Symphony控制系統中閥門伺服控制卡的故障分析與預防

李 雷，劉 冰

(大唐安徽淮南洛河電廠，安徽 淮南 232008)

1 機組概況

某發電有限公司5，6號機組鍋爐由上海電氣集團股份有限公司制造，為超臨界變壓運行直流鍋爐，采用Π型布置、單爐膛、四角切圓燃燒方式、一次中間再熱、平衡通風、露天布置、固態排渣、全鋼懸吊結構。汽機是由上海汽輪機有限公司制造的超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機，發電機是由上海汽輪發電機有限公司生產的自并勵靜態勵磁發電機。

機組控制系統采用美國ABB貝利控制有限公司的Symphony分散式控制系統。該控制系統主要包括：數據采集系統(DAS)、模擬量控制系統(MCS)、順序控制系統(SCS)、旁路控制系統(BPS)、爐膛安全監控系統(FSSS)、汽機數字電液控制系統(DEH)、給水泵汽機控制系統(MEH)以及電氣系統(ECS)等。

5，6號機組在5年多的運行時間里，汽機數字電液控制系統(DEH)與給水泵汽機控制系統(MEH)的硬件多次發生故障，影響了機組的安全運行。尤其是閥門伺服控制卡(IMHSS03)的故障率較高，該模件是Symphony分散式控制系統中專門用于控制汽輪機轉速的伺服閥位置的控制模件。由于600 MW超臨界機組的汽輪機負荷控制只有4個高調門，因此該模件一旦發生故障，就會影響機組的安全穩定運行。針對該模件的異常現象和實際故障情況，以下進行分析。

2 IMHSS03模件工作原理

2.1 IMHSS03模件的功能

IMHSS03模件是控制器模件與伺服閥之間的接口，對液壓執行機構提供手動或自動控制功能。DEH系統通過IMHSS03模件對汽輪機的高壓主汽門、高壓調節汽門位置進行精確控制。該模件通過調整送到伺服閥的電流，可以改變油動機的位置。液壓執行機構就可以通過該信號定位汽輪機的蒸汽調節閥。隨著閥門開度大小的變化，可以調整進入汽輪機的蒸汽流量，從而控制汽輪機的轉速或負荷。線性差動變壓器(LVDT)為液壓伺服子模件提供油動機的位置反饋。IMHSS03模件與頻率計數模件IMFCS01以及控制器模件一起工作。控制器根據從FCS模件輸入的數據計算汽輪機轉速或負荷，再按照預定的控制策略驅動伺服閥的輸出。

2.2 IMHSS03模件的結構與原理

IMHSS03模件包括中央處理器(CPU)、存儲器與通訊線路的智能模件。二級放大器組成的具有調節功能的智能控制器，占模件安裝的1個標準槽位。IMHSS03的控制輸出為PI運算(比例＋積分運算)的結果。同時，在IMHSS03的控制輸出回路中，引入了汽輪機跳閘偏置信號(TRIP BIAS)，保證各個調節閥的可靠關閉。

IMHSS03模件的控制原理如圖1所示。其中：CW為控制總線；BRC為相互冗余的橋式控制器；LVDT為閥門位置發送器；COIL為伺服閥線圈；NIS為網絡接口模塊；NPM為接口處理模塊。

圖1 IMHSS03模件的控制原理

IMHSS03在汽輪機轉速或負荷的控制過程中，完成對高壓主汽閥、高壓調節閥、中壓調節閥門的開度控制。由操作員或工程師發出指令，經網絡接口模塊(NIS)和接口處理模塊(NPM)；再由控制總線(CW)傳遞到橋式控制器(BRC),由BRC將數據傳遞至IMHSS03，由IMHSS03控制模件控制油動機的行程；同時LVDT通過差動信號將閥門的位置反饋送至IMHSS03。中央處理器(CPU)對指令和反饋信號進行比較處理后，把控制數據進行D/A轉換，形成電流指令驅動伺服閥。同時，中央處理器(CPU)還要擔負處理其他事件的功能，如信息通信管理、控制模件故障自診斷功能以及輸入/輸出故障報警功能等。

采用Symphony系統的DEH控制系統采用1只LVDT位置傳感器，由IMHSS03在LVDT初級線圈上提供400～15 000 Hz頻率的激勵電壓(FC55選擇大、小等級)。LVDT次級線圈是2組反向纏繞的繞組，在LVDT次級得到一個與油動機位置信號成正比的差動電壓信號，IMHSS03將這一差動電壓信號轉換為數字量并傳遞給BRC。BRC根據在閥門校驗期間所建立并存儲的組態數據，把LVDT的差動電壓信號，變成油動機位置信號，并進行自診斷。

如果發生IMHSS03與BRC通訊中斷的情況，IMHSS03提供一個輸入接口，由操作人員手動控制機組的安全運行。同時，IMHSS03模件還提供跳閘偏置電路，在需要時能及時關閉所有調門，以確保機組的安全。

