基于S7-1200 PLC的风机控制系统典型故障分析与处理.pdf

7 9 8 化工自动化及仪表 第 4 4卷 基 于 S 7 - 1 2 0 0 P L C的风机控制 系统 典型故 障分析与处理 刘海 泉顾 胜 前 汪 斌 温 涛 中国石油西南油气 田分公司重庆天然气净化总厂 摘要介绍 了天 然气净化厂硫磺 回收装置风机控 制 系统 的组成 和控制原理 ， 总结分析在 日常维 护 中 遇到的典型故 障及其原 因， 并给 出了相应的处理方 法。 关 键 词 S 7 - 1 2 0 0 P L C风 机 控 制 原 理 故 障 分 析 中图分类号T H 8 6 5 文献标 识码 B 文章编 号 1 0 0 0 ． 3 9 3 2 2 0 1 7 0 8 - 0 7 9 8 -．0 4 风机在工业生产 中被广泛应用， 重庆天然气 净化总厂硫磺 回收装置采用英格索兰离心风机 ， 此 风 机利用 风 机 动 能 提 升 空气 压 力 、 增 加 空 气 能 量 ， 并将空气运输到下游 的主燃烧 炉对酸气进行 充分燃烧。为了保障安全生产， 提高生产效率 ， 离 心风机控制系统采用 s 7 ． 1 2 0 0 P L C系列产品。根 据用户设定 的压力来实现控制风机出口压力的恒 定 ， 同时 ， P L C实 时监 控 风 机 运 行 的 电 流 、 轴 承 温 度 、 振 动 、 空 气 流量及 压力 等参 数 。该风 机控 制 系 统主要 由 P L C及其 功能模块 、 执行机构 、 测量反 馈部件 传感器 、 变送器 等组成 。 1 风 机 基本控 制原 理 利用压力变送 器检测风机输 出空气压 力值 被控制量 的实际值 P V ， P L C控制系统将输出 量 的实际值与设定值 S P 输入量 进行 比较得 出偏差值 ， 用偏差值产生控制调节作用去消除偏 差 ， 使得输出量维持期望的输 出。 英格索兰离心风机采用 的是恒压控制原理， 即根据用户的设定压力来控制， 主要根据系统压 力 和 电机 电流 来 调 节 进 气 阀和 放 空 阀 旁 路 阀 的开度 以达 到 恒压 控 制 ， 该 风 机 控制 系统 的构 成 如图 1所示 。 图 1 风 机控 制 系统 示意 图 作者 简介 刘海泉 1 9 8 8 - ， 助理工程师 ， 从事化工仪表 的维护工作 ， 4 1 0 3 1 5 0 1 2 q q ． c o m。 第 8期 刘f f }} 泉等． 毡 r 7 1 2 0 0 P 1 的风机 制 系统 刑故 障分忻 处 2 典 型故 障分 析与 处理 2 ． 1 S 7 1 2 0 0 P I C C P U l 4 l 5 C 模 式 改 变 ， J x l 机 不能 启动 故障 现象 为 a ．风 机供 电 l 常 ， P I c控 制柜 各模块 供 电 正 常 ， 各 检测 元件 i E 常 ， 各 连接 线 L F 常 ； b ．检 查人 U阀 、 出 口阀 的初 始 状 态 止 常 ， 发 现 放空 阀定 位 器 的 显 示 器 兀 示 ， 检查 该 定 位 器 电流输 入端 无 电流 值 ； C ．观 察 P 1 J C柜模 拟 量 模块 S M1 2 3 1 、 数 字 处理 模 块 S M1 2 2 1 和通 信 模 块 R S - 4 8 5 L E D灯 点亮 状 态正 常 ， 发 现 P L C控制 器 L E D指示灯 颜 色 为橙 色 ， 启动 风机 时 l尢任 何响 应 、 从故 障现 象 米分 析 ， 故障点 有两 点 第 1点 是 P I c的 S T O P ／ RU N指 示灯 状 态 示 橙 色 ， P I c的 [ 作 模 式 已经改 变 ； 第 2点 足 } { 1 u阀定 f 显 示 器上 尢 永 ， 无 { l Ij - 示 的原 囚足 定化器 无 作 电 流 ， 而定 位 器 的 被 控 电 流 足 从 P J ． c控 制 器输 的 。 