除盐水控制系统气动阀门拒动故障分析

陈蒙蒙

（海南核电有限公司 海南昌江）

一、前言

海南昌江核电厂两个机组共用一套淡水除盐处理设备，系统接收前置淡水厂来水，经过双滤料过滤、一级反渗透处理和两级离子交换器的过滤和脱盐等工艺过程，向SER和SED系统提供符合水质要求的除盐水。

图1 除盐水PLC控制系统配置图

控制系统采用Profibus-DP总线通信技术的主、从站结构。由2台上位机（工程师站与操作员站）、2套S7-400H冗余控制器主站和7个ET200M分布式I/O从站组成，见图1。整个系统由管理层、控制层和现场设备层3部分组成。上位机管理层采用以太网卡P4型研华工控机和WinCC 7.0操作界面，实现全图形显示、报警记录、测量值采集和PLC通信等功能，在YA控制间对除盐水生产与贮存系统进行集中监视和控制。PLC主站2台CPU互为热备用，构成冗余结构。两套西门子S7-400H冗余控制器主站和7个ET200M分布式I/O从站组成中间控制层。压力、流量、液位等常规过程变量远传仪表，电导率、Na+浓度、pH值等化学分析仪表，风机、泵与变频器、电动阀门和气动阀门等工艺现场设备组成现场设备层，司职采集现场工艺参数和执行上层控制指令。

上位机管理层通过双绞线和交换机与2套PLC主站进行数据通信，主从站间的通信采用冗余Profibus DP总线和IM153接口模块及有源背板总线实现，现场设备通过硬接线与从站中的I/O模块连接。3个层次紧密衔接，组成整个控制网络，完成信息采集和命令发送。

现场设备层中，气动阀门作为生产工艺管道上控制介质流通与截止的一类执行部件，其是执行机构以压缩空气为动力的开关两位阀门，通常由过滤减压装置、行程开关、电磁阀、气动执行机构以及阀门本体等部件组成。气动阀门具有启闭速度快、操作灵活等优势特点，频繁应用于除盐水系统中间过程环节。阀门拒动、误动、动作不到位等故障现象，将直接影响所处过程环节的顺控程序执行、中断生产，导致工艺系统各环节之间无法流畅衔接，对整个除盐水控制系统的运行引入停运风险。

二、PLC系统气动阀门的远程控制

1.WinCC与PLC的建立通信连接

将WinCC与PLC之间需要通信的数据，包括变量名、数据类型、地址等定义变量，以完成WinCC与PLC之间的数据通讯。在图形编辑器中，用基本元件或图形库中的对象制作生产工艺流程监控画面，将变量与每个对象连接，即相当于画面中各对象与现场设备相连，实现在画面上监视和控制现场设备。根据所采用的通信协议在变量管理器（Tag Managennent）中选择通信驱动程序，并选择期望的通道单元，为该通道单元组态逻辑连接。设置逻辑连接节点名、网络地址与PLC中的设置地址相同，建立WinCC与PLC之问的通信连接。

2.控制指令的传递

远程模式下，气动阀门的控制指令由上位机至就地气动执行机构。上位机工作站WinCC监控画面的阀门操作命令通过以太网数据通信传输，下送至PLC控制器；PLC控制器对收到的命令进行综合运算处理，再将运算结果的内部电平信号通过一个数字量输出卡件的唯一指定通道，以24 V外部电平信号形式向下游继电器机架传送。机架上相对应的DC24 V继电器常开触点“闭合”（常开触点通过硬接线接入就地的电磁阀供电控制回路），供电控制回路导通，电磁阀得电，控制压缩空气的气路换向切换，使得气动阀门执行机构动作，实现阀门的上位机远程操控。

上位机操作站开启阀门，操作指令传至控制层，调用 PLC程序中的阀门控制模块进行综合运算处理，判断开启条件是否满足，在各引脚输入状态正常情况下，由Q0.0点发出开阀指令OD，在线监视该模块。PLC开阀命令Q0.0已发出，可通过观察相应DO卡件的对应通道LED指示是否点亮确定。

