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壓力變送器模擬量故障保護功能的設計與實現(xiàn)
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壓力變送器模擬量故障保護功能的設計與實現(xiàn)

時間:2019-10-30 09:15:37
摘要:對某企業(yè)壓力變送器進行介紹,然后結合加熱爐系統(tǒng)誤停車現(xiàn)象,對控制系統(tǒng)中引起誤停車的模擬量斷路/短路故障保護策略進行詳細分析,#后提出并設計實現(xiàn)了控制回路、聯(lián)鎖變量在出現(xiàn)故障時的對應保護措施,可以為工業(yè)生產(chǎn)中其他類似項目提供參考。
加熱爐是化工企業(yè)的熱能動力設備,它的正常運轉(zhuǎn)是連續(xù)生產(chǎn)的重要保證。然而在調(diào)試及后續(xù)生產(chǎn)過程中,時常出現(xiàn)加熱爐因模擬量斷路/短路故障導致的誤停車現(xiàn)象。因此,在控制程序和上位組態(tài)中增加相應的模擬量故障保護功能就變得很有必要。筆者結合某化纖廠壓力變送器,對加熱爐誤停車主要原因之一的模擬量斷路/短路現(xiàn)象進行分析,從控制單元的數(shù)據(jù)處理特點著手,實現(xiàn)壓力變送器模擬量的故障保護功能。
1控制系統(tǒng)介紹
壓力變送器目前主要以SIEMENSS7-300PLC為控制核心單元,通過外圍控制電路(繼電器、安全柵及電源等硬件模塊)連接至現(xiàn)場執(zhí)行機構和傳感器,上位人機交互界面主要采用WinCC/組態(tài)王/觸摸屏。圖1為控制系統(tǒng)程序結20191030094058.jpg構框圖,主要包括點停爐時序控制、模擬量AI數(shù)據(jù)處理、單回路控制、負荷調(diào)節(jié)控制及報警聯(lián)鎖等內(nèi)容。當輸入模塊接收到的現(xiàn)場信號經(jīng)CPU處理后達到報警聯(lián)鎖條件時,便觸發(fā)程序中的報警聯(lián)鎖響應,#終由輸出模塊通過報警指示燈、執(zhí)行機構聯(lián)鎖動作等輸出。加熱爐控制回路分為負荷調(diào)節(jié)回路和其他單回路,負荷調(diào)節(jié)回路是由介質(zhì)出口溫度、燃油流量、助燃風流量及殘氧量等回路構成的復雜串級交叉控制回路。此外,為保證系統(tǒng)安全運行,還設有多個報警聯(lián)鎖點,主要包括介質(zhì)出口溫度、介質(zhì)盤管溫度、介質(zhì)流量、殘氧量及膨脹罐液位等。
2故障保護方法分析
系統(tǒng)停車包括響應現(xiàn)場工藝參數(shù)變化的聯(lián)鎖停車以及與現(xiàn)場工藝參數(shù)不符的誤停車。引起系統(tǒng)誤停車的原因是控制系統(tǒng)接收到與現(xiàn)場實際不符的儀表信號,包括開關量和模擬量,筆者主要討論模擬量的情況,此種情況主要是由信號斷路/短路造成的。下面針對模擬量斷路/短路的故障保護策略進行分析。
2.1模塊自帶診斷功能分析
目前壓力變送器模擬量AI輸入模塊主要采用331-7KF02-0AB0的4通道8點輸入模塊,其輸入屬性包括診斷中斷和超出限制時硬件中斷,如圖2所示[1]。
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2.1.1診斷中斷
AI模塊331-7KF02-0AB0診斷中斷功能可以檢測內(nèi)部故障,包括硬件故障(如EPROM故障、RAM故障及內(nèi)部電源故障等)和軟件故障(如模塊參數(shù)錯誤、通道組態(tài)錯誤等),還可以檢測外部故障(如外部輔助電源丟失、缺少前連接器及斷路等)。在圖2中勾選組診斷,可啟用斷路監(jiān)視和相應的診斷信息。需要注意的是,如果組態(tài)為電壓型傳感器時,只有±80mV和±250mV的電壓信號才可以進行斷路監(jiān)視;如果組態(tài)為四線制電流傳感器時,只有4~20mA的電流信號才可以進行斷路監(jiān)視。
當模塊檢測到錯誤或是消除錯誤時,CPU操作系統(tǒng)會調(diào)用組織塊OB82,在OB82中包含基本的診斷信息,可以提供錯誤發(fā)生的時間、錯誤所在模塊信息等。如果想進一步評估診斷模塊的數(shù)據(jù),可以通過調(diào)用SFC51、SFC59等系統(tǒng)函數(shù)來獲得更具體的通道診斷信息。
2.1.2超出限制時硬件中斷
