氣動調節閥控制回路可靠性提升解決方案研究

李培金，黃超武，鄒向陽

（臺山核電合營有限公司，廣東 臺山 529200）

0 引言

氣動調節閥以壓縮空氣為動力源，通過氣缸作為執行器，實現對閥門開度的調整。因其結構簡單、反應快速、動作可靠，以及輸出力大等優點而廣泛應用于發電廠的給水和供氣系統中。

在核電站中，主要調節系統中的調節閥都是由數字化集散控制系統（DCS）集中控制。DCS 系統實時采集被調節對象的物理值，根據被調量與設定值之間的偏差，經過PID 運算計算出閥門的開度指令后，由電子驅動板件將開度指令轉換成電流信號，通過硬接導線將該電流信號傳送至定位器。定位器將該電流信號轉換為氣信號，最終通過改變進入閥門氣缸的壓縮空氣量，使調節閥達到預定的開度值。

在整個調節閥的信號控制回路中，存在中央處理器、數字通信卡、IO 驅動卡、控制電纜、定位器以及閥門氣源回路等部件。其中，中央處理器和數字通訊卡在主流的DCS 系統中均有冗余設計，所以單個設備故障不會影響閥門的控制。I/O 驅動卡、定位器等存在電子板件的部件往往無冗余設置，但由于電子板件通常包含易老化的電子元器件，例如電容、電感、二極管等，容易突發故障，導致閥門氣缸失去氣源，進而導致閥門失去控制甚至引起閥門誤動作。在發電廠的關鍵重要調節系統中，閥門的誤動作往往對機組的穩定運行產生極大的影響，因此研究如何提高氣動調節閥控制回路的可靠性具有重要意義。

1 氣動調節閥控制回路薄弱點分析

本文以某核電站主給水調節閥控制回路為例進行闡述。該調節閥為單作用氣動調節閥，由西門子非安全級DCS 控制平臺T2000 控制。被調量（蒸發器液位、給水流量等），通過變送器測量后，遠傳至DCS 控制站的I/O 輸入卡FUM230 采集。變送器為四重冗余配置，在控制站中分布于4 個不同的I/O 采集卡。I/O 采集后，將值送入中央處理器進行4 次取大值計算，計算結果與設定值進行比較，其偏差參與PID 運算后形成閥門的開度指令值。開度指令由西門子生產的連續控制專用驅動卡FUM280 轉為4mA ～20mA 的電流信號，通過硬接線傳送至閥門定位器。定位器將電流指令信號轉化為氣信號，定位器輸出的氣信號控制氣源放大器，最終控制進入氣缸的壓縮空氣流程，達到控制閥門開度的目的。定位器上的位置反饋器為費希爾生產的連桿式角行程位置反饋。位置反饋實時測量閥位，送定位器參與自動調節，調節閥的控制回路簡圖見圖1。

圖1 氣動調節閥控制簡圖Fig.1 Control diagram of pneumatic regulating valve

圖2 連桿式位置反饋實例圖Fig.2 Example diagram of connecting rod position feedback

1.1 I/0驅動卡失效導致閥門誤動

在數字化控制系統中，I/O 輸入輸出卡、中央處理器模塊等關鍵部件的集成電路板上，通常包含有電解電容、保險絲、可調電位器、可控硅等短壽命元器件。這些元器件易受環境溫濕度變化的影響而產生偶發故障，或者由于電源系統故障導致設備不可用，最終引起閥門非預期的動作，進而帶來不可接受的后果。

在核電站DCS 系統中，測量被調量的變送器往往會設置成多重冗余。互為冗余的變送器通過不同的I/O 采集卡件采集后，送至CPU 與設定值比較后，進行PID 運算。因為有冗余配置，單個變送器或者單個I/O 輸入卡故障，不會影響控制回路的正常工作。DCS 系統中控制站的中央處理器也通常配置為冗余模式，正常運行時一個中央處理器在線運行，另一個熱備[1]。在線運行的中央處理器故障后，無擾切換至備用中央處理器，而故障的設備可以進行在線更換。因此，中央處理器的配置也具有較高的可靠性。中央處理器完成PID 運算，得到閥門的開度指令后，通過I/O驅動卡轉換為電流信號輸出。中央處理器單元與I/O 卡之間使用現場總線進行通訊，每個中央處理器與I/O 之間均有獨立的現場總線進行通訊，因此也不會存在單一故障點。

但在核電站DCS 系統中，用于驅動調節閥的I/O 輸出卡通常無冗余配置。單個卡件故障將直接導致定位器的控制信號丟失，因此在氣動調節閥的電信號回路中，I/O 輸出卡為關鍵的薄弱環節。

