Symphony控制系統(tǒng)中閥門伺服控制卡的故障分析與預(yù)防

李 雷，劉 冰

(大唐安徽淮南洛河電廠，安徽 淮南 232008)

1 機(jī)組概況

某發(fā)電有限公司5，6號(hào)機(jī)組鍋爐由上海電氣集團(tuán)股份有限公司制造，為超臨界變壓運(yùn)行直流鍋爐，采用Π型布置、單爐膛、四角切圓燃燒方式、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼懸吊結(jié)構(gòu)。汽機(jī)是由上海汽輪機(jī)有限公司制造的超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機(jī)，發(fā)電機(jī)是由上海汽輪發(fā)電機(jī)有限公司生產(chǎn)的自并勵(lì)靜態(tài)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)。

機(jī)組控制系統(tǒng)采用美國(guó)ABB貝利控制有限公司的Symphony分散式控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)主要包括：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)、模擬量控制系統(tǒng)(MCS)、順序控制系統(tǒng)(SCS)、旁路控制系統(tǒng)(BPS)、爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)、汽機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)、給水泵汽機(jī)控制系統(tǒng)(MEH)以及電氣系統(tǒng)(ECS)等。

5，6號(hào)機(jī)組在5年多的運(yùn)行時(shí)間里，汽機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)與給水泵汽機(jī)控制系統(tǒng)(MEH)的硬件多次發(fā)生故障，影響了機(jī)組的安全運(yùn)行。尤其是閥門伺服控制卡(IMHSS03)的故障率較高，該模件是Symphony分散式控制系統(tǒng)中專門用于控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的伺服閥位置的控制模件。由于600 MW超臨界機(jī)組的汽輪機(jī)負(fù)荷控制只有4個(gè)高調(diào)門，因此該模件一旦發(fā)生故障，就會(huì)影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)該模件的異常現(xiàn)象和實(shí)際故障情況，以下進(jìn)行分析。

2 IMHSS03模件工作原理

2.1 IMHSS03模件的功能

IMHSS03模件是控制器模件與伺服閥之間的接口，對(duì)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供手動(dòng)或自動(dòng)控制功能。DEH系統(tǒng)通過IMHSS03模件對(duì)汽輪機(jī)的高壓主汽門、高壓調(diào)節(jié)汽門位置進(jìn)行精確控制。該模件通過調(diào)整送到伺服閥的電流，可以改變油動(dòng)機(jī)的位置。液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)就可以通過該信號(hào)定位汽輪機(jī)的蒸汽調(diào)節(jié)閥。隨著閥門開度大小的變化，可以調(diào)整進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量，從而控制汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速或負(fù)荷。線性差動(dòng)變壓器(LVDT)為液壓伺服子模件提供油動(dòng)機(jī)的位置反饋。IMHSS03模件與頻率計(jì)數(shù)模件IMFCS01以及控制器模件一起工作?？刂破鞲鶕?jù)從FCS模件輸入的數(shù)據(jù)計(jì)算汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速或負(fù)荷，再按照預(yù)定的控制策略驅(qū)動(dòng)伺服閥的輸出。

2.2 IMHSS03模件的結(jié)構(gòu)與原理

IMHSS03模件包括中央處理器(CPU)、存儲(chǔ)器與通訊線路的智能模件。二級(jí)放大器組成的具有調(diào)節(jié)功能的智能控制器，占模件安裝的1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)槽位。IMHSS03的控制輸出為PI運(yùn)算(比例＋積分運(yùn)算)的結(jié)果。同時(shí)，在IMHSS03的控制輸出回路中，引入了汽輪機(jī)跳閘偏置信號(hào)(TRIP BIAS)，保證各個(gè)調(diào)節(jié)閥的可靠關(guān)閉。

IMHSS03模件的控制原理如圖1所示。其中：CW為控制總線；BRC為相互冗余的橋式控制器；LVDT為閥門位置發(fā)送器；COIL為伺服閥線圈；NIS為網(wǎng)絡(luò)接口模塊；NPM為接口處理模塊。

