李忠博

（中國石油錦州石化公司，遼寧 錦州 121000）

電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)在石化企業(yè)過程控制領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，特別是應(yīng)用在催化裂化裝置特閥控制等對控制精度和可靠性要求極高的場合［1］。催化裂化裝置如再生滑閥、待生滑閥以及控制再生器壓力的雙動滑閥等關(guān)健可調(diào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)跑位故障引發(fā)裝置停產(chǎn)的事故時有發(fā)生，而故障概率高的特閥如煙機(jī)入口蝶閥、主風(fēng)機(jī)靜葉可調(diào)執(zhí)行機(jī)構(gòu)拒動、鎖位故障則會造成特閥及其控制系統(tǒng)進(jìn)入危險失效狀態(tài)，進(jìn)而對機(jī)組運(yùn)行及生產(chǎn)過程構(gòu)成嚴(yán)重威脅［2~4］。

某石化公司2催化、3催化裝置有電液蝶閥、滑閥、閘閥等特閥共20臺。其電液控制系統(tǒng)主要有九江長江儀表廠生產(chǎn)的EHS型電液控制系統(tǒng)10臺、蘭煉機(jī)械廠生產(chǎn)的LBZN型電液控制系統(tǒng)8臺和九江環(huán)球廠生產(chǎn)的BLF型電液控制系統(tǒng)2臺。

EHS智能電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)是根據(jù)各種特殊控制閥門對其精確閥位控制系統(tǒng)應(yīng)具有的可靠性、先進(jìn)性、實(shí)用性需求，開發(fā)的機(jī)、電、液一體化的新技術(shù)產(chǎn)品。其控制系統(tǒng)采用西門子S7-200型PLC為核心控制器；系統(tǒng)就地顯示部件采用紅色高亮度數(shù)碼管，系統(tǒng)輸出部分采用高性能固態(tài)繼電器，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，可靠性高［5~7］。通過與DCS/SIS通訊，可實(shí)現(xiàn)對閥位控制系統(tǒng)各參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。但是，在長周期運(yùn)行過程中，電液執(zhí)行控制系統(tǒng)不可避免的出現(xiàn)包括傳感器、控制器和液控閥在內(nèi)的不同部位的各類故障［8~10］。文中總結(jié)了公司近年EHS電液控制系統(tǒng)出現(xiàn)的典型故障，通過深入研究系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制原理，分析出故障原因，并提出主動維護(hù)策略。

1 EHS電液控制系統(tǒng)

1.1 EHS液壓控制系統(tǒng)

EHS液壓控制系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 EHS電液控制系統(tǒng)

圖中邏輯球閥YS為主控閥，它接收來自控制操作器的指令信號，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)油缸C運(yùn)行到指定位置，同時顯示閥位位置。YS上備有手動按鈕，可在斷電的狀態(tài)下，實(shí)行液壓手動控制。

1.2 EHS電氣控制系統(tǒng)

EHS電氣系統(tǒng)原理見圖2。

圖2 EHS電氣系統(tǒng)原理圖

PLC接收4~20 mADC控制信號，同時接收閥位傳感器反饋信號（4~20 mA）后進(jìn)行比較，若產(chǎn)生偏差信號，則對差值進(jìn)行放大，輸出24 V DC電壓去控制電磁邏輯球閥工作。若有正向差值，則電磁邏輯球閥（或電磁換向閥）正向線圈通電，使閥正向移動。若有負(fù)向差值，則電磁邏輯球閥負(fù)向線圈通電，使閥負(fù)向移動。于此同時對閥位信號進(jìn)行（0~100%）顯示和輸出（4~20 mA）到控制室。

2 EHS電液控制系統(tǒng)故障分析及維護(hù)策略

2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)跑位故障

選取該石化公司2起由于EHS系統(tǒng)故障導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)跑位典型案例進(jìn)行分析，故障發(fā)生時間及后果見表1。

