摘要：對某企業(yè)壓力變送器進(jìn)行介紹，然后結合加熱爐系統誤停車(chē)現象，對控制系統中引起誤停車(chē)的模擬量斷路/短路故障保護策略進(jìn)行詳細分析，#后提出并設計實(shí)現了控制回路、聯(lián)鎖變量在出現故障時(shí)的對應保護措施，可以為工業(yè)生產(chǎn)中其他類(lèi)似項目提供參考。

加熱爐是化工企業(yè)的熱能動(dòng)力設備，它的正常運轉是連續生產(chǎn)的重要保證。然而在調試及后續生產(chǎn)過(guò)程中，時(shí)常出現加熱爐因模擬量斷路/短路故障導致的誤停車(chē)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(chǎng)壓力變送器，對加熱爐誤停車(chē)主要原因之一的模擬量斷路/短路現象進(jìn)行分析，從控制單元的數據處理特點(diǎn)著(zhù)手，實(shí)現壓力變送器模擬量的故障保護功能。

1控制系統介紹

壓力變送器目前主要以SIEMENSS7-300PLC為控制核心單元，通過(guò)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(chǎng)執行機構和傳感器，上位人機交互界面主要采用WinCC/組態(tài)王/觸摸屏。圖1為控制系統程序結構框圖，主要包括點(diǎn)停爐時(shí)序控制、模擬量AI數據處理、單回路控制、負荷調節控制及報警聯(lián)鎖等內容。當輸入模塊接收到的現場(chǎng)信號經(jīng)CPU處理后達到報警聯(lián)鎖條件時(shí)，便觸發(fā)程序中的報警聯(lián)鎖響應，#終由輸出模塊通過(guò)報警指示燈、執行機構聯(lián)鎖動(dòng)作等輸出。加熱爐控制回路分為負荷調節回路和其他單回路，負荷調節回路是由介質(zhì)出口溫度、燃油流量、助燃風(fēng)流量及殘氧量等回路構成的復雜串級交叉控制回路。此外，為保證系統安全運行，還設有多個(gè)報警聯(lián)鎖點(diǎn)，主要包括介質(zhì)出口溫度、介質(zhì)盤(pán)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

系統停車(chē)包括響應現場(chǎng)工藝參數變化的聯(lián)鎖停車(chē)以及與現場(chǎng)工藝參數不符的誤停車(chē)。引起系統誤停車(chē)的原因是控制系統接收到與現場(chǎng)實(shí)際不符的儀表信號，包括開(kāi)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(jìn)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(diǎn)輸入模塊，其輸入屬性包括診斷中斷和超出限制時(shí)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(shí)，只有±80mV和±250mV的電壓信號才可以進(jìn)行斷路監視;如果組態(tài)為四線(xiàn)制電流傳感器時(shí)，只有4～20mA的電流信號才可以進(jìn)行斷路監視。

當模塊檢測到錯誤或是消除錯誤時(shí)，CPU操作系統會(huì )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(shí)間、錯誤所在模塊信息等。如果想進(jìn)一步評估診斷模塊的數據，可以通過(guò)調用SFC51、SFC59等系統函數來(lái)獲得更具體的通道診斷信息。

2．1．2超出限制時(shí)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(shí)硬件中斷，則會(huì )在超出或低于限定值時(shí)，調用硬件中斷組織塊OB40。在OB40的用戶(hù)程序中，可以編寫(xiě)系統對硬件中斷進(jìn)行響應的程序。OB40的臨時(shí)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(méi)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(shí)，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(huì )帶來(lái)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(chǎng)儀表傳送過(guò)來(lái)的4～20mA信號轉換為對應的0～27648之間的系統字。如果現場(chǎng)儀表或線(xiàn)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(gè)內部數值特性，對模擬量故障保護進(jìn)行分析。

壓力變送器中的模擬量輸入為二線(xiàn)制和四線(xiàn)制儀表，接線(xiàn)方式如圖3所示。二線(xiàn)制是相對于四線(xiàn)制(兩根供電線(xiàn)路、兩根通信線(xiàn)路)來(lái)說(shuō)的，將供電線(xiàn)纜與信號線(xiàn)纜合二為一，兩根線(xiàn)纜實(shí)現通信兼供電功能。從標準意義來(lái)說(shuō)，對于二線(xiàn)制儀表，AI模塊能接收到4～20mA的電流信號，如果線(xiàn)路斷路則AI模塊接收到的電流為0mA，如果線(xiàn)路短路則AI模塊接收到的電流大于20mA;對于四線(xiàn)制儀表，無(wú)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(jiàn)表1。對于電流型儀表，當輸入電流大于20．0000mA小于等于22．8100mA(對應系統字32511)時(shí)處于過(guò)沖范圍，當輸入電流大于22．8100mA小于等于22．9600mA(對應系統字32767)時(shí)處于上溢范圍，#大系統字為32767;當輸入電流小于4．0000mA大于等于1．1850mA(對應系統字－4864)時(shí)處于下沖范圍，當輸入電流小于1．1850mA大于等于0．0000mA(對應系統字－32768)時(shí)處于下溢范圍，#大系統字為－32768。

