摘要：對某企業(yè)壓力變送器進行介紹，然后結(jié)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(shè)計實現(xiàn)了控制回路、聯(lián)鎖變量在出現(xiàn)故障時的對應(yīng)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(shè)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(yīng)的模擬量故障保護功能就變得很有必要。筆者結(jié)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(gòu)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(jié)
構(gòu)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(yīng)，#終由輸出模塊通過報警指示燈、執(zhí)行機構(gòu)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(gòu)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(shè)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。
構(gòu)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(yīng)，#終由輸出模塊通過報警指示燈、執(zhí)行機構(gòu)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(gòu)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(shè)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(yīng)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(guān)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］。
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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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。
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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)系統(tǒng)字－32768)時處于下溢范圍，#大系統(tǒng)字為－32768。
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(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)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(gòu)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(yīng)的線路出現(xiàn)斷路/短路故障時，應(yīng)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(gòu)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(guān)回路在執(zhí)行斷路/短路故障保護功能前后的控制狀態(tài)。
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(shè)計(圖5)說明。這里巧妙地對介質(zhì)流量的硬
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。
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。
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(yīng)在上位機或觸摸屏等人機界面上進行相應(yīng)級別的報警，提醒操作人員關(guān)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(jié)束語
通過上述分析和現(xiàn)場實際應(yīng)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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