表1 3催化EHS電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)跑位典型故障

2.1.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)跑位故障原因分析2014年9月15日，3催化裝置主風(fēng)機(jī)靜葉突然跑位，導(dǎo)致主風(fēng)機(jī)進(jìn)入安全運(yùn)行狀態(tài)。15時46分主風(fēng)機(jī)停機(jī)，裝置停產(chǎn)。經(jīng)檢查是靜葉電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電磁球閥故障，導(dǎo)致靜葉跑位。

2015年10月，3催1再雙動西滑閥突然跑位，閥位從50%開到100%閥位，過程時間為10 s，造成一再壓力大幅波動。經(jīng)檢查，2起故障均源于油路含雜質(zhì)，閥門動作時隨動力油流到球閥內(nèi)，電磁球閥堵塞，導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)跑位。

2.1.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)跑位主動維護(hù)策略根據(jù)故障分析可以得出結(jié)論：

（1）導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)跑位的根本原因是動力油含雜質(zhì)，達(dá)不到過濾精度。而電磁球閥內(nèi)部鋼球的活動間隙僅為2 mm，一旦油路中含較大雜質(zhì)，則可能會導(dǎo)致鋼球卡澀，執(zhí)行機(jī)構(gòu)跑單向；

（2）當(dāng)閥位無須動作時，電磁球閥不上電，能使閥位鎖定不動，即僅靠電磁球閥鎖位。

針對上述問題，提出定期更換系統(tǒng)動力油及濾芯的制度，增加查看濾芯報警信息的巡檢內(nèi)容，以防止動力油過濾精度不達(dá)標(biāo)。為了提高系統(tǒng)本質(zhì)安全水平，提出增加獨(dú)立液壓鎖。方案為在邏輯球閥YS輸出端與油缸之間加裝獨(dú)立液壓鎖由YC3、YC4組成，受2位3通電磁球式換向閥YD控制，與主控閥YS一起實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制實(shí)時鎖定，系統(tǒng)配置見圖3。

圖3 EHS增加獨(dú)立液壓鎖后系統(tǒng)

2.1.3 主動維護(hù)效果于2016年裝置大修時，所有EHS電液控制系統(tǒng)均新增獨(dú)立液壓鎖，生產(chǎn)單位嚴(yán)格按照制度更換動力油及濾芯。系統(tǒng)運(yùn)行至今，EHS系統(tǒng)再未出現(xiàn)跑位故障，基本解決了困擾多年的滑閥跑位問題。

2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)拒動故障

選取某石化公司2起由于EHS系統(tǒng)故障導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)拒動典型案例進(jìn)行分析，故障發(fā)生時間及后果見表2。

表2 3催化EHS電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)拒動典型故障

故障發(fā)生后，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)判斷為電磁球閥故障，更換電磁球閥即可。然而，2019年8月，3催煙機(jī)入口蝶閥拒動，更換主控閥后，測試發(fā)現(xiàn)當(dāng)油壓為9 MPa時，給定與回訊偏差≥1.5%時，閥門才動作，在偏差＜1.5%時，閥門不動作。

在PLC程序中，當(dāng)給定與回訊的偏差≥1.5%時，電磁球閥一直打開，當(dāng)偏差＜1.5%時，用40 ms短脈沖控制電磁球閥開閥。因此，根據(jù)現(xiàn)象判斷為當(dāng)偏差＜1.5%時，電磁球閥未及時動作，油路未導(dǎo)通導(dǎo)致閥門不動作，即該電磁球閥在9 MPa油壓下，響應(yīng)時間大于40 ms。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定，在9 MPa的油壓下，電磁球閥響應(yīng)時間為45 ms；在7 MPa的油壓下，電磁球閥響應(yīng)時間為40 ms。因此，修改PLC程序，當(dāng)把脈沖時間調(diào)整為50 ms時，油壓在7~9 MPa之間，閥門精度可達(dá)到0.2%，且無超調(diào)。此時，切換到備控閥，發(fā)現(xiàn)偏差給定與回訊的偏差＜0.8%時，閥門不動作。即備控閥與主控閥響應(yīng)時間不一致。把備控閥更換為與主控閥同一批次產(chǎn)品后，閥門動作正常。