根據以上分析，針對不同接線(xiàn)類(lèi)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(shí)，AI模塊輸出的系統字均為32767或－32768，見(jiàn)表2。所以在進(jìn)行模擬量斷路/短路故障保護功能時(shí)可以利用系統的這一特點(diǎn)。這種處理方式考慮了系統長(cháng)時(shí)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(guò)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(diǎn):對模擬量斷路故障保護來(lái)說(shuō)，每設計一個(gè)新的工程，都需要進(jìn)行新的硬件組態(tài)，并且需要多個(gè)組織塊程序的編寫(xiě)，步驟繁瑣且易出錯;對模擬量短路故障保護來(lái)說(shuō)，超出限制時(shí)硬件中斷功能只適用于

1個(gè)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(diǎn)，可以采用相對簡(jiǎn)單的編程設計實(shí)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中系統字的特點(diǎn)和現場(chǎng)驗證，模擬量斷路/短路故障的檢測方法是判斷系統字是否等于－32768或32767，若等于，則系統執行相應的報警和保護動(dòng)作。筆者主要從控制回路、聯(lián)鎖變量和上位實(shí)現3個(gè)方面進(jìn)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(gè)控制回路通常都處于PID自動(dòng)調節狀態(tài)。當現場(chǎng)傳送至AI模塊的儀表信號出現斷路/短路故障時(shí)，CPU接收的實(shí)測值(控制回路PV值)可能為0或滿(mǎn)量程，不能真實(shí)地反映現場(chǎng)工藝參數。由于控制回路處于自動(dòng)控制狀態(tài)，此時(shí)現場(chǎng)執行機構的閥門(mén)開(kāi)度(控制回路MV值)會(huì )一直減小或增大，直至#終達到程序限定值，從而導致PID調節失控。此種情況易引發(fā)其他工藝參數產(chǎn)生變化，使加熱爐工作狀態(tài)不穩定而導致聯(lián)鎖停車(chē)，甚至可能發(fā)生爆燃事件造成不必要的經(jīng)濟損失。因此當控制系統檢測到變量PV值對應的線(xiàn)路出現斷路/短路故障時(shí)，應在地衣時(shí)間將控制回路切換為手動(dòng)控制方式，避免引起現場(chǎng)執行機構大范圍波動(dòng)，維持當前的生產(chǎn)狀態(tài)，保持工藝參數的穩定。表3給出了壓力變送器負荷調節相關(guān)回路在執行斷路/短路故障保護功能前后的控制狀態(tài)。

用戶(hù)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(jìn)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(dòng)切換SＲ觸發(fā)器，使控制回路在地衣時(shí)間切為手動(dòng)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)鎖的變量出現斷路/短路故障時(shí)，即使現場(chǎng)實(shí)際工藝參數處于正常范圍之內，但上位畫(huà)面顯示值為0或滿(mǎn)量程，也會(huì )導致誤停車(chē)。因此當控制系統檢測到聯(lián)鎖變量出現斷路/短路故障時(shí)，需要做保持故障前值處理，然后再由維保人員盡快進(jìn)行故障線(xiàn)路的檢查維修，避免系統誤停車(chē)。以介質(zhì)流量為例，進(jìn)行斷路/短路故障保護程序設計(圖5)說(shuō)明。這里巧妙地對介質(zhì)流量的硬件地址PIW392進(jìn)行了中轉，即新建一個(gè)數據塊DB8，用于模擬量數據的中轉，后續對PIW392進(jìn)行數據處理時(shí)，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(shí)，M34．1斷開(kāi)，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(shí)現聯(lián)鎖變量的正常讀數和故障前的數據保持功能。

3．3上位實(shí)現的故障保護

當模擬量出現斷路/短路故障時(shí)，應在上位機或觸摸屏等人機界面上進(jìn)行相應級別的報警，提醒操作人員關(guān)注參數變化，調整工藝參數，保障生產(chǎn)進(jìn)行，以防誤停車(chē)事件發(fā)生。

在壓力變送器中，有的變量參與控制調節，有的變量參與聯(lián)鎖停車(chē)，有的變量?jì)H用于報警或顯示。模擬量在控制系統中所起的作用不同，發(fā)生故障時(shí)所采取的措施也就不同。因此，當發(fā)生斷路/短路故障時(shí)，對參與控制調節、聯(lián)鎖停車(chē)的模擬量，進(jìn)行聯(lián)鎖停車(chē)級別的聲光報警，對僅用于報警和監控的模擬量，進(jìn)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(shí)際變化，所以在進(jìn)行報警提醒時(shí)，也需要用特殊的報警聲音進(jìn)行區分，比如可以通過(guò)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(huà)面報警區域進(jìn)行醒目的顯示，以便和實(shí)際工藝參數變化的模擬量報警區分開(kāi)來(lái)。

4結束語(yǔ)

通過(guò)上述分析和現場(chǎng)實(shí)際應用，在壓力變送器中實(shí)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(jìn)行有效的檢測判斷，通過(guò)將控制回路切換為手動(dòng)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(chē)次數，同時(shí)對故障模擬量進(jìn)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(jìn)行，可以對其他類(lèi)似項目提供借鑒和參考。