AI模塊331-7KF02-0AB0具有可以觸發(fā)硬件中斷的功能。如圖2所示,如果激活超出限制時硬件中斷,則會在超出或低于限定值時,調(diào)用硬件中斷組織塊OB40。在OB40的用戶程序中,可以編寫系統(tǒng)對硬件中斷進行響應的程序。OB40的臨時變量OB40_MDL_ADDR存放中斷模塊的地址,OB40_POINT_ADDR可以讀取中斷模塊產(chǎn)生的中斷狀態(tài)。如果沒有硬件中斷產(chǎn)生,中斷模塊地址OB40_MDL_ADDR為0;當存在硬件中斷時,中斷模塊地址OB40_MDL_ADDR顯示該模塊的起始地址。
需要注意的是,只有通道0和通道2具有硬件中斷功能,其他通道的輸入都不能觸發(fā)硬件中斷。因此,采用硬件診斷判斷331-7KF02-0AB0卡件斷路/短路存在一定的限制,而采用其他功能更為強大的全通道診斷卡件則會帶來成本的上升。
2.2控制器內(nèi)部數(shù)值分析
SIEMENSS7-300PLC處理模擬量的方式為將現(xiàn)場儀表傳送過來的4~20mA信號轉(zhuǎn)換為對應的0~27648之間的系統(tǒng)字。如果現(xiàn)場儀表或線路出現(xiàn)斷路/短路故障,則電流范圍不再是4~20mA,轉(zhuǎn)換的數(shù)字量也就不再對應0~27648,利用CPU的這個內(nèi)部數(shù)值特性,對模擬量故障保護進行分析。
壓力變送器中的模擬量輸入為二線制和四線制儀表,接線方式如圖3所示。二線制是相對于四線制(兩根供電線路、兩根通信線路)來說的,將供電線纜與信號線纜合二為一,兩根線纜實現(xiàn)通信兼供電功能。從標準意義來說,對于二線制儀表,AI模塊能接收到4~20mA的電流信號,如果線路斷路則AI模塊接收到的電流為0mA,如果線路短路則AI模塊接收到的電流大于20mA;對于四線制儀表,無論信號斷路還是短路,AI模塊接收到的電流均為0mA。
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4~20mA電流測量范圍內(nèi)的模擬值見表1。對于電流型儀表,當輸入電流大于20.0000mA小于等于22.8100mA(對應系統(tǒng)字32511)時處于過沖范圍,當輸入電流大于22.8100mA小于等于22.9600mA(對應系統(tǒng)字32767)時處于上溢范圍,#大系統(tǒng)字為32767;當輸入電流小于4.0000mA大于等于1.1850mA(對應系統(tǒng)字-4864)時處于下沖范圍,當輸入電流小于1.1850mA大于等于0.0000mA(對應系統(tǒng)字-32768)時處于下溢范圍,#大系統(tǒng)字為-32768。
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根據(jù)以上分析,針對不同接線類型的儀表,雖然AI模塊內(nèi)部數(shù)值處理方式不同,但是在出現(xiàn)故障時,AI模塊輸出的系統(tǒng)字均為32767或-32768,見表2。所以在進行模擬量斷路/短路故障保護功能時可以利用系統(tǒng)的這一特點。這種處理方式考慮了系統(tǒng)長時間運行后變送器輸出信號的偏離情況,也充分運用了AI模塊內(nèi)部的斷路/短路故障處理方法[2]。
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2.3故障保護策略的選擇
通過上述分析可以發(fā)現(xiàn),壓力變送器中的AI模塊自身具有一定的診斷中斷功能,斷路診斷是其中的一部分。但該功能存在如下缺點:對模擬量斷路故障保護來說,每設計一個新的工程,都需要進行新的硬件組態(tài),并且需要多個組織塊程序的編寫,步驟繁瑣且易出錯;對模擬量短路故障保護來說,超出限制時硬件中斷功能只適用于
1個通道,即通道0或通道2,功能不完善,不宜選
用。而利用SIEMENSS7-300PLC內(nèi)部數(shù)值的特點,可以采用相對簡單的編程設計實現(xiàn)斷路/短路故障處理,且具有較強的可移植性。
3故障保護功能設計
根據(jù)表2中系統(tǒng)字的特點和現(xiàn)場驗證,模擬量斷路/短路故障的檢測方法是判斷系統(tǒng)字是否等于-32768或32767,若等于,則系統(tǒng)執(zhí)行相應的報警和保護動作。筆者主要從控制回路、聯(lián)鎖變量和上位實現(xiàn)3個方面進行故障保護功能的設計。
3.1控制回路的故障保護