圖1 IMHSS03模件的控制原理

IMHSS03在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速或負(fù)荷的控制過程中，完成對(duì)高壓主汽閥、高壓調(diào)節(jié)閥、中壓調(diào)節(jié)閥門的開度控制。由操作員或工程師發(fā)出指令，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)接口模塊(NIS)和接口處理模塊(NPM)；再由控制總線(CW)傳遞到橋式控制器(BRC),由BRC將數(shù)據(jù)傳遞至IMHSS03，由IMHSS03控制模件控制油動(dòng)機(jī)的行程；同時(shí)LVDT通過差動(dòng)信號(hào)將閥門的位置反饋送至IMHSS03。中央處理器(CPU)對(duì)指令和反饋信號(hào)進(jìn)行比較處理后，把控制數(shù)據(jù)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，形成電流指令驅(qū)動(dòng)伺服閥。同時(shí)，中央處理器(CPU)還要擔(dān)負(fù)處理其他事件的功能，如信息通信管理、控制模件故障自診斷功能以及輸入/輸出故障報(bào)警功能等。

采用Symphony系統(tǒng)的DEH控制系統(tǒng)采用1只LVDT位置傳感器，由IMHSS03在LVDT初級(jí)線圈上提供400～15 000 Hz頻率的激勵(lì)電壓(FC55選擇大、小等級(jí))。LVDT次級(jí)線圈是2組反向纏繞的繞組，在LVDT次級(jí)得到一個(gè)與油動(dòng)機(jī)位置信號(hào)成正比的差動(dòng)電壓信號(hào)，IMHSS03將這一差動(dòng)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并傳遞給BRC。BRC根據(jù)在閥門校驗(yàn)期間所建立并存儲(chǔ)的組態(tài)數(shù)據(jù)，把LVDT的差動(dòng)電壓信號(hào)，變成油動(dòng)機(jī)位置信號(hào)，并進(jìn)行自診斷。

如果發(fā)生IMHSS03與BRC通訊中斷的情況，IMHSS03提供一個(gè)輸入接口，由操作人員手動(dòng)控制機(jī)組的安全運(yùn)行。同時(shí)，IMHSS03模件還提供跳閘偏置電路，在需要時(shí)能及時(shí)關(guān)閉所有調(diào)門，以確保機(jī)組的安全。

IMHSS03模件是用I/O通道的保險(xiǎn)作為保護(hù)的，當(dāng)外回路LVDT的接線和伺服閥的接線發(fā)生短路時(shí)，會(huì)燒壞IMHSS03模件上的保險(xiǎn)電阻，有時(shí)甚至可能會(huì)引起電源部分的損壞。這就要求在檢修汽機(jī)閥門的LVDT或更換伺服閥時(shí)，一定要事先拔出IMHSS03模件。

IMHSS03模件的主板上有2塊子模件板，在運(yùn)行中如果子模件板接觸不好，則有可能會(huì)造成反饋信號(hào)丟失或發(fā)生模件故障，因此在卡件檢修或安裝前一定要對(duì)模件上的子模件板進(jìn)行緊固，以保證模件工作的正常。

通過在工程師站軟件上在線監(jiān)視FC55號(hào)功能碼的N+6模件狀態(tài)、N+7 LVDT狀態(tài)，對(duì)照功能碼手冊(cè)查閱，可以很快找到模件故障問題。

3 IMHSS03模件的典型故障及解決辦法

3.1 IMHSS03模件的典型故障

故障1：2012年6月，5號(hào)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，3號(hào)高調(diào)門突然關(guān)閉，經(jīng)過運(yùn)行人員的一系列調(diào)整處理，機(jī)組恢復(fù)正常運(yùn)行。2013年9月，6號(hào)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，1號(hào)高主調(diào)門突然關(guān)閉，造成6號(hào)機(jī)組大幅度降負(fù)荷，汽輪機(jī)軸承溫度快速上升，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行。

故障2：2011年10月，6號(hào)機(jī)組2號(hào)高調(diào)門在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)振蕩，造成EH油管路也隨之振蕩，機(jī)組負(fù)荷也在波動(dòng)。以后該機(jī)組又多次出現(xiàn)類似現(xiàn)象。

故障3：2010年6月，在6號(hào)機(jī)組停運(yùn)檢修期間，做汽輪機(jī)相關(guān)試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)由于“EH油壓低”信號(hào)一直存在，汽輪機(jī)掛不上閘。仔細(xì)查找EH油管路卻沒有發(fā)現(xiàn)泄露點(diǎn)，EH油箱油位正常，后來發(fā)現(xiàn)伺服閥表面溫度較高，內(nèi)部有EH油流動(dòng)的聲音。把IMHSS03拔出后，EH油壓瞬間恢復(fù)正常。

