關(guān)于PLC系統(tǒng)負(fù)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?xì)忮仩tPLC系統(tǒng)負(fù)荷控制邏輯中存在故障缺陷，在負(fù)荷設(shè)定值給定最大時(shí)，天然氣流量調(diào)節(jié)閥及變頻送風(fēng)機(jī)出口調(diào)節(jié)閥指令反而降至0%即全關(guān)，導(dǎo)致燃?xì)忮仩t在運(yùn)行過程中報(bào)出“主火檢信號丟失”，觸發(fā)MFT跳閘。本文分析了設(shè)備異常的原因，并提出了對應(yīng)的防范措施，解決了PLC系統(tǒng)負(fù)荷控制邏輯方面的缺陷。

1 燃?xì)忮仩t概述

1.1 燃?xì)忮仩t的基本情況

某廠共有兩臺燃?xì)忮仩t，額定流量為50t/h，額定壓力為1.5MPa，燃?xì)忮仩t結(jié)構(gòu)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(nèi)燃燒后，煙氣經(jīng)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(tǒng)由汽連管和水連管組成，爐膛內(nèi)的高溫汽水上升后經(jīng)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(jīng)過溫度調(diào)節(jié)后可以進(jìn)行外部供暖供氣，低溫水流入爐膛模塊的下集箱，后經(jīng)過爐膛模塊加熱再變成蒸汽，如此形成水循環(huán)系統(tǒng)。

1.2 燃?xì)忮仩t的控制結(jié)構(gòu)

1.2.1 控制對象介紹

燃?xì)忮仩t給水系統(tǒng)各有2臺給水泵、2個(gè)上水調(diào)節(jié)閥、1個(gè)減溫水調(diào)節(jié)閥，風(fēng)煙系統(tǒng)各有1臺變頻送風(fēng)機(jī)、1臺變頻再循環(huán)風(fēng)機(jī)、1個(gè)燃?xì)饬髁靠刂崎T和1個(gè)變頻送風(fēng)機(jī)出口風(fēng)門。燃燒器采用分體式燃燒器，配備點(diǎn)火器，用于自動(dòng)點(diǎn)燃天然氣。所有燃燒器和點(diǎn)火器都配備了火焰監(jiān)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(dòng)順序點(diǎn)火裝置和點(diǎn)火安全保護(hù)裝置。燃燒器具備檢漏、吹掃、點(diǎn)火、火焰監(jiān)測、熄火保護(hù)、進(jìn)氣壓力保護(hù)、風(fēng)壓保護(hù)、負(fù)荷調(diào)節(jié)等功能，且均為自動(dòng)控制。燃?xì)忮仩t負(fù)荷的調(diào)節(jié)主要通過燃?xì)饬髁靠刂崎T（以下簡稱氣門）和變頻送風(fēng)機(jī)出口風(fēng)門（以下簡稱風(fēng)門）的開度控制爐膛內(nèi)燃燒情況，從而升降燃?xì)忮仩t負(fù)荷進(jìn)行蒸汽流量調(diào)節(jié)。

1.2.2 控制系統(tǒng)組成控制系統(tǒng)方面，燃?xì)忮仩t控制采用AB ControlLogix5000 PLC控制和DeviceNet現(xiàn)場總線控制，PLC控制系統(tǒng)由控制器模塊、通訊模塊、網(wǎng)絡(luò)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(fā)生在控制器模塊中，本文要討論的PLC系統(tǒng)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(xié)議，燃?xì)忮仩tPLC系統(tǒng)中所有信號通訊傳輸至DCS系統(tǒng)（分散集中控制系統(tǒng)）中進(jìn)行監(jiān)控，操作人員可以在DCS系統(tǒng)發(fā)出指令對燃?xì)忮仩t進(jìn)行調(diào)控，同時(shí)能接收到現(xiàn)場的反饋信號，從而實(shí)現(xiàn)一體化集中控制。