观察下游继电器线圈是否得电吸合。继电器得电，常开触点闭合，并通过硬接线接入就地电磁阀箱，电磁阀DC24 V供电形成回路，见图2。电磁阀得电，切换进气方向，使气动执行机构动作，从而控制阀门开启。

图2 电磁阀的控制接线原理图

三、故障现象

系统调试及运行接产期间，气动蝶阀动作故障问题出现频率较高，由于气动阀门的故障查找涉及控制回路、阀门本体及执行机构问题，属于维修部门仪控和机械两个专业的接口部件，作为维护人员，如何快速准确的定位问题所在，采取有效的处理方式，对整个除盐水系统的正常运行有着重要意义。

四、故障分析

1.监控层画面组态

WINCC中阀门画面的组态采用调用两层脚本的形式实现。在监控画面上点击操作的阀门时，弹出一个标准的操作窗口（包括打开、关闭、位置反馈、状态信息等），这是第一层脚本调用，所有的阀门在进行操作时都进行此窗口调用。而具体位号的阀门的数据变量信息以变量组的类型链接在第二层脚本中（C语言脚本），在C脚本中写入变量信息。

当出现画面层组态链接错误时，会出现被操作阀门拒动故障，由于阀门的链接是以变量组的形式进行组态，出现链接错误时是一个整体故障出现，不会出现其中单一变量的链接故障。通常它的表现是，对一个阀门相应操作时，另外一个不相干的阀门却产生动作。

2.PLC控制指令

开关控制指令的产生经过相应逻辑程序的运算过程，单电控（或双电控）的动作阀门的控制逻辑是一致的，对阀门数量较多的PLC系统，通常将单电控或双电控的阀门逻辑制作封装成标准的FB功能块，同类型阀门的可直接调用此块，同时对功能块各项参数引脚分配数据点。

在这个环节的检查中，首先需要检查确认数据点位链接是否存在错误。由于编程人员再做这部分的梯形图编程过程与修改，时常会复制已有阀门编程数据，然后再对复制的块各参数进行修改，所以在修改过程中，可能有遗漏的内容，而这些遗漏内容将造成逻辑程序执行错误。其次，数据点位链接没有问题时，点击S7管理器工具栏中“眼镜”标识（在线监视按钮），进行在线监视。

通过状态在线的过程，可以清楚当前阀门数据块中的各项参数，如远程/就地状态、手/自动状态、手/自动开关阀输入、保护开/关，阀门位置反馈和电气故障等点位数据信息，并结合调用块中的开关控制逻辑程序，予以定位在程序运算处理环节中存在的故障。

图3 电磁阀切换示意图

3.输出卡件及通道状态

在已确认程控指令经过PLC处理发出后，说明来自软件方面（画面组态和逻辑程序）的原因已排除，接着，需要确认数字量DO卡件的工作状态。

利用西门子STEP 7软件的模块自诊断功能，读取选中数字量模块的状态信息，对该模块工况有个整体判断。接着检查模块供电情况，量取24VDC是否正常。供电正常时，说明卡件自身已损坏，由此DO卡发出的控制指令都会存在异常，在控制系统中，会表现出多个阀门同时无法控制的现象。此外，在YA调试过程中，出现一起DO卡件的输出通道故障，即DO卡件其中的一个通道出现故障。DO卡件的通道在有输出情形下，通道指示灯会呈现绿色，因此可以通道指示灯的状态作为通道正常与否的判定依据。

4.继电器与机架接线

一般继电器机架随同机柜出厂时已通过相关功能验证调试，但由于现场高温高湿环境，继电器疲劳动作，以及现场机柜安装过程中的人为原因等因素，存在故障的可能性。

当DO卡件的通道有输出时，通道下挂的继电器的供电端子应有24 VDC的输入，继电器线圈吸合，通过得电指示灯或间隙宽窄进行确认。继电器得电后，检查其工作情况。首先，继电器不能有机械抖动（电压不稳或元器件方面原因），其次再检查继电器的触点通断状态是否正确（最好采用万用表的电压挡测量）。继电器及触点都正常时，结合机柜端子图纸，进一步核查机架接线

