關于PLC系統負荷控制邏輯中的一種故障的分析

唐寶華，席建忠

（杭州華電江東熱電有限公司，杭州 311228）

0某廠的燃氣鍋爐PLC系統負荷控制邏輯中存在故障缺陷，在負荷設定值給定最大時，天然氣流量調節閥及變頻送風機出口調節閥指令反而降至0%即全關，導致燃氣鍋爐在運行過程中報出“主火檢信號丟失”，觸發MFT跳閘。本文分析了設備異常的原因，并提出了對應的防范措施，解決了PLC系統負荷控制邏輯方面的缺陷。

1 燃氣鍋爐概述

1.1 燃氣鍋爐的基本情況

某廠共有兩臺燃氣鍋爐，額定流量為50t/h，額定壓力為1.5MPa，燃氣鍋爐結構為雙鍋筒縱置式“D”型布置快裝水管鍋爐。它由上下鍋筒、模式水冷壁、對流管束及煙氣冷凝回收裝置組成，燃料在爐膛內燃燒后，煙氣經對流管束及煙氣冷凝回收裝置排入煙囪。爐膛模塊和對流管束模塊之間的汽水系統由汽連管和水連管組成，爐膛內的高溫汽水上升后經過汽水分離裝置分離成蒸汽和水，蒸汽匯集到汽包上部流入過熱器，經過溫度調節后可以進行外部供暖供氣，低溫水流入爐膛模塊的下集箱，后經過爐膛模塊加熱再變成蒸汽，如此形成水循環系統。

1.2 燃氣鍋爐的控制結構

1.2.1 控制對象介紹

燃氣鍋爐給水系統各有2臺給水泵、2個上水調節閥、1個減溫水調節閥，風煙系統各有1臺變頻送風機、1臺變頻再循環風機、1個燃氣流量控制門和1個變頻送風機出口風門。燃燒器采用分體式燃燒器，配備點火器，用于自動點燃天然氣。所有燃燒器和點火器都配備了火焰監測器，以及必要的密封件和冷卻用空氣接管。燃燒器配備了自動順序點火裝置和點火安全保護裝置。燃燒器具備檢漏、吹掃、點火、火焰監測、熄火保護、進氣壓力保護、風壓保護、負荷調節等功能，且均為自動控制。燃氣鍋爐負荷的調節主要通過燃氣流量控制門（以下簡稱氣門）和變頻送風機出口風門（以下簡稱風門）的開度控制爐膛內燃燒情況，從而升降燃氣鍋爐負荷進行蒸汽流量調節。

1.2.2 控制系統組成控制系統方面，燃氣鍋爐控制采用AB ControlLogix5000 PLC控制和DeviceNet現場總線控制，PLC控制系統由控制器模塊、通訊模塊、網絡模塊以及接口顯示模塊組成，其中最重要的組成部分是控制器模塊[1]，常見的故障問題也發生在控制器模塊中，本文要討論的PLC系統故障也是由于控制器模塊中的邏輯模塊缺陷引起的[2]。另外，通過OPC通訊協議，燃氣鍋爐PLC系統中所有信號通訊傳輸至DCS系統（分散集中控制系統）中進行監控，操作人員可以在DCS系統發出指令對燃氣鍋爐進行調控，同時能接收到現場的反饋信號，從而實現一體化集中控制。

1.2.3 負荷控制邏輯介紹

燃氣鍋爐負荷控制邏輯中，操作人員在畫面上通過手動給定一個負荷設定值發送至PLC輸入模塊中，PLC系統讀取到這個負荷給定值后，發送給風門和氣門的開度控制邏輯。在風門和氣門接收指令并做好相應開度調整之后，其閥門位置反饋信號再返回至PLC系統中，此時的負荷反饋其實是由氣門和風門的開度對應的函數所計算得出的，如圖1所示。

PLC系統負荷控制的具體定值是通過設置10組函數設定值，不同的負荷點對應不同的氣門及風門開度，從而進行控制，見表1。即負荷在50%時，風門開度為33%，氣門開度為41%；負荷在100%時，風門開度為66%，氣門開度為66%。

表1 負荷控制函數設定值對照表Table 1 Load control function setting value comparison table

2 PLC系統模塊缺陷分析

2.1 故障現象描述

燃氣鍋爐運行時，負荷反饋90%，氣門開度59.2%，風門開度60.1%；負荷升至100%過程中（負荷給定值為100%），氣門開至66.2%，風門開至66.1%，此時負荷反饋100.1%，1s后風門及氣門開始關小直至為0%，期間主火檢信號消失，觸發燃氣鍋爐MFT跳閘信號。