1.2 位置反饋失效導致閥門誤動

調節閥的定位器在控制閥門開度的過程中，需要實時測量閥門的位置，根據位置反饋以及DCS 開度指令間的偏差調節閥門的實時開度。在該核電站中的主給水閥，參與定位器位置調節的位置反饋，使用的是連桿式角行程位置反饋。該類型的位置反饋，在振動較大的應用場所，定位器接收到的位置反饋測量值會出現波動；同時也會因瞬間應力過大，導致連桿斷裂、松脫，最終影響定位器的控制，導致調節閥誤動。

1.3 定位器失電或故障導致閥門誤動

氣動調節閥的氣源回路中通常包含過濾減壓閥、定位器、氣源放大器等[2]。過濾減壓閥和氣源放大器為機械結構，可靠性較高，故障率低，而有較多因素會導致定位器失效，例如：①定位器的電源為DCS 送來的電流指令信號，上游IO 板件故障，接線松動等均會導致定位器失效；②定位器尤其是如今大量使用的智能型定位器，內含電路板。當定位器安裝于工作溫度高，或者振動高的閥門本體上時，會極大地增加定位器故障概率。同時定位器內的氣路使用了大量的密封材料，多數密封材料也有老化的故障模式，容易偶發故障。因此，經上述分析，氣動調節閥中定位器也為影響閥門控制的薄弱環節。

2 氣動調節閥控制回路可靠性提升方案

根據第1 節的分析，本節論述如何從I/O 輸出卡、位置反饋、定位器及氣源回路等3 個方面提升氣動調節閥控制回路的可靠性。

2.1 I/O輸出卡增設冗余配置

在西門子的T2000 DCS 控制平臺中，氣動調節閥的控制驅動卡為FUM280。其作用為將控制器計算的控制指令轉換為4mA ～20mA 電流信號。該電流信號送至定位器，既作為定位器的電源，也作為控制指令信號。其接線原理如圖3。

圖3 單卡模式配置Fig.3 Single card mode configuration

為提高控制回路可靠性，本文提出一種I/O 卡冗余配置方案，其原理如圖4。冗余配置的兩塊卡件之間設置一條狀態監視接線，用于判斷對方卡件是否故障，以激活備用卡件。兩塊卡件的指令端并接起來后，共同向定位器發送電流指令信號。正常工作時，一塊卡件在線工作，其指令端向外輸出電流信號；另外一塊卡件熱備用，其指令端被閉鎖不向外輸出信號。當在線的卡件故障后，其指令端被閉鎖，備用卡件指令端立即被激活向外輸出信號。卡件故障的判斷機制，可通過卡件內部監視中央處理器發送給I/O 卡的指令信號與實際輸出的電流信號之間的偏差大于預定值來觸發。為保證熱備卡件實時跟蹤定位器接收到的電流信號大小，保證在主從切換時為無擾切換，將定位器接收到的信號通過指令回讀線返送回兩塊驅動卡采集。增加冗余配置后，每個FUM280 驅動卡的狀態可以在主控室實時監視。操縱員可以通過故障報警，及時通知運維人員進行及時處理并恢復冗余功能。在原單卡設計中，如果卡件需要進行更換時，會直接影響閥門控制，增加冗余配置后，也提供了一種在線維護的途徑。

圖4 驅動卡冗余模式配置解決方案Fig.4 Redundant mode configuration solution for driver cards

從圖4 可以看出，增加FUM280 冗余配置后，會引入兩個新的單一故障點：①兩塊卡件PAR 端之間的接線；②YN-的接地端接線。單一接線斷裂或松動會導致ARE閥門失去DCS 控制，但考慮到DCS 機柜內部接線為繞線，接線牢固可靠，自然松動概率很低，且接線在機柜內部，平時因外力導致斷線的情況可以排除，因此接線斷裂和松動的故障模式可以忽略。

2.2 定位器及位置反饋可靠性提升

為解決閥門振動、高溫等環境因素給定位器及附屬的位置反饋器的正常工作造成影響，采用分體式的定位器，即定位器與位置反饋器分開，通過導線連接。帶電路板的定位器安裝于遠離閥門的擱架上，消除閥門本體振動和高溫對定位器的影響。位置反饋采用非接觸式位置反饋器，避免常規連桿式位置反饋器容易因振動斷裂的問題。非接觸式的位置傳感器采用電磁式位置反饋器，通過在閥門聯軸器安裝與位置變送器配套的磁條，閥門動作時聯軸器帶動磁條上下移動。磁條在定位器磁條感應凹槽區上下移動，基于霍爾效應原理，位于閥門定位器內的霍爾元器件在保證工作電流不變的情況下在均勻梯度的磁場中變化時，輸出線性變化的霍爾電壓，該電壓經定位器內部信號處理轉化為4mA ～20mA 電流信號[3]。該類型的定位器位置反饋變送器，磁條與變送器之間不直接接觸，可以避免因閥門振動而引起的位置傳感器損壞，提高設備可靠性。