经 询 问现 场操 作 人 员 ， J ， 解 剑 是 仪 表操 作 人 存 更换通 信模 块 时 ， 没有 及 时 断 丌 P L C 作 电源造 成 此故 障。 风机 采用 的控 制 器 为 s 7 一 l 2 0 0系列 ，C P U 型 号为 C P U1 2 l 5 C C P U有 3种 工 作 模 式 R U N 运 行 、 S T O P 停 饥 、 S T A R T U P J 动 l 】 u 的 L E D灯 指示 橙色 ， 表 示该 c I U 已经 处 于 停止 模式 C P [ J 状 态灯 指 爪 含义 见表 1 。S T O P模 式 执 行 用 户程 序 ， 所 仃 的输 出被 禁 止 或按 纰 念 时 的设 置提供替代值或保持最后 的输 出值一 检测 P I c 到放 阀定 位 器的 电流输 入端 ， 无 电流 值 ， 故定 位 器 显乐 器无 示 、 表 1 C P U状 态指 示 灯含 义 解决措施 通过双绞线 ， 利用 s 7 1 2 0 0提供的 集成 P r o f i n e t 接 口 与安装 有 P I C编 程软 件 的 计算 机通 信 ， 将 P L C 由停 止 模 式 切换 成 运 行 模 式 ， 切 换 方法 如 2所 示 图 2 S 7 1 2 0 0与计 算机 通信 界 面 点 f I刘2的右 I 方 的 R U N ／ S 1 、 O P按 钏 。 ， 【 I i 停 J 模式 切换 成运 行 模式 时 ， 其状 态指 示 为绿 色 ， 表 示运 模 式 切 换 成 功 。 同时 ， I I | 模 块 换 模式 i , E 1 指 示 灯 山橙 色 变 成绿 色 P I 【 从 I 1 -． 模式 成功 切换 成 运 行 模 式 时 ， P I 端 门 r 输 } } 』 ， 放 阀的定位 { 羟 } 有 示 I} i{ I 化 度 值 在 常 P L c 和 各 模 块 维 护 时 ， 需 要 忠 点 在更 换 与 P L C连接 的各 功能 模块 时 需 婴在 断 电情 况下 进 行操 作 ； 更 换 同型 号模 块 时 不 川 新 组 态 ． 、 2 ． 2 人 L 1 阀 丁 F 度 变大 引起 风 机 启 动过 程 “ 现 过载 或停 机 故障 现象 为 常启 动风 机时 ， 风机 通过 『 I 愉 后 ， 电机 ”始运 转 ， f } 1 电机 运转过 l 出现 J I 机运 行 电流值 超过 设定 的报 警 f f 【 2 0 0 报 警 ， 电流 艟达 2 1 O A时则 停 机、 启动 风机 后 ， 其运 行 状 态 为 允入 口 ⋯ 关至 全 』 } 运 行到 起 始化 入 【 』 自榆 ， 次 电 机开 始运 转 ， 时 打 开出 口阀 ， 放 。 全 ， 坡 后 系统进 行恒 压控 制 。在查 看 与检测 电机 的各项 检 测参数 时 ， 未发现 电机本 身有 任何 问题 ， 仅 电机运 行 电流 增 大 ， 窄气 出 口压 力 、 窄 流境 已超 出系统 设定值 。汁算风 机 卒气流 量公 式 为 F Cl。 p 3 C 4 r 一 ‘ 1 I ． C4 式 中 ． ． ．， 风 机运 行 电流 ； c． 风 机 系数 ， 1 ， 2， 3， 4； F 风机 入 口流鼍 ， N 13 1 ／ l l 1 由 I 式 可 以看 出 ， 空 气 流量 与 风机 运 行 电流 绀 成一元 多次 方程 根 据 风机 的 l1 作 原 硎 ， 风 机 的“ Q H” 性 能 曲线 管道 阻力 I } f l 线 的 交点 为风 机 化工自动化及仪表 第 4 4卷 的工况 点 ， 故改 变 风 量 的 实 质 是 改变 风 机 的工 况 点 。风机 通过 节流 调节 和转 速调 节两 种方 法 来改 变风量。