2.2 故障問題分析

操作人員在給定一個負荷設定值后，PLC系統將讀取到的負荷設定值發送至Jump To Subroutine模塊（以下簡稱JSR模塊）即跳轉至子程序模塊中。在使能滿足的情況下，自動運行這個子程序內設定好的運算邏輯。如圖2所示，JSR模塊在接收到QDGL_M_GFJPL_FK.Set（負荷設定值）信號后，會自動進行計算，在QDGL_M_FUHE9（負荷設定9）和QDGL_M_FUHE10（負荷設定10）兩個設定點中返回對應的氣門指令信號、風門指令信號，再由氣門和風門的閥門反饋信號計算得出當前的負荷反饋值。

在負荷升至100%，即最后一個負荷設定點時，對應的氣門的開度設定值是66%，對應的風門的開度設定值是66%。但由于此時氣門位置反饋為66.2%，風門位置反饋為66.1%，均超過了最后一個設定點的定值，此時PLC控制邏輯判斷定值不在10組函數設定值控制范圍內。因此，氣門及風門指令不再通過JSR模塊發送，即PLC系統沒有發送指令至氣門、風門。

正常燃氣鍋爐負荷控制過程中，操作人員在DCS系統中并未對氣門、風門等設備下達指令，僅僅給定了一個負荷設定值，燃燒調節中氣門、風門的自動控制均由PLC系統的負荷控制邏輯進行判斷，然而在PLC系統沒有發送指令的情況下，此時由于與DCS系統仍在通訊控制中，DCS系統側的指令便取代了PLC系統側發送的指令，最終發生了閥門全關、燃氣鍋爐MFT的事件。

綜上，發生此次故障的主要原因有三：一是閥門位置反饋信號與指令有所偏差；二是PLC系統負荷控制邏輯所采用的函數設定JSR模塊在設定范圍外無法進行判斷計算；三是PLC系統與DCS系統的通訊本質上是單向的，DCS系統向PLC系統單向發送指令并讀取PLC系統中的反饋信號，讀取不到PLC系統的實時指令信號。

在指令反饋偏差方面，負荷升至100%時，氣門位置開至66.2%，風門位置開至66.1%，而氣門指令給定值為66%，風門指令給定值為66%，指令反饋偏差達到0.2%≤1%，是符合設備標準的，且即使指令反饋偏差過大，控制邏輯側也不能關閉閥門。

在PLC系統與DCS系統通訊方面，邏輯控制中的閥門指令為寫入過程，DCS系統作為上級通訊方，無法讀取PLC系統的寫入參數。在燃氣鍋爐升降負荷自動控制過程中，PLC系統中氣門、風門的指令跟隨負荷指令，DCS系統中的閥門指令僅作為手動控制時的干預，無法實時對應PLC系統中的自動指令，這是通訊控制很難避免的問題。所以需要考慮如何將PLC系統負荷控制邏輯所采用的函數設定JSR模塊的定值進行限制。

3 優化措施

本文所探討的PLC系統控制模塊缺陷究其原因是：JSR模塊在接收到函數設定范圍以外的信號時，無法輸出指令定值，因此只需要限制JSR模塊的接收信號的上下限值即可。在氣門與風門進入JSR模塊前，先進行范圍限制，氣門最小設定值為20%，最大設定值為66%，風門最小設定值為8%，最大設定值為66%。當氣門、風門位置反饋小于最小設定值時，限制其等于最小設定值；當位置反饋大于最大設定值時，限制其等于最大設定值[3]，如圖3所示。

4 總結

經過上述的改進措施之后，消除了燃氣鍋爐負荷控制邏輯缺陷，燃氣鍋爐運行也更加穩定。負荷控制邏輯通過設置函數對應的定值進行負荷調節，反饋信號超出定值范圍時，JSR模塊無法進行有效計算。但其實，閥門的指令在無外部信號干涉下是不會發生變化的，本文所探討的情況是在PLC系統與其他系統進行通訊的前提下，接收到了外部的指令信號，從而導致自動控制中指令被外部指令信號所覆蓋，最終發生了控制失常，在通訊連接下的自動控制所存在的各類問題，也值得深思考慮。