3.2 IMHSS03模件故障的分析與處理

針對(duì)故障1，熱控人員經(jīng)過認(rèn)真仔細(xì)的檢查，發(fā)現(xiàn)IMHSS03模件的狀態(tài)報(bào)警燈閃爍報(bào)警，用萬用表在端子上測(cè)到伺服閥線圈的輸出電流為0,確認(rèn)為IMHSS03模件本身故障，更換新的IMHSS03模件后，調(diào)門控制正常。仔細(xì)檢查更換下的模件后，確認(rèn)是IMHSS03模件的輸出功率放大器故障。造成故障的原因主要是IMHSS03模件質(zhì)量問題，其抗電源擾動(dòng)能力不強(qiáng)，帶負(fù)載能力較弱。

針對(duì)故障2，熱控人員首先對(duì)測(cè)量線路進(jìn)行屏蔽檢查，并對(duì)可能造成干擾的疑點(diǎn)進(jìn)行處理。另外，由于IMHSS03本身是一個(gè)PID控制器，它在設(shè)計(jì)中將I(積分)、D(微分)固定為常數(shù)，可調(diào)整的控制參數(shù)即為比例增益，增大增益就是降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但可提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。因此，對(duì)IMHSS03模件的比例增益進(jìn)行了適度的降低調(diào)整，并且對(duì)閥門位置傳感器LVDT也進(jìn)行了校對(duì)、緊固和重新調(diào)整，解決了調(diào)門振蕩的問題。

針對(duì)故障3，由于IMHSS03模件在硬件上有一個(gè)P+I的環(huán)節(jié)，因閥位指令與閥門反饋一直存在偏差，積分環(huán)節(jié)一直在起作用，使得閥門指令輸出最終達(dá)到最大值，造成伺服閥中進(jìn)、回油始終處于通路狀態(tài)，EH油壓下降較多。處理的重點(diǎn)是要重新確定各個(gè)閥門的位置開度，確保其在LVDT的線性范圍內(nèi)，在停機(jī)狀態(tài)下，確保調(diào)門的反饋要略高于指令。這樣，即使P+I環(huán)節(jié)起作用，但因?yàn)槭秦?fù)偏差，指令的輸出始終是負(fù)的最大值，不會(huì)對(duì)伺服閥中的油路造成影響。此后，在每次停機(jī)時(shí)都會(huì)對(duì)各個(gè)調(diào)門的反饋信號(hào)進(jìn)行檢查調(diào)整，并在DEH中將機(jī)組跳閘后的指令信號(hào)置為-1 %，徹底解決了這個(gè)問題。

4 采取的措施

IMHSS03模件在運(yùn)行中頻繁調(diào)節(jié)，功耗相對(duì)較大，這也是造成IMHSS03模件頻繁發(fā)生故障的原因之一。為了保證控制模件能長(zhǎng)期正常運(yùn)行，減少故障的發(fā)生，建議采取以下改進(jìn)措施。

(1)環(huán)境方面：保持控制模件工作環(huán)境干凈，模件表面灰塵多，容易使模件散熱條件變壞，造成元器件損壞，也容易使控制模件表面產(chǎn)生大量的帶電離子，從而產(chǎn)生靜電，損壞控制卡件。

(2)電源方面：要盡可能保持電源穩(wěn)定，模件上的電源與通訊模件接口預(yù)制電纜部分接觸要可靠，防止因接觸不良使得電源電壓不穩(wěn)定。

(3)LVDT方面：由于IMHSS03模件要向LVDT的原邊提供激勵(lì)電壓，如果激勵(lì)電壓過高也會(huì)使得IMHSS03模件負(fù)擔(dān)太重，從而誘發(fā)故障。因此，在滿足運(yùn)行條件的情況下，要盡可能降低激勵(lì)電壓；做好LVDT的安裝與接線工作，每次停機(jī)都要對(duì)接線進(jìn)行緊固檢查，防止接線接觸不良。要做好電纜的屏蔽工作，防止強(qiáng)靜電干擾誤入控制卡件。同時(shí)還要盡量選擇內(nèi)阻較小的LVDT，降低IMHSS03控制卡件的負(fù)載。

(4)機(jī)組停運(yùn)時(shí)，閥位指令要與閥門位置反饋信號(hào)平衡，否則在硬件模件積分的作用下，會(huì)造成伺服閥發(fā)生偏移，從而造成EH油壓降低。

(5)TRIP BISE(汽機(jī)跳閘指令偏置)指令在停機(jī)后應(yīng)消失，否則會(huì)因?yàn)樗欧y內(nèi)滑閥一直在偏移狀態(tài)，使得EH油壓過低，造成機(jī)組下次啟動(dòng)掛不上閘，同時(shí)也會(huì)對(duì)伺服閥的壽命造成很大影響。