为了减少风机 的轴功率 ， 节流调节是在 风机 入 口 侧 安 放 圆 管 蝶 阀 ， 利 用 改 变 蝶 阀 转 角 即开 度 来实 现 的 。 解决措 施 减小 风机 入 口阀起 始 位 ， 将 以前 的 4 0 ％ 的开度 设 置在 2 5 ％ ～ 3 0 ％ 范 围 内 ， 否 则 风机 内阻力太小 ， 风量太大 ， 电机功率过高而电流超出 报 警 值 。 在减小入 口阀起 始位时应注意两点 入 口阀 起 始 位不 能设 置 过 小 而 引 起 喘 振 ； 启 动 风 机前 观 察入 口阀实 际起始 位是 否 与系统 设 定 的起始 位 相 差甚 大 ， 否则需 对人 口阀执 行机 构进 行调 整 。 2 ． 3执行 机构 不 动作 引起 风机停 机 故障现 象 为 风 机 出 口阀 、 放 空 阀不 动 作 ， 阀 卡 、 阀位动 作不 到位 等 ， 引起 风 压系 统一 直超 系 统 设 置 压力 ， 或是 提 升不 到设 定 压 力 ， 严重 则 引起 风 机 系 统联 锁 。 当 阀位 动 作 不 到 位 时 ， P I C接 收 不 到 阀位反 馈信 号也 会 引起 风机 联锁 停 机 。针 对 以 上 两 种故 障情 况采 取相 应 措施 如下 。 2 ． 3 ． 1 阀不 动作 阀不动作一般表现在执行机构故障、 泄漏 ； 没 有气 源 、 气 源不 足 或气 源接 头破 裂 漏气 ； P L C无 输 出信号 ； 阀杆 、 轴 、 阀 内件 卡 死 、 损 坏 ； 阀 芯 在 阀座 中卡死； 阀门定位器故障等。 解决措施 依据由简到繁的原则 ， 检查执 行机 构气源压力是否足够 、 气源管线接头是否漏气 、 检 查是否有控制信号 、 信号线接头是否松动或氧化 、 电磁 阀是 否 良好 等 。如 以上 都 无 问题 ， 需 要 对 阀 体 本 身进行 检 查维 修 。 2 ． 3 ． 2 阀卡 阀门在工业上投 入使用后 ， 在工况相对稳定 的情况下 ， 阀门就长时间保持在一定范围内活动 ， 随着 时 间的推 移 ， 加之 工 业环 境相 对 恶劣 ， 阀 门性 能 就 会变 差 。在停 机 或是 启 动时就 经 常存在 阀卡 的现 象 。放空 阀 使 用 弹 性 阀 座 蝶 阀 ， 此 阀采 用 橡 胶 密 封 ， 由于橡 胶 密 封 容 易受 温度 影 响 出现 橡 胶 鼓 包 、 老化 等 ， 最容 易 引起 阀卡 。 解决措 施 更 换 阀门 密封 圈或 阀 门 ， 也可 对 密 封圈进行打磨使阀门轻松运动。 2 ． 4干扰 引起 控 制 系统紊 乱 故障现象为 风机在运行过程中 ， 出现系统压 力超 出设定 压 力 4～6 k P a ， 风 机 运 行 电流 大 幅 波 动 ， 系统 压力始终降不到设定值附近 ， 通过重新设 置系统压力 ， 系统压力 仍然下降不 _『， 从 D C S系 统中调出的故障曲线如图 3所示。 图 3 故 障 曲线 风机 入 口流量 范 围 为 0～1 4 0 0 m ， 工况 相 对 稳 定时 的 流量 为 8 6 0 m ， 风 机 运 行 电 流 l 6 0 A， 电 流联锁 值 为 2 1 0 A， 风机 系统 设定 压力 为 7 0 k P a ， 系 统 压力 维持 在 6 8～ 7 2 k P a范 围 内 ， 放 空 阀开 度 范 围在 2 0 ％ 一3 0 ％之 间。 故障分析 a ．放空 阀受 到干扰 ， 开 度关 小使 系统 压力 上 升。在故障曲线上的风机入 口流量 曲线④ 的 第 1 个 谷 点 1 5 3 2 3 4时 刻 之 前 ， 系统 压 力 曲 线 ② 变化相 对平缓 ， 保 持在 设定 值 曲线 ③ 7 0 k P a 附近， 风机运行 电流 曲线① 稳定 ， 但放 空 阀开度 曲线 ⑤ 在逐渐关小。现场检查放空 阀 气开 阀 工 作 状 态 时 ， 放 空 阀 气 源 稳 定 ， 无 泄 漏 发生 ， 其供电正常 ， 用标准仪器调校该 阀无异常。 