～6kPa，風(fēng)機運行電流大幅波動，系統(tǒng)壓力始終降不到設(shè)定值附近，通過重新設(shè)置系統(tǒng)壓力，系統(tǒng)壓力仍然下降不了，從DCS系統(tǒng)中調(diào)出的故障曲線如圖3所示。

圖3 故障曲線

風(fēng)機入口流量范圍為 0～1 400m3，工況相對穩(wěn)定時的流量為860m3，風(fēng)機運行電流160A，電流聯(lián)鎖值為210A，風(fēng)機系統(tǒng)設(shè)定壓力為70kPa，系統(tǒng)壓力維持在68～72kPa范圍內(nèi)，放空閥開度范圍在20%～30%之間。

故障分析：

a. 放空閥受到干擾，開度關(guān)小使系統(tǒng)壓力上升。在故障曲線上的風(fēng)機入口流量(曲線④)的第1個谷點(15∶32∶34時刻)之前，系統(tǒng)壓力(曲線②)變化相對平緩，保持在設(shè)定值(曲線③)70kPa附近，風(fēng)機運行電流(曲線①)穩(wěn)定，但放空閥開度(曲線⑤)在逐漸關(guān)小?，F(xiàn)場檢查放空閥(氣開閥)工作狀態(tài)時，放空閥氣源穩(wěn)定，無泄漏發(fā)生，其供電正常，用標準儀器調(diào)校該閥無異常。由于PLC控制柜安裝在4臺大型電機中間位置，從安裝環(huán)境來看，難免會受到周圍交變磁場的干擾，故判斷該放空閥控制電流已經(jīng)受到干擾，使放空閥開度減小，最終使系統(tǒng)壓力升高，導(dǎo)致系統(tǒng)壓力在15∶32∶34時刻達到74kPa。

b. 入口閥動作太快造成風(fēng)機電流過載。當(dāng)系統(tǒng)壓力升高至74kPa(15∶32∶34時刻處)時，入口流量迅速減小，由正常的860Nm3/h下降至801Nm3/h，風(fēng)機電流由正常的162A下降至132A，放空閥開度由16%開至21%，系統(tǒng)這樣動作正好形成一個負反饋，使系統(tǒng)壓力下降至設(shè)定值附近。但此刻系統(tǒng)壓力還沒降下來時，入口流量在很短時間內(nèi)從801Nm3/h達到1 016Nm3/h，風(fēng)機電流很快達到報警值，風(fēng)機運行電流已經(jīng)過載，系統(tǒng)壓力上升至76kPa。而風(fēng)機入口流量也反映了入口閥的開度情況，風(fēng)機入口閥為進口電動蝶閥，由PLC輸出的脈寬調(diào)制信號控制電動蝶閥的開度，據(jù)資料顯示該閥快速動作會造成風(fēng)機喘振或過載，曲線④與曲線①正好驗證了風(fēng)機入口閥動作太快造成了風(fēng)機運行電流過載的說法。

c. 系統(tǒng)電源波動引起控制系統(tǒng)紊亂。由于風(fēng)機入口流量瞬間增大之后，放空閥開度在短時間內(nèi)關(guān)閉，而入口流量不穩(wěn)定，風(fēng)機運行電流接著大幅度波動，引起控制系統(tǒng)電源不穩(wěn)定，出現(xiàn)了系統(tǒng)控制紊亂，由負反饋變成了正反饋，使系統(tǒng)壓力一直升高，即使重新設(shè)置較小系統(tǒng)壓力(曲線③的第1個拐點)系統(tǒng)壓力同樣不能下降。

解決措施為：切換備用風(fēng)機，再次設(shè)小被切換風(fēng)機的系統(tǒng)壓力(曲線③的第2個拐點)，使放空閥打開，入口流量減小，系統(tǒng)壓力下降，當(dāng)風(fēng)機滿足切換條件時斷開被切換風(fēng)機電源。

被切換的風(fēng)機停下后需進行的工作：檢查控制系統(tǒng)接地線是否良好；控制系統(tǒng)周圍存在磁場，合理選擇控制柜安裝地點，或選用具有良好抗磁干擾的控制箱；斷開控制電源，冷啟動PLC控制器，使程序控制功能恢復(fù)正常；檢查風(fēng)機的傳感器性能是否良好；測試入口閥、放空閥和出口閥的動作是否良好。

2.5 通信故障

故障現(xiàn)象為：風(fēng)機通信模塊采用RS-485，信息傳輸至中控室需轉(zhuǎn)換成Profibus-DP通信協(xié)議。通信線路斷開，中控室的顯示器上出現(xiàn)無效數(shù)據(jù)；兩臺風(fēng)機的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸都會經(jīng)過中控室采用同一個Profibus-DP通信協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，造成監(jiān)測數(shù)據(jù)因干擾引起數(shù)據(jù)跳變現(xiàn)象。

解決措施：通信線路斷開主要是接線頭容易松動或氧化造成的，也可能被老鼠咬斷。在日常維護時需要定期檢查接線頭，用砂紙除去氧化層，中心控制室做好防鼠措施。通信線路已經(jīng)被損壞的，需要重新敷設(shè)通信線纜。為了使每臺風(fēng)機的通信不受相互干擾，需對每臺風(fēng)機單獨配置通信協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，在組態(tài)中分別設(shè)置通信地址。

3 結(jié)束語

根據(jù)天然氣凈化廠風(fēng)機控制系統(tǒng)的組成特點，中央控制器采用了比S7-200 PLC系列功能更強大的控制器S7-1200 PLC。這兩種控制器在使用和維護方面都有所不同，S7-1200 PLC的工作模式只能通過軟件來切換，需清楚PLC在不同模式下的特點，更需要注意的是更換S7-1200 PLC外圍功能模塊時不支持在線更換；風(fēng)機入口閥采用了不同于氣動類型的電動蝶閥，利用PLC輸出的脈寬調(diào)制信號控制其開度，入口閥的開度和起始位置與風(fēng)機運行電流有著密切的聯(lián)系。而PLC的輸入、輸出信號和通信都容易受到工業(yè)環(huán)境的干擾引起參數(shù)跳變、系統(tǒng)紊亂等故障現(xiàn)象。對于不同的故障現(xiàn)象，要分析判斷產(chǎn)生故障的原因，對癥下藥，實施最佳的處理手段。在檢維修過程中一定要堅持由外到內(nèi)、由簡到繁的檢維修原則，把“病因”從根本上清除。

[1] 廖常初.S7-1200 PLC編程及應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[2] 高玉瑟，陳銘年，王彥聲.小型高壓離心式風(fēng)機的風(fēng)量隨圓管蝶閥開度變化的規(guī)律及其應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，1983，(1)：46～51.

TH865

B

1000-3932(2017)08-0798-04

2017-03-09)

劉海泉(1988-)，助理工程師，從事化工儀表的維護工作，410315012@qq.com。