同時某些智能型定位器，具備壓力控制模式，以保證在位置反饋故障情況下仍能較為準確地控制閥門開度。在壓力控制模式下，定位器會記憶在一定時間內閥門位置與定位器輸出壓力的關系曲線。根據該曲線，定位器可以根據定位器開度需求，向閥門氣缸提供對應壓力的壓縮空氣量。

2.3 氣源回路設置保位功能

氣源回路無法通過增加冗余提高可靠性，最有效的方式是使定位器在失去電源或者故障時能夠使調節閥保持當前的位置，以防止瞬態發生。如圖5 中，在氣源回路中配置安裝一個安全模塊和一個保位閥[4]。安全模塊監視電信號以及氣源壓力，安全模塊的電源回路與定位器的電源回路串聯。當來自DCS 的電流信號，或者因定位器內部故障導致電源回路斷開，安全模塊均能監視。當電源信號丟失或者氣源壓力低，安全模塊輸出端直接與大氣相通，保位閥接收到的驅動氣源相對壓力變為0，迫使保位閥換向。電信號和氣源信號均正常時，安全模塊輸出為氣源壓力，保位閥接收到的驅動氣源壓力大于保位閥內部的設定值，保位閥的氣源輸入端與定位器輸出端連通，調節閥處于正常調節模式。保位閥由安全模塊提供的氣源驅動，當壓力低于設定值時，保位閥內部氣路自動換向，防止氣動調節閥氣缸內的空氣排向大氣，維持氣缸內的氣體壓力，使閥門保持在當前位置。安全模塊需采用微功耗驅動技術，避免安全模塊和定位器的總功率接近甚至超過上游驅動卡件的功率限制。

圖5 失效安全保護鎖位解決方案Fig.5 Fail-safe protection locking solution

3 提升方案驗證和實施效果

某核電廠為提高主給水閥閥門控制回路的可靠性，對I/O 驅動卡增加了冗余配置，同時將連桿式位置反饋修改為非接觸式位置反饋，暫時未設置閥門在失去氣源或者控制信號下的保位功能。

驅動卡增加冗余配置后，需要對各種故障模式下的冗余切換功能進行驗證，包括：①驗證冗余功能正常下的閥門控制；②驗證卡件本體故障、卡件供電故障等故障模式下，主備卡件之間的無擾切換功能正常；③驗證主卡故障切換至備用卡件后，單卡運行模式下的控制功能正常；④驗證故障卡件恢復期間控制功能正常，且故障卡件恢復期間不能發生卡件的主從切換；⑤驗證卡件故障后的報警信息能正常觸發。經過實際驗證，單一驅動卡故障后能保證調節閥的自動調節功能，主從切換期間指令信號雖然有微小擾動（2%開度以內），但對自動控制功能的影響可忽略，基本實現無擾切換。同時，冗余配置的狀態能通過DCS 系統進行實時監測。當一塊卡件故障后，會實時產生故障日志送至主控室，以通知運維人員及時進行維修，恢復冗余配置狀態[5]。

位置反饋由連桿式位置反饋修改為非接觸式位置反饋后，位置反饋故障率顯著降低，提高了閥門的穩定性。增加閥門保位功能解決方案，目前還沒有在該核電站實施，但該方案能有效解決DCS 系統下游電信號回路以及氣源回路失效引起閥門失控的問題，為后續進一步提升閥門可靠性提供了技術方案儲備。

4 結束語

核電站中，重要給水供氣回路對調節功能的穩定性要求很高。本文闡述的方案可以有效避免氣動調節閥控制回路中薄弱環節部件故障后，保持系統運行功能的穩定性和安全性。其優點表現在：①執行簡單，僅需小幅改動控制站內驅動卡的接線配置和軟件配置，以及輕微調整氣源回路；②完整性，提升方案基本囊括了核電站中常見的氣動調節閥控制回路中對閥門控制功能有較大影響的故障類型；③靈活性，本文提供的方案包括電信號回路和氣源回路可靠性提升方案。兩者獨立，可根據項目的具體特點選擇其中的一部分方案實施。總而言之，該方案的實施能有效保證氣動調節閥控制回路的可靠性，對后續電站建設有一定的借鑒意義。