基于S7-1200 PLC的風機控制系統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)

基于S7-1200 PLC的風機控制系統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機控制系統的組成和控制原理，總結分析在日常維護中遇到的典型故障及其原因，并給出了相應的處理方法。

S7-1200 PLC 風機控制原理 故障分析

風機在工業生產中被廣泛應用，重慶天然氣凈化總廠硫磺回收裝置采用英格索蘭離心風機，此風機利用風機動能提升空氣壓力、增加空氣能量，并將空氣運輸到下游的主燃燒爐對酸氣進行充分燃燒。為了保障安全生產，提高生產效率，離心風機控制系統采用S7-1200 PLC系列產品。根據用戶設定的壓力來實現控制風機出口壓力的恒定，同時，PLC實時監控風機運行的電流、軸承溫度、振動、空氣流量及壓力等參數。該風機控制系統主要由PLC及其功能模塊、執行機構、測量反饋部件(傳感器、變送器)等組成。

1 風機基本控制原理

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

英格索蘭離心風機采用的是恒壓控制原理，即根據用戶的設定壓力來控制，主要根據系統壓力和電機電流來調節進氣閥和放空閥(旁路閥)的開度以達到恒壓控制，該風機控制系統的構成如圖1所示。

圖1 風機控制系統示意圖

2 典型故障分析與處理

2.1 S7-1200 PLC(CPU-1415C)模式改變，風機不能啟動

故障現象為：

a. 風機供電正常，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、出口閥的初始狀態正常，發現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)、數字處理模塊(SM1221)和通信模塊(RS-485)LED燈點亮狀態正常，發現PLC控制器LED指示燈顏色為橙色，啟動風機時無任何響應。

從故障現象來分析，故障點有兩點：第1點是PLC的STOP/RUN指示燈狀態顯示橙色，PLC的工作模式已經改變；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。經詢問現場操作人員，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已經處于停止模式(CPU狀態燈指示含義見表1)。STOP模式不執行用戶程序，所有的輸出被禁止或按組態時的設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，當由停止模式切換成運行模式時，其狀態指示為綠色，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。

2.2 入口閥開度變大引起風機啟動過程中出現過載或停機

故障現象為：正常啟動風機時，風機通過自檢后，電機開始運轉，但在電機運轉過程中出現了電機運行電流值超過設定的報警值(200A)而報警，當電流值達210A時則停機。

啟動風機后，其運行狀態為首先入口閥由全關至全開再運行到起始位(入口閥自檢)，其次電機開始運轉，同時打開出口閥，放空閥全開，最后系統進行恒壓控制。在查看與檢測電機的各項檢測參數時，未發現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設定值。計算風機空氣流量公式為：

F=C1·Amp3+C2·Amp2+C3·Amp+C4

式中Amp——風機運行電流；

Ci——風機系數,i=1,2,3,4；

F——風機入口流量，Nm3/h。

由上式可以看出，空氣流量與風機運行電流組成一元多次方程。根據風機的工作原理，風機的“Q-H”性能曲線與管道阻力曲線的交點為風機的工況點，故改變風量的實質是改變風機的工況點。風機通過節流調節和轉速調節兩種方法來改變風量。為了減少風機的軸功率，節流調節是在風機入口側安放圓管蝶閥，利用改變蝶閥轉角(即開度)來實現的[2]。

解決措施：減小風機入口閥起始位，將以前的40%的開度設置在25%～30%范圍內，否則風機內阻力太小，風量太大，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注意兩點：入口閥起始位不能設置過小而引起喘振；啟動風機前觀察入口閥實際起始位是否與系統設定的起始位相差甚大，否則需對入口閥執行機構進行調整。

2.3 執行機構不動作引起風機停機

故障現象為：風機出口閥、放空閥不動作，閥卡、閥位動作不到位等，引起風壓系統一直超系統設置壓力，或是提升不到設定壓力，嚴重則引起風機系統聯鎖。當閥位動作不到位時，PLC接收不到閥位反饋信號也會引起風機聯鎖停機。針對以上兩種故障情況采取相應措施如下。

2.3.1 閥不動作

閥不動作一般表現在執行機構故障、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：依據由簡到繁的原則，檢查執行機構氣源壓力是否足夠、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

閥門在工業上投入使用后，在工況相對穩定的情況下，閥門就長時間保持在一定范圍內活動，隨著時間的推移，加之工業環境相對惡劣，閥門性能就會變差。在停機或是啟動時就經常存在閥卡的現象。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 干擾引起控制系統紊亂

故障現象為：風機在運行過程中，出現系統壓力超出設定壓力4～6kPa，風機運行電流大幅波動，系統壓力始終降不到設定值附近，通過重新設置系統壓力，系統壓力仍然下降不了，從DCS系統中調出的故障曲線如圖3所示。

圖3 故障曲線

風機入口流量范圍為 0～1 400m3，工況相對穩定時的流量為860m3，風機運行電流160A，電流聯鎖值為210A，風機系統設定壓力為70kPa，系統壓力維持在68～72kPa范圍內，放空閥開度范圍在20%～30%之間。

故障分析：

a. 放空閥受到干擾，開度關小使系統壓力上升。在故障曲線上的風機入口流量(曲線④)的第1個谷點(15∶32∶34時刻)之前，系統壓力(曲線②)變化相對平緩，保持在設定值(曲線③)70kPa附近，風機運行電流(曲線①)穩定，但放空閥開度(曲線⑤)在逐漸關小?，F場檢查放空閥(氣開閥)工作狀態時，放空閥氣源穩定，無泄漏發生，其供電正常，用標準儀器調校該閥無異常。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受到干擾，使放空閥開度減小，最終使系統壓力升高，導致系統壓力在15∶32∶34時刻達到74kPa。

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

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

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

被切換的風機停下后需進行的工作：檢查控制系統接地線是否良好；控制系統周圍存在磁場，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正常；檢查風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

故障現象為：風機通信模塊采用RS-485，信息傳輸至中控室需轉換成Profibus-DP通信協議。通信線路斷開，中控室的顯示器上出現無效數據；兩臺風機的監測數據傳輸都會經過中控室采用同一個Profibus-DP通信協議轉換模塊，造成監測數據因干擾引起數據跳變現象。

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。通信線路已經被損壞的，需要重新敷設通信線纜。為了使每臺風機的通信不受相互干擾，需對每臺風機單獨配置通信協議轉換模塊，在組態中分別設置通信地址。

3 結束語

根據天然氣凈化廠風機控制系統的組成特點，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輸出的脈寬調制信號控制其開度，入口閥的開度和起始位置與風機運行電流有著密切的聯系。而PLC的輸入、輸出信號和通信都容易受到工業環境的干擾引起參數跳變、系統紊亂等故障現象。對于不同的故障現象，要分析判斷產生故障的原因，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、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編程及應用[M].北京：機械工業出版社，2014.

[2] 高玉瑟，陳銘年，王彥聲.小型高壓離心式風機的風量隨圓管蝶閥開度變化的規律及其應用[J].農業機械學報，1983，(1)：46～51.

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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。