1.2.3 負(fù)荷控制邏輯介紹

燃?xì)忮仩t負(fù)荷控制邏輯中，操作人員在畫面上通過手動(dòng)給定一個(gè)負(fù)荷設(shè)定值發(fā)送至PLC輸入模塊中，PLC系統(tǒng)讀取到這個(gè)負(fù)荷給定值后，發(fā)送給風(fēng)門和氣門的開度控制邏輯。在風(fēng)門和氣門接收指令并做好相應(yīng)開度調(diào)整之后，其閥門位置反饋信號再返回至PLC系統(tǒng)中，此時(shí)的負(fù)荷反饋其實(shí)是由氣門和風(fēng)門的開度對應(yīng)的函數(shù)所計(jì)算得出的，如圖1所示。

PLC系統(tǒng)負(fù)荷控制的具體定值是通過設(shè)置10組函數(shù)設(shè)定值，不同的負(fù)荷點(diǎn)對應(yīng)不同的氣門及風(fēng)門開度，從而進(jìn)行控制，見表1。即負(fù)荷在50%時(shí)，風(fēng)門開度為33%，氣門開度為41%；負(fù)荷在100%時(shí)，風(fēng)門開度為66%，氣門開度為66%。

表1 負(fù)荷控制函數(shù)設(shè)定值對照表Table 1 Load control function setting value comparison table

2 PLC系統(tǒng)模塊缺陷分析

2.1 故障現(xiàn)象描述

燃?xì)忮仩t運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷反饋90%，氣門開度59.2%，風(fēng)門開度60.1%；負(fù)荷升至100%過程中（負(fù)荷給定值為100%），氣門開至66.2%，風(fēng)門開至66.1%，此時(shí)負(fù)荷反饋100.1%，1s后風(fēng)門及氣門開始關(guān)小直至為0%，期間主火檢信號消失，觸發(fā)燃?xì)忮仩tMFT跳閘信號。

2.2 故障問題分析

操作人員在給定一個(gè)負(fù)荷設(shè)定值后，PLC系統(tǒng)將讀取到的負(fù)荷設(shè)定值發(fā)送至Jump To Subroutine模塊（以下簡稱JSR模塊）即跳轉(zhuǎn)至子程序模塊中。在使能滿足的情況下，自動(dòng)運(yùn)行這個(gè)子程序內(nèi)設(shè)定好的運(yùn)算邏輯。如圖2所示，JSR模塊在接收到QDGL_M_GFJPL_FK.Set（負(fù)荷設(shè)定值）信號后，會自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，在QDGL_M_FUHE9（負(fù)荷設(shè)定9）和QDGL_M_FUHE10（負(fù)荷設(shè)定10）兩個(gè)設(shè)定點(diǎn)中返回對應(yīng)的氣門指令信號、風(fēng)門指令信號，再由氣門和風(fēng)門的閥門反饋信號計(jì)算得出當(dāng)前的負(fù)荷反饋值。

在負(fù)荷升至100%，即最后一個(gè)負(fù)荷設(shè)定點(diǎn)時(shí)，對應(yīng)的氣門的開度設(shè)定值是66%，對應(yīng)的風(fēng)門的開度設(shè)定值是66%。但由于此時(shí)氣門位置反饋為66.2%，風(fēng)門位置反饋為66.1%，均超過了最后一個(gè)設(shè)定點(diǎn)的定值，此時(shí)PLC控制邏輯判斷定值不在10組函數(shù)設(shè)定值控制范圍內(nèi)。因此，氣門及風(fēng)門指令不再通過JSR模塊發(fā)送，即PLC系統(tǒng)沒有發(fā)送指令至氣門、風(fēng)門。