5.气源换向电磁阀

调试维护过程中，由于气源换向电磁阀的原因导致的阀门拒动故障，有着极高的比例。YA除盐水现场的气源换向电磁阀为24 VDC单线圈二位五通型，具有控制双作用气缸的功能，失电复位。当电磁阀线圈得电时，动芯金属杆克服小弹簧力被吸合，与先导阀喷嘴脱开，阀体内的气流从先导气孔进入，经喷嘴和一旁细孔进入先导气腔，推压白色先导阀瓣，电磁阀阀杆克服大弹簧作用下置位，如图3所示，电磁阀“1”“4”气孔导通，开阀气缸进气，气动阀打开；当电磁阀线圈失电时，动铁芯金属杆受小弹簧的推力作用压住喷嘴，先导气腔内的气流经过旁孔、金属杆槽排走，电磁阀阀体在大弹簧作用下复位，“1”“2”气孔导通，关阀气缸进气，气动阀关闭。

电磁阀切换故障将直接导致气动执行机构无法按要求动作。通过手动按钮检查电磁阀切换功能是否正常。在线圈失电情况下，按下红色手动按钮，阀体气路有短促的排气声，说明电磁阀切换功能完好。

对YA现场的数起故障电磁阀进行解体检查，发现问题集中在这些元器件上：

（1）先导阀瓣断裂。线圈得电时，由于密封失效，先导气腔无法建立，电磁阀阀杆未受到阀瓣推力造成气路切换故障，更换阀瓣后消除故障。

（2）先导进气孔与电磁阀先导气路接口处持续漏气，位于接口处的O形密封圈挤压变形，先导气路持续排气，进气压力降低。

（3）电磁阀阀杆及密封圈上累积的粘性油污灰尘颗粒，卡涩阻碍阀杆位移。

检查过程中发现，进气管线上的过滤减压阀的设定值过高，达到0.65 MPa左右，而此类型阀门正常情况下0.04 MPa压力可满足开关要求。管线压力过高，频繁动作的电磁阀阀瓣容易疲劳断裂损坏。调试维护过程中，注意调整减压阀的设定值处于合理的数值，即满足气动执行机构的最小输入压力即可。

调试初期SAT系统供气管线接临时空压机，分配管线焊接装配完毕后整体未做仔细吹扫工作，导致管路中的颗粒灰尘进入下游用户。气源分配管线安装完毕后，下游的过滤减压装置及用户可先不连接气路，对分配管线进行对空吹扫，清除焊渣、颗粒灰尘，对于后续有关涉及压缩空气使用的系统调试应予以注意。系统运行期间，选取窗口，对过滤减压装置的滤芯进行定期清洁，清除油污。

6.气动执行机构

除盐水系统的气动蝶阀的执行结构采用双作用式的气缸，双作用气缸的活塞压缩和拉伸都输出作用力，活塞两侧的受压面积相等，两侧的运动行程和输出力大致相等，具有输出力矩大等优势。由于活塞与缸体之间有相对运动，就有可能产生不可预见的摩擦，缸体在高湿度、酸碱环境下锈蚀，密封圈受热变形导致张力不均匀等原因，使得两侧活塞受力不一致，造成执行机构的动作不顺畅，严重时出现卡涩导致阀门拒动。因此在已排除控制与供气方面的问题原因后，需要对气动执行机构进行部件解体检查，以消除故障。

图4 控制环路的检查

五、气动阀门拒动故障的诊断方法（图4）

控制指令经由上位机送至就地执行机构，传递过程中涉及软件组态、硬件状态、继电器、换向电磁阀及气缸等多项内容。控制信号的传递共经5个环节，各环节过程层层衔接，形成一条完整的控制环路，其中任意环节出现问题，都可能产生就地气动开关阀门的拒动故障。处理此类阀门故障时，按照指令的传递方向，结合PLC及WinCC组态软件的相关知识，依次检查逐步排除，能有效的定位故障点并予以消除。

六、结论

通过对气动两位阀门拒动问题的产生因素进行分析，结合运用现场实际的故障排查方法，仪控检修人员能快速有效地解决除盐水系统中的同类故障问题，该诊断方法也为其他PLC系统及DCS中提供借鉴，同时也有助于向运行调试人员及其他接口专业提供了定位故障点的参考。