2.2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)拒動故障原因分析電磁球閥液控原理見圖4。

圖4 電磁球閥液控原理

將拒動的電磁球閥解體檢查，發(fā)現(xiàn)鋼球、底座有磨損情況，鋼球和底座之間的行程變大，當(dāng)電磁閥上電時，鋼球需要更長的時間才能動作到位，即電磁球閥的響應(yīng)時間變長。在脈沖寬度不變的情況下，電磁球閥來不及完全打開，造成閥門不動作。根據(jù)檢修的經(jīng)過，可以得出結(jié)論：

（1）隨著電磁球閥動作次數(shù)的增加，鋼球和底座的磨損越來越嚴(yán)重，造成鋼球的動作行程變長，電磁球閥的響應(yīng)時間變長。當(dāng)脈沖寬度不足以驅(qū)動鋼球動作時，閥門會拒動；

（2）系統(tǒng)油壓對電磁球閥的響應(yīng)時間有影響，在工作壓力范圍內(nèi)，油壓越高，電磁球閥響應(yīng)時間越慢。原因是動力油壓力越高，電磁球閥內(nèi)鋼球動作時就要克服更大的阻力。

2.2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)拒動主動維護(hù)策略根據(jù)以上結(jié)論，可以得出：

（1）電磁球閥的動作次數(shù)是關(guān)鍵參數(shù)之一，據(jù)此提出電磁球閥的壽命管理。為了便于統(tǒng)計數(shù)據(jù)，將電磁球閥的動作次數(shù)通過PLC通訊上傳到DCS/SIS畫面中。

選取2催化裝置煙機(jī)入口蝶閥、循環(huán)滑閥，3催化裝置煙機(jī)入口蝶閥、1再雙動西滑閥共4臺閥門的近5 a的動作次數(shù)及故障記錄。可以總結(jié)出電磁球閥的動作次數(shù)約500×104次，其響應(yīng)時間就會明顯變長，原脈沖寬度就不足以驅(qū)動電磁球閥動作，需要進(jìn)行維護(hù)；

（2）通過試驗(yàn)，得出當(dāng)系統(tǒng)油壓位于7~9 MPa時，電磁球閥性能最好。因此，將原停泵值10 MPa修改為9 MPa，以提高電磁球閥響應(yīng)時間，延長其使用壽命。

2.2.3 主動維護(hù)效果根據(jù)壽命管理要求，2020年8月，對動作次數(shù)已經(jīng)達(dá)到約480×104次的2催化煙機(jī)入口蝶閥主控閥進(jìn)行更換，將舊閥返廠，并解體檢修，發(fā)現(xiàn)部分鋼球有明顯磨損情況。如果不進(jìn)行及時更換，可能會導(dǎo)致煙機(jī)入口蝶閥拒動，造成生產(chǎn)波動。

調(diào)整系統(tǒng)油壓后，目前已動作近300×104次，解體電磁球閥，發(fā)現(xiàn)鋼球幾乎沒有磨損痕跡，驗(yàn)證了降低系統(tǒng)油壓有助于提高電磁球閥壽命。

2.3 系統(tǒng)誤報警

在系統(tǒng)運(yùn)行期間，3催煙機(jī)入口蝶閥、氣壓機(jī)出口閘閥曾出現(xiàn)多次油箱油管溫度開路報警。而且當(dāng)冬季低溫天氣時，SIS畫面不能正常顯示零下溫度。而油溫作為反應(yīng)油泵運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的重要參數(shù)，必須要正常顯示。

2.3.1 誤報警故障原因分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)油溫報警時，打開現(xiàn)場控制箱，發(fā)現(xiàn)PLC的EM231-RTD卡件報警。檢查現(xiàn)場熱電阻信號正常，判斷為卡件故障。