由于 P L C控 制柜 安 装在 4台 大型 电机 中问位 置 ， 从安装 环境 来 看 ， 难 免 会受 到 周 围 交 变磁 场 的干 扰 ， 故判 断该 放空 阀控 制 电流 已经受 到干 扰 ， 使 放 空阀开度减小， 最终使系统压力升高 ， 导致系统压 力在 1 5 3 2 3 4时 刻达 到 7 4 k P a 。 b ．入 口阀动 作 太 快 造 成 风机 电流 过 载 。 当 系统压 力 升高 至 7 4 k P a 1 5 3 2 3 4时刻 处 时 ， 人 口流 量 迅 速 减 小 ， 由 正 常 的 8 6 0 N m ／ h下 降 至 8 0 1 N m ／ h ， 风 机 电 流 由 正 常 的 1 6 2 A 下 降 至 1 3 2 A， 放 空 阀 开度 由 1 6 ％ 开至 2 l ％ ， 系统这 样 动 作正好形成一个负反馈 ， 使 系统压力下降至设定 值附近 。但此刻系统压力还没降下来时 ， 入 口流 量在很 短 时 间 内从 8 0 1 N m ／ h达 到 1 0 1 6 N m ／ h ， 风机 电流很 快 达 到报 警 值 ， 风 机 运 行 电 流 已经 过 第 8期 刘海泉等． 基 于 s 7 ． 1 2 0 0 P L C的风机控制 系统典型故 障分析 与处 理8 0 1 载 ， 系统 压 力 上 升 至 7 6 k P a 。 而 风 机 入 口流 量 也 反 映 了入 口阀 的 开度 情 况 ， 风 机人 口阀 为进 口电 动蝶 阀， 由 P L C输 出的脉宽调制信号控制电动蝶 阀的开度 ， 据资料显示该阀快速动作会造成风机 喘振或过载， 曲线④ 与曲线①正好验证 了风机人 口阀动作太快造成 了风机运行 电流过载的说法。 C ．系统 电源 波动 引起 控 制 系统 紊 乱 。 由于 风 机 入 口流 量 瞬 间增 大 之 后 ， 放 空 阀开 度 在 短 时 间内关闭， 而入 口流量不稳定 ， 风机运行 电流接着 大 幅度波 动 ， 引起 控制 系统 电源不 稳定 ， 出现 了系 统控制紊乱 ， 由负反馈变成 了正反馈 ， 使系统压力 一 直升高 ， 即使 重新设置较小 系统压力 曲线③ 的第 1个拐点 系统压力 同样不能下降。 解决措施为 切换备用风机 ， 再次设小被切换 风机的系统压力 曲线③ 的第 2个拐点 ， 使放空 阀打开 ， 入 口流量减小 ， 系统压力下 降， 当风机满 足切换条件时断开被切换风机电源。 被切换 的风机停下后需进行 的工作 检查控 制系统接地线是否 良好 ； 控制系统周围存在磁场 ， 合理选择控制柜安装地点 ， 或选用具有 良好抗磁 干扰 的控制箱 ； 断开控制 电源 ， 冷启动 P L C控 制 器 ， 使程序控制功能恢复正常； 检查风机的传感器 性 能是 否 良好 ； 测 试 入 口阀 、 放 空 阀 和出 口阀的动 作是否 良好 。 2 ． 5通信故障 故障现象为 风机通信模块 采用 R S - 4 8 5， 信 息传输至中控室需转换成 P r o fi b u s - D P通信协议。 通信线路断开 ， 中控室的显示器上 出现无效数据 ； 两台风机 的监测数据传输都会经过中控室采用 同 一 个 P r o fi b u s ． D P通信协议转换模块 ， 造成监测数 据因干扰引起数据跳变现象。 解决措施 通信线路断开主要是接线头容易 松动 或 氧化 造成 的 ， 也 可能 被 老 鼠咬 断 。在 日常 维护 时需 要定 期检 查接 线头 ， 用砂 纸 除去氧 化 层 ， 中心控制室做好防鼠措施 。通信线路已经被损坏 的 ， 需要重新敷设 通信线缆。为了使每 台风机的 通信不受相互干扰 ， 需对每台风机单独配置通信 协议转换模块 ， 在组态中分别设置通信地址。 