正常燃?xì)忮仩t負(fù)荷控制過程中，操作人員在DCS系統(tǒng)中并未對氣門、風(fēng)門等設(shè)備下達(dá)指令，僅僅給定了一個(gè)負(fù)荷設(shè)定值，燃燒調(diào)節(jié)中氣門、風(fēng)門的自動(dòng)控制均由PLC系統(tǒng)的負(fù)荷控制邏輯進(jìn)行判斷，然而在PLC系統(tǒng)沒有發(fā)送指令的情況下，此時(shí)由于與DCS系統(tǒng)仍在通訊控制中，DCS系統(tǒng)側(cè)的指令便取代了PLC系統(tǒng)側(cè)發(fā)送的指令，最終發(fā)生了閥門全關(guān)、燃?xì)忮仩tMFT的事件。

綜上，發(fā)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(tǒng)負(fù)荷控制邏輯所采用的函數(shù)設(shè)定JSR模塊在設(shè)定范圍外無法進(jìn)行判斷計(jì)算；三是PLC系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)的通訊本質(zhì)上是單向的，DCS系統(tǒng)向PLC系統(tǒng)單向發(fā)送指令并讀取PLC系統(tǒng)中的反饋信號，讀取不到PLC系統(tǒng)的實(shí)時(shí)指令信號。

在指令反饋偏差方面，負(fù)荷升至100%時(shí)，氣門位置開至66.2%，風(fēng)門位置開至66.1%，而氣門指令給定值為66%，風(fēng)門指令給定值為66%，指令反饋偏差達(dá)到0.2%≤1%，是符合設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的，且即使指令反饋偏差過大，控制邏輯側(cè)也不能關(guān)閉閥門。

在PLC系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)通訊方面，邏輯控制中的閥門指令為寫入過程，DCS系統(tǒng)作為上級通訊方，無法讀取PLC系統(tǒng)的寫入?yún)?shù)。在燃?xì)忮仩t升降負(fù)荷自動(dòng)控制過程中，PLC系統(tǒng)中氣門、風(fēng)門的指令跟隨負(fù)荷指令，DCS系統(tǒng)中的閥門指令僅作為手動(dòng)控制時(shí)的干預(yù)，無法實(shí)時(shí)對應(yīng)PLC系統(tǒng)中的自動(dòng)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(tǒng)負(fù)荷控制邏輯所采用的函數(shù)設(shè)定JSR模塊的定值進(jìn)行限制。

3 優(yōu)化措施

本文所探討的PLC系統(tǒng)控制模塊缺陷究其原因是：JSR模塊在接收到函數(shù)設(shè)定范圍以外的信號時(shí)，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(fēng)門進(jìn)入JSR模塊前，先進(jìn)行范圍限制，氣門最小設(shè)定值為20%，最大設(shè)定值為66%，風(fēng)門最小設(shè)定值為8%，最大設(shè)定值為66%。當(dāng)氣門、風(fēng)門位置反饋小于最小設(shè)定值時(shí)，限制其等于最小設(shè)定值；當(dāng)位置反饋大于最大設(shè)定值時(shí)，限制其等于最大設(shè)定值[3]，如圖3所示。

4 總結(jié)

經(jīng)過上述的改進(jìn)措施之后，消除了燃?xì)忮仩t負(fù)荷控制邏輯缺陷，燃?xì)忮仩t運(yùn)行也更加穩(wěn)定。負(fù)荷控制邏輯通過設(shè)置函數(shù)對應(yīng)的定值進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)，反饋信號超出定值范圍時(shí)，JSR模塊無法進(jìn)行有效計(jì)算。但其實(shí)，閥門的指令在無外部信號干涉下是不會發(fā)生變化的，本文所探討的情況是在PLC系統(tǒng)與其他系統(tǒng)進(jìn)行通訊的前提下，接收到了外部的指令信號，從而導(dǎo)致自動(dòng)控制中指令被外部指令信號所覆蓋，最終發(fā)生了控制失常，在通訊連接下的自動(dòng)控制所存在的各類問題，也值得深思考慮。