正常運行的壓力變送器,各個控制回路通常都處于PID自動調(diào)節(jié)狀態(tài)。當現(xiàn)場傳送至AI模塊的儀表信號出現(xiàn)斷路/短路故障時,CPU接收的實測值(控制回路PV值)可能為0或滿量程,不能真實地反映現(xiàn)場工藝參數(shù)。由于控制回路處于自動控制狀態(tài),此時現(xiàn)場執(zhí)行機構的閥門開度(控制回路MV值)會一直減小或增大,直至#終達到程序限定值,從而導致PID調(diào)節(jié)失控。此種情況易引發(fā)其他工藝參數(shù)產(chǎn)生變化,使加熱爐工作狀態(tài)不穩(wěn)定而導致聯(lián)鎖停車,甚至可能發(fā)生爆燃事件造成不必要的經(jīng)濟損失。因此當控制系統(tǒng)檢測到變量PV值對應的線路出現(xiàn)斷路/短路故障時,應在地衣時間將控制回路切換為手動控制方式,避免引起現(xiàn)場執(zhí)行機構大范圍波動,維持當前的生產(chǎn)狀態(tài),保持工藝參數(shù)的穩(wěn)定。表3給出了壓力變送器負荷調(diào)節(jié)相關回路在執(zhí)行斷路/短路故障保護功能前后的控制狀態(tài)。
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用戶程序中,以介質(zhì)出口溫度控制回路為例,shou先對介質(zhì)出口溫度的斷路/短路故障進行檢測,如果出口溫度回路故障指示M34.0變?yōu)?,則將M34.0送至手/自動切換SR觸發(fā)器,使控制回路在地衣時間切為手動控制狀態(tài),如圖4所示。
3.2聯(lián)鎖變量的故障保護
在壓力變送器中,參與聯(lián)鎖的變量出現(xiàn)斷路/短路故障時,即使現(xiàn)場實際工藝參數(shù)處于正常范圍之內(nèi),但上位畫面顯示值為0或滿量程,也會導致誤停車。因此當控制系統(tǒng)檢測到聯(lián)鎖變量出現(xiàn)斷路/短路故障時,需要做保持故障前值處理,然后再由維保人員盡快進行故障線路的檢查維修,避免系統(tǒng)誤停車。以介質(zhì)流量為例,進行斷路/短路故障保護程序設計(圖5)說明。這里巧妙地對介質(zhì)流量的硬企業(yè)微信截圖_20191030094153.jpg件地址PIW392進行了中轉(zhuǎn),即新建一個數(shù)據(jù)塊DB8,用于模擬量數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn),后續(xù)對PIW392進行數(shù)據(jù)處理時,全部用DB8.DBW88替代,由于加上模擬量斷路/短路故障判斷條件M34.1,當故障產(chǎn)生時,M34.1斷開,DB8.DBW88便可保持故障前的數(shù)據(jù)不變,直到故障消失,M34.1導通,這樣便可實現(xiàn)聯(lián)鎖變量的正常讀數(shù)和故障前的數(shù)據(jù)保持功能。
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3.3上位實現(xiàn)的故障保護
當模擬量出現(xiàn)斷路/短路故障時,應在上位機或觸摸屏等人機界面上進行相應級別的報警,提醒操作人員關注參數(shù)變化,調(diào)整工藝參數(shù),保障生產(chǎn)進行,以防誤停車事件發(fā)生。
在壓力變送器中,有的變量參與控制調(diào)節(jié),有的變量參與聯(lián)鎖停車,有的變量僅用于報警或顯示。模擬量在控制系統(tǒng)中所起的作用不同,發(fā)生故障時所采取的措施也就不同。因此,當發(fā)生斷路/短路故障時,對參與控制調(diào)節(jié)、聯(lián)鎖停車的模擬量,進行聯(lián)鎖停車級別的聲光報警,對僅用于報警和監(jiān)控的模擬量,進行普通報警級別的聲光報警即可。
由于模擬量斷路/短路故障的特殊性,不屬于工藝參數(shù)的實際變化,所以在進行報警提醒時,也需要用特殊的報警聲音進行區(qū)分,比如可以通過第三方軟件編輯成音頻“模擬量斷路/短路報警,請檢修!”等,并在畫面報警區(qū)域進行醒目的顯示,以便和實際工藝參數(shù)變化的模擬量報警區(qū)分開來。
4結束語
通過上述分析和現(xiàn)場實際應用,在壓力變送器中實現(xiàn)了模擬量斷路/短路故障保護功能,可以對模擬量斷路/短路故障進行有效的檢測判斷,通過將控制回路切換為手動狀態(tài)、保持聯(lián)鎖變量故障前值,從而避免了控制回路失控并減少了加熱爐誤停車次數(shù),同時對故障模擬量進行特殊的聲光報警,方便了檢修人員快速查找并排除故障,有效地保障了企業(yè)生產(chǎn)的順利進行,可以對其他類似項目提供借鑒和參考。
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