3 结束 语 根据 天 然 气 净 化 厂 风 机 控 制 系 统 的 组 成 特 点 ， 中央控 制器 采用 了 比 S 7 2 0 0 P L C系列 功 能更 强大的控制器 s 7 - 1 2 0 0 P L C 。这两种控制器在使 用和维护方面都有所不同， s 7 ． 1 2 0 0 P L C的工作模 式只能通过软件来切换 ， 需清楚 P L C在不 同模式 下 的特 点 ， 更 需 要 注 意 的是 更换 s 7 1 2 0 0 P L C外 围功能模块时不支持在线更换 ； 风机人 口阀采用 了不同于气动类型的电动蝶 阀， 利用 P L C输出的 脉宽调制信号控制其开度 ， 人 口阀的开度 和起始 位置与风 机运行 电流有着 密切的联 系。而 P L C 的输入 、 输出信号和通信都容易受到工业环境 的 干扰引起参数跳变 、 系统紊乱 等放 障现象。对于 不同的故障现象 ， 要分析判断产生故障的原因， 对 症下药 ， 实施最佳 的处理手段 。在检维修过程 中 一 定要坚持由外到内、 由简到繁的检维修原则 ， 把 “ 病 因 ” 从 根本 上清 除 。 参 考 文 献 [ 1 ] 廖常初． s 7 1 2 0 0 P L C编 程及应 用 [ M] ． 北 京 机械 工 业 出版 社 ， 2 01 4 ． [ 2 ] 高玉瑟 ， 陈铭年 ， 王彦声 ． 小型高 压离心式风 机的风 量随 圆管蝶 阀开度 变化 的规律 及其应 用 [ J ] ． 农 业 机械学报 ， 1 9 8 3 ， 1 4 6 5 1 ． 收稿 日期 2 0 1 7 - 0 3 9 上接 第 7 7 3页 Co m m i s s i o n i n g o f t h e Th e r ma l Pe r f o r ma n c e Te s t Be n c h P ENG Xi a o mi n ，ZHANG Zh o n g q i n g ，ZHANG J i e 1 ．H e f e i G e n e r a l Ma c h i n e r y R e s e a r c h I n s t i t u t e ； 2 ．N a t i o n a l Q u a l i t y S u p e r v i s i o n I n s p e c t i o n C e n t e r f o r E n e r g y s a v i n g H e a t e x c h a n g e E q u ip m e n t Abs t r a c t Th e k e y pa r a me t e r s a nd p r o c e s s o f t h e r ma l p e r f o r ma nc e t e s t b e n c h f o r h e a t -- e x c ha n g e r s we r e i n t r o - du c e d；a n d b o t h c h a r a c t e r i s t i c s a n d d e b u g g i n g t e c h n o l o g i e s r e q u i r e d we r e p r e s e n t e d．Th e t e s t r e s u l t s i n di c a t e t h a t t h i s t e s t b e n c h c a n f u l f i l l t a s ks o f t e s t i ng h e a t - e x c h a n g e p e r f o rm a nc e i n d e s i g n c o n di t i o ns ． Key wor ds t h e r ma l p e rfo r ma n c e t e s t b e n c h，h e a t e x c ha n g e r，c o mmi s s i o n i n g