IMHSS03模件是用I/O通道的保險作為保護的，當外回路LVDT的接線和伺服閥的接線發生短路時，會燒壞IMHSS03模件上的保險電阻，有時甚至可能會引起電源部分的損壞。這就要求在檢修汽機閥門的LVDT或更換伺服閥時，一定要事先拔出IMHSS03模件。

IMHSS03模件的主板上有2塊子模件板，在運行中如果子模件板接觸不好，則有可能會造成反饋信號丟失或發生模件故障，因此在卡件檢修或安裝前一定要對模件上的子模件板進行緊固，以保證模件工作的正常。

通過在工程師站軟件上在線監視FC55號功能碼的N+6模件狀態、N+7 LVDT狀態，對照功能碼手冊查閱，可以很快找到模件故障問題。

3 IMHSS03模件的典型故障及解決辦法

3.1 IMHSS03模件的典型故障

故障1：2012年6月，5號機組正常運行時，3號高調門突然關閉，經過運行人員的一系列調整處理，機組恢復正常運行。2013年9月，6號機組正常運行時，1號高主調門突然關閉，造成6號機組大幅度降負荷，汽輪機軸承溫度快速上升，嚴重影響機組的安全運行。

故障2：2011年10月，6號機組2號高調門在機組正常運行時出現振蕩，造成EH油管路也隨之振蕩，機組負荷也在波動。以后該機組又多次出現類似現象。

故障3：2010年6月，在6號機組停運檢修期間，做汽輪機相關試驗時，發現由于“EH油壓低”信號一直存在，汽輪機掛不上閘。仔細查找EH油管路卻沒有發現泄露點，EH油箱油位正常，后來發現伺服閥表面溫度較高，內部有EH油流動的聲音。把IMHSS03拔出后，EH油壓瞬間恢復正常。

3.2 IMHSS03模件故障的分析與處理

針對故障1，熱控人員經過認真仔細的檢查，發現IMHSS03模件的狀態報警燈閃爍報警，用萬用表在端子上測到伺服閥線圈的輸出電流為0,確認為IMHSS03模件本身故障，更換新的IMHSS03模件后，調門控制正常。仔細檢查更換下的模件后，確認是IMHSS03模件的輸出功率放大器故障。造成故障的原因主要是IMHSS03模件質量問題，其抗電源擾動能力不強，帶負載能力較弱。

針對故障2，熱控人員首先對測量線路進行屏蔽檢查，并對可能造成干擾的疑點進行處理。另外，由于IMHSS03本身是一個PID控制器，它在設計中將I(積分)、D(微分)固定為常數，可調整的控制參數即為比例增益，增大增益就是降低了系統的穩定性，但可提高系統響應速度。因此，對IMHSS03模件的比例增益進行了適度的降低調整，并且對閥門位置傳感器LVDT也進行了校對、緊固和重新調整，解決了調門振蕩的問題。

針對故障3，由于IMHSS03模件在硬件上有一個P+I的環節，因閥位指令與閥門反饋一直存在偏差，積分環節一直在起作用，使得閥門指令輸出最終達到最大值，造成伺服閥中進、回油始終處于通路狀態，EH油壓下降較多。處理的重點是要重新確定各個閥門的位置開度，確保其在LVDT的線性范圍內，在停機狀態下，確保調門的反饋要略高于指令。這樣，即使P+I環節起作用，但因為是負偏差，指令的輸出始終是負的最大值，不會對伺服閥中的油路造成影響。此后，在每次停機時都會對各個調門的反饋信號進行檢查調整，并在DEH中將機組跳閘后的指令信號置為-1 %，徹底解決了這個問題。

4 采取的措施

IMHSS03模件在運行中頻繁調節，功耗相對較大，這也是造成IMHSS03模件頻繁發生故障的原因之一。為了保證控制模件能長期正常運行，減少故障的發生，建議采取以下改進措施。

(1)環境方面：保持控制模件工作環境干凈，模件表面灰塵多，容易使模件散熱條件變壞，造成元器件損壞，也容易使控制模件表面產生大量的帶電離子，從而產生靜電，損壞控制卡件。

(2)電源方面：要盡可能保持電源穩定，模件上的電源與通訊模件接口預制電纜部分接觸要可靠，防止因接觸不良使得電源電壓不穩定。

(3)LVDT方面：由于IMHSS03模件要向LVDT的原邊提供激勵電壓，如果激勵電壓過高也會使得IMHSS03模件負擔太重，從而誘發故障。因此，在滿足運行條件的情況下，要盡可能降低激勵電壓；做好LVDT的安裝與接線工作，每次停機都要對接線進行緊固檢查，防止接線接觸不良。要做好電纜的屏蔽工作，防止強靜電干擾誤入控制卡件。同時還要盡量選擇內阻較小的LVDT，降低IMHSS03控制卡件的負載。

(4)機組停運時，閥位指令要與閥門位置反饋信號平衡，否則在硬件模件積分的作用下，會造成伺服閥發生偏移，從而造成EH油壓降低。

(5)TRIP BISE(汽機跳閘指令偏置)指令在停機后應消失，否則會因為伺服閥內滑閥一直在偏移狀態，使得EH油壓過低，造成機組下次啟動掛不上閘，同時也會對伺服閥的壽命造成很大影響。