除鹽水控制系統氣動閥門拒動故障分析

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機組共用一套淡水除鹽處理設備，系統接收前置淡水廠來水，經過雙濾料過濾、一級反滲透處理和兩級離子交換器的過濾和脫鹽等工藝過程，向SER和SED系統提供符合水質要求的除鹽水。

圖1 除鹽水PLC控制系統配置圖

控制系統采用Profibus-DP總線通信技術的主、從站結構。由2臺上位機（工程師站與操作員站）、2套S7-400H冗余控制器主站和7個ET200M分布式I/O從站組成，見圖1。整個系統由管理層、控制層和現場設備層3部分組成。上位機管理層采用以太網卡P4型研華工控機和WinCC 7.0操作界面，實現全圖形顯示、報警記錄、測量值采集和PLC通信等功能，在YA控制間對除鹽水生產與貯存系統進行集中監視和控制。PLC主站2臺CPU互為熱備用，構成冗余結構。兩套西門子S7-400H冗余控制器主站和7個ET200M分布式I/O從站組成中間控制層。壓力、流量、液位等常規過程變量遠傳儀表，電導率、Na+濃度、pH值等化學分析儀表，風機、泵與變頻器、電動閥門和氣動閥門等工藝現場設備組成現場設備層，司職采集現場工藝參數和執行上層控制指令。

上位機管理層通過雙絞線和交換機與2套PLC主站進行數據通信，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現，現場設備通過硬接線與從站中的I/O模塊連接。3個層次緊密銜接，組成整個控制網絡，完成信息采集和命令發送。

現場設備層中，氣動閥門作為生產工藝管道上控制介質流通與截止的一類執行部件，其是執行機構以壓縮空氣為動力的開關兩位閥門，通常由過濾減壓裝置、行程開關、電磁閥、氣動執行機構以及閥門本體等部件組成。氣動閥門具有啟閉速度快、操作靈活等優勢特點，頻繁應用于除鹽水系統中間過程環節。閥門拒動、誤動、動作不到位等故障現象，將直接影響所處過程環節的順控程序執行、中斷生產，導致工藝系統各環節之間無法流暢銜接，對整個除鹽水控制系統的運行引入停運風險。

二、PLC系統氣動閥門的遠程控制

1.WinCC與PLC的建立通信連接

將WinCC與PLC之間需要通信的數據，包括變量名、數據類型、地址等定義變量，以完成WinCC與PLC之間的數據通訊。在圖形編輯器中，用基本元件或圖形庫中的對象制作生產工藝流程監控畫面，將變量與每個對象連接，即相當于畫面中各對象與現場設備相連，實現在畫面上監視和控制現場設備。根據所采用的通信協議在變量管理器（Tag Managennent）中選擇通信驅動程序，并選擇期望的通道單元，為該通道單元組態邏輯連接。設置邏輯連接節點名、網絡地址與PLC中的設置地址相同，建立WinCC與PLC之問的通信連接。

2.控制指令的傳遞

遠程模式下，氣動閥門的控制指令由上位機至就地氣動執行機構。上位機工作站WinCC監控畫面的閥門操作命令通過以太網數據通信傳輸，下送至PLC控制器；PLC控制器對收到的命令進行綜合運算處理，再將運算結果的內部電平信號通過一個數字量輸出卡件的唯一指定通道，以24 V外部電平信號形式向下游繼電器機架傳送。機架上相對應的DC24 V繼電器常開觸點“閉合”（常開觸點通過硬接線接入就地的電磁閥供電控制回路），供電控制回路導通，電磁閥得電，控制壓縮空氣的氣路換向切換，使得氣動閥門執行機構動作，實現閥門的上位機遠程操控。

上位機操作站開啟閥門，操作指令傳至控制層，調用 PLC程序中的閥門控制模塊進行綜合運算處理，判斷開啟條件是否滿足，在各引腳輸入狀態正常情況下，由Q0.0點發出開閥指令OD，在線監視該模塊。PLC開閥命令Q0.0已發出，可通過觀察相應DO卡件的對應通道LED指示是否點亮確定。

