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，#后提出并設計實現了控制回路、聯鎖變量在出現故障時的對應保護措施，可以為工業(yè)生產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，它的正常運轉是連續(xù)生產的重要保證。然而在調試及后續(xù)生產過程中，時常出現加熱爐因模擬量斷路/短路故障導致的誤停車現象。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/短路現象進行分析，從控制單元的數據處理特點著手，實現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
構框圖，主要包括點停爐時序控制、模擬量AI數據處理、單回路控制、負荷調節(jié)控制及報警聯鎖等內容。當輸入模塊接收到的現場信號經CPU處理后達到報警聯鎖條件時，便觸發(fā)程序中的報警聯鎖響應，#終由輸出模塊通過報警指示燈、執(zhí)行機構聯鎖動作等輸出。加熱爐控制回路分為負荷調節(jié)回路和其他單回路，負荷調節(jié)回路是由介質出口溫度、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，還設有多個報警聯鎖點，主要包括介質出口溫度、介質盤管溫度、介質流量、殘氧量及膨脹罐液位等。
構框圖，主要包括點停爐時序控制、模擬量AI數據處理、單回路控制、負荷調節(jié)控制及報警聯鎖等內容。當輸入模塊接收到的現場信號經CPU處理后達到報警聯鎖條件時，便觸發(fā)程序中的報警聯鎖響應，#終由輸出模塊通過報警指示燈、執(zhí)行機構聯鎖動作等輸出。加熱爐控制回路分為負荷調節(jié)回路和其他單回路，負荷調節(jié)回路是由介質出口溫度、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，還設有多個報警聯鎖點，主要包括介質出口溫度、介質盤管溫度、介質流量、殘氧量及膨脹罐液位等。2故障保護方法分析
系統(tǒng)停車包括響應現場工藝參數變化的聯鎖停車以及與現場工藝參數不符的誤停車。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］。
2．1．1診斷中斷
AI模塊331-7KF02-0AB0診斷中斷功能可以檢測內部故障，包括硬件故障(如EPＲOM故障、ＲAM故障及內部電源故障等)和軟件故障(如模塊參數錯誤、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據，可以通過調用SFC51、SFC59等系統(tǒng)函數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生的中斷狀態(tài)。如果沒有硬件中斷產生，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控制器內部數值分析
SIEMENSS7-300PLC處理模擬量的方式為將現場儀表傳送過來的4～20mA信號轉換為對應的0～27648之間的系統(tǒng)字。如果現場儀表或線路出現斷路/短路故障，則電流范圍不再是4～20mA，轉換的數字量也就不再對應0～27648，利用CPU的這個內部數值特性，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。
根據以上分析，針對不同接線類型的儀表，雖然AI模塊內部數值處理方式不同，但是在出現故障時，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，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內部數值的特點，可以采用相對簡單的編程設計實現斷路/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
根據表2中系統(tǒng)字的特點和現場驗證，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、聯鎖變量和上位實現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自動調節(jié)狀態(tài)。當現場傳送至AI模塊的儀表信號出現斷路/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，不能真實地反映現場工藝參數。由于控制回路處于自動控制狀態(tài)，此時現場執(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調節(jié)失控。此種情況易引發(fā)其他工藝參數產生變化，使加熱爐工作狀態(tài)不穩(wěn)定而導致聯鎖停車，甚至可能發(fā)生爆燃事件造成不必要的經濟損失。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，避免引起現場執(zhí)行機構大范圍波動，維持當前的生產狀態(tài)，保持工藝參數的穩(wěn)定。表3給出了壓力變送器負荷調節(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)。
用戶程序中，以介質出口溫度控制回路為例，shou先對介質出口溫度的斷路/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聯鎖變量的故障保護
在壓力變送器中，參與聯鎖的變量出現斷路/短路故障時，即使現場實際工藝參數處于正常范圍之內，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)檢測到聯鎖變量出現斷路/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。這里巧妙地對介質流量的硬
件地址PIW392進行了中轉，即新建一個數據塊DB8，用于模擬量數據的中轉，后續(xù)對PIW392進行數據處理時，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，當故障產生時，M34．1斷開，DB8．DBW88便可保持故障前的數據不變，直到故障消失，M34．1導通，這樣便可實現聯鎖變量的正常讀數和故障前的數據保持功能。
件地址PIW392進行了中轉，即新建一個數據塊DB8，用于模擬量數據的中轉，后續(xù)對PIW392進行數據處理時，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，當故障產生時，M34．1斷開，DB8．DBW88便可保持故障前的數據不變，直到故障消失，M34．1導通，這樣便可實現聯鎖變量的正常讀數和故障前的數據保持功能。
3．3上位實現的故障保護
當模擬量出現斷路/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變化，調整工藝參數，保障生產進行，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節(jié)，有的變量參與聯鎖停車，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，對參與控制調節(jié)、聯鎖停車的模擬量，進行聯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
通過上述分析和現場實際應用，在壓力變送器中實現了模擬量斷路/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，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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