對于冬季油溫零下時SIS畫面不能正常顯示問題，首先測量現(xiàn)場熱電阻信號正常。然后，檢查溫度信號的通信。

3催SIS系統(tǒng)為Triconex TS3000系統(tǒng)，EHS電液執(zhí)行控制系統(tǒng)為西門子S7-200PLC；控制系統(tǒng)的各類診斷信息均由EHS現(xiàn)場PLC控制器發(fā)出，SIS系統(tǒng)通過Modbus通訊，讀取現(xiàn)場的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

通過測試PLC及SIS程序發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場PLC能正常輸出零下溫度信號，而SIS系統(tǒng)的TriStation 1131軟件中，讀取Modbus數(shù)據(jù)的MBREAD_DINT功能塊只能接收正數(shù)，因此當(dāng)溫度為零下時，畫面顯示不正確。

2.3.2 誤報警故障主動維護(hù)策略PLC RTD卡故障報警問題，是由于西門子EM231-RTD卡工作不穩(wěn)定導(dǎo)致，其可靠性低于普通EM231 AI卡，因此提出采用現(xiàn)場加溫變，將熱電阻信號轉(zhuǎn)換為4~20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號，再連接到AI卡上，以提高設(shè)備可靠性。

針對SIS系統(tǒng)不能顯示零下溫度問題，提出在現(xiàn)場PLC和SIS中做出程序修改，即在現(xiàn)場PLC中，在將溫度信號通訊前，先將實(shí)際溫度加某一溫度值（例如50℃），把要通訊的數(shù)據(jù)變成正數(shù)，然后再進(jìn)行通訊，并在SIS程序中，將信號再減去此溫度值，變成真實(shí)信號，解決了由于SIS功能塊不能通訊負(fù)數(shù)的問題。

2.3.3 主動維護(hù)效果在2019年裝置大檢修期間，將3催煙機(jī)入口蝶閥和1再雙動西滑閥控制系統(tǒng)升級，取消EM231-RTD卡，現(xiàn)場增加溫度變送器。同時按上述方案修改PLC和SIS系統(tǒng)程序。整改完成后，系統(tǒng)至今未發(fā)生誤報警故障。

3 結(jié)束語

通過總結(jié)某石化公司EHS電液控制系統(tǒng)典型故障案例，深入研究電液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制原理，分析得出執(zhí)行機(jī)構(gòu)誤動、拒動和誤報警的根本原因，并提出主動維護(hù)策略：

（1）針對執(zhí)行機(jī)構(gòu)誤動問題，提出制定動力油系統(tǒng)主動維護(hù)策略；并增加獨(dú)立液壓鎖，提高電液控制系統(tǒng)的本質(zhì)安全水平。

（2）針對執(zhí)行機(jī)構(gòu)拒動問題，分析得出影響電磁球閥響應(yīng)時間的兩個要素及規(guī)律，即系統(tǒng)油壓和動作次數(shù)，且在一定范圍內(nèi)，油壓越低，電磁球閥響應(yīng)時間越快。提出主動維護(hù)策略：將系統(tǒng)油壓調(diào)整為7~9 MPa，對電磁球閥動作次數(shù)也進(jìn)行了壽命管理。

（3）針對控制系統(tǒng)誤報警問題，判斷為溫度卡件故障和SIS系統(tǒng)通訊功能塊問題。提出取消PLC溫度卡件，增加現(xiàn)場溫度變送器，將4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號連接至AI卡。在程序中修改程序解決了SIS功能塊不能通訊負(fù)數(shù)問題。

參照文中提出的主動維護(hù)策略實(shí)施后，目前EHS電液控制系統(tǒng)未出現(xiàn)誤動和拒動現(xiàn)象，保證了催化裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。對于有問題的電磁球閥進(jìn)行有針對性的維修，避免以往整體訂購備件的方法，節(jié)約了維修費(fèi)用，響應(yīng)了降本增效號召。