觀察下游繼電器線圈是否得電吸合。繼電器得電，常開觸點閉合，并通過硬接線接入就地電磁閥箱，電磁閥DC24 V供電形成回路，見圖2。電磁閥得電，切換進氣方向，使氣動執行機構動作，從而控制閥門開啟。

圖2 電磁閥的控制接線原理圖

三、故障現象

系統調試及運行接產期間，氣動蝶閥動作故障問題出現頻率較高，由于氣動閥門的故障查找涉及控制回路、閥門本體及執行機構問題，屬于維修部門儀控和機械兩個專業的接口部件，作為維護人員，如何快速準確的定位問題所在，采取有效的處理方式，對整個除鹽水系統的正常運行有著重要意義。

四、故障分析

1.監控層畫面組態

WINCC中閥門畫面的組態采用調用兩層腳本的形式實現。在監控畫面上點擊操作的閥門時，彈出一個標準的操作窗口（包括打開、關閉、位置反饋、狀態信息等），這是第一層腳本調用，所有的閥門在進行操作時都進行此窗口調用。而具體位號的閥門的數據變量信息以變量組的類型鏈接在第二層腳本中（C語言腳本），在C腳本中寫入變量信息。

當出現畫面層組態鏈接錯誤時，會出現被操作閥門拒動故障，由于閥門的鏈接是以變量組的形式進行組態，出現鏈接錯誤時是一個整體故障出現，不會出現其中單一變量的鏈接故障。通常它的表現是，對一個閥門相應操作時，另外一個不相干的閥門卻產生動作。

2.PLC控制指令

開關控制指令的產生經過相應邏輯程序的運算過程，單電控（或雙電控）的動作閥門的控制邏輯是一致的，對閥門數量較多的PLC系統，通常將單電控或雙電控的閥門邏輯制作封裝成標準的FB功能塊，同類型閥門的可直接調用此塊，同時對功能塊各項參數引腳分配數據點。

在這個環節的檢查中，首先需要檢查確認數據點位鏈接是否存在錯誤。由于編程人員再做這部分的梯形圖編程過程與修改，時常會復制已有閥門編程數據，然后再對復制的塊各參數進行修改，所以在修改過程中，可能有遺漏的內容，而這些遺漏內容將造成邏輯程序執行錯誤。其次，數據點位鏈接沒有問題時，點擊S7管理器工具欄中“眼鏡”標識（在線監視按鈕），進行在線監視。

通過狀態在線的過程，可以清楚當前閥門數據塊中的各項參數，如遠程/就地狀態、手/自動狀態、手/自動開關閥輸入、保護開/關，閥門位置反饋和電氣故障等點位數據信息，并結合調用塊中的開關控制邏輯程序，予以定位在程序運算處理環節中存在的故障。

圖3 電磁閥切換示意圖

3.輸出卡件及通道狀態

在已確認程控指令經過PLC處理發出后，說明來自軟件方面（畫面組態和邏輯程序）的原因已排除，接著，需要確認數字量DO卡件的工作狀態。

利用西門子STEP 7軟件的模塊自診斷功能，讀取選中數字量模塊的狀態信息，對該模塊工況有個整體判斷。接著檢查模塊供電情況，量取24VDC是否正常。供電正常時，說明卡件自身已損壞，由此DO卡發出的控制指令都會存在異常，在控制系統中，會表現出多個閥門同時無法控制的現象。此外，在YA調試過程中，出現一起DO卡件的輸出通道故障，即DO卡件其中的一個通道出現故障。DO卡件的通道在有輸出情形下，通道指示燈會呈現綠色，因此可以通道指示燈的狀態作為通道正常與否的判定依據。

4.繼電器與機架接線

一般繼電器機架隨同機柜出廠時已通過相關功能驗證調試，但由于現場高溫高濕環境，繼電器疲勞動作，以及現場機柜安裝過程中的人為原因等因素，存在故障的可能性。

當DO卡件的通道有輸出時，通道下掛的繼電器的供電端子應有24 VDC的輸入，繼電器線圈吸合，通過得電指示燈或間隙寬窄進行確認。繼電器得電后，檢查其工作情況。首先，繼電器不能有機械抖動（電壓不穩或元器件方面原因），其次再檢查繼電器的觸點通斷狀態是否正確（最好采用萬用表的電壓擋測量）。繼電器及觸點都正常時，結合機柜端子圖紙，進一步核查機架接線

5.氣源換向電磁閥

調試維護過程中，由于氣源換向電磁閥的原因導致的閥門拒動故障，有著極高的比例。YA除鹽水現場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，失電復位。當電磁閥線圈得電時，動芯金屬桿克服小彈簧力被吸合，與先導閥噴嘴脫開，閥體內的氣流從先導氣孔進入，經噴嘴和一旁細孔進入先導氣腔，推壓白色先導閥瓣，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”氣孔導通，開閥氣缸進氣，氣動閥打開；當電磁閥線圈失電時，動鐵芯金屬桿受小彈簧的推力作用壓住噴嘴，先導氣腔內的氣流經過旁孔、金屬桿槽排走，電磁閥閥體在大彈簧作用下復位，“1”“2”氣孔導通，關閥氣缸進氣，氣動閥關閉。

電磁閥切換故障將直接導致氣動執行機構無法按要求動作。通過手動按鈕檢查電磁閥切換功能是否正常。在線圈失電情況下，按下紅色手動按鈕，閥體氣路有短促的排氣聲，說明電磁閥切換功能完好。

對YA現場的數起故障電磁閥進行解體檢查，發現問題集中在這些元器件上：

（1）先導閥瓣斷裂。線圈得電時，由于密封失效，先導氣腔無法建立，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）先導進氣孔與電磁閥先導氣路接口處持續漏氣，位于接口處的O形密封圈擠壓變形，先導氣路持續排氣，進氣壓力降低。

（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。

檢查過程中發現，進氣管線上的過濾減壓閥的設定值過高，達到0.65 MPa左右，而此類型閥門正常情況下0.04 MPa壓力可滿足開關要求。管線壓力過高，頻繁動作的電磁閥閥瓣容易疲勞斷裂損壞。調試維護過程中，注意調整減壓閥的設定值處于合理的數值，即滿足氣動執行機構的最小輸入壓力即可。

調試初期SAT系統供氣管線接臨時空壓機，分配管線焊接裝配完畢后整體未做仔細吹掃工作，導致管路中的顆粒灰塵進入下游用戶。氣源分配管線安裝完畢后，下游的過濾減壓裝置及用戶可先不連接氣路，對分配管線進行對空吹掃，清除焊渣、顆粒灰塵，對于后續有關涉及壓縮空氣使用的系統調試應予以注意。系統運行期間，選取窗口，對過濾減壓裝置的濾芯進行定期清潔，清除油污。

6.氣動執行機構

除鹽水系統的氣動蝶閥的執行結構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，活塞兩側的受壓面積相等，兩側的運動行程和輸出力大致相等，具有輸出力矩大等優勢。由于活塞與缸體之間有相對運動，就有可能產生不可預見的摩擦，缸體在高濕度、酸堿環境下銹蝕，密封圈受熱變形導致張力不均勻等原因，使得兩側活塞受力不一致，造成執行機構的動作不順暢，嚴重時出現卡澀導致閥門拒動。因此在已排除控制與供氣方面的問題原因后，需要對氣動執行機構進行部件解體檢查，以消除故障。

圖4 控制環路的檢查

五、氣動閥門拒動故障的診斷方法（圖4）

控制指令經由上位機送至就地執行機構，傳遞過程中涉及軟件組態、硬件狀態、繼電器、換向電磁閥及氣缸等多項內容。控制信號的傳遞共經5個環節，各環節過程層層銜接，形成一條完整的控制環路，其中任意環節出現問題，都可能產生就地氣動開關閥門的拒動故障。處理此類閥門故障時，按照指令的傳遞方向，結合PLC及WinCC組態軟件的相關知識，依次檢查逐步排除，能有效的定位故障點并予以消除。

六、結論

通過對氣動兩位閥門拒動問題的產生因素進行分析，結合運用現場實際的故障排查方法，儀控檢修人員能快速有效地解決除鹽水系統中的同類故障問題，該診斷方法也為其他PLC系統及DCS中提供借鑒，同時也有助于向運行調試人員及其他接口專業提供了定位故障點的參考。