基于S7-1200 PLC的风机控制系统典型故障分析与处理①

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)

基于S7-1200 PLC的风机控制系统典型故障分析与处理①

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)

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。

S7-1200 PLC 风机控制原理 故障分析

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S7-1200 PLC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，PLC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PLC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(PV)，PLC控制系统将输出量的实际值与设定值(SP)(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

2 典型故障分析与处理

2.1 S7-1200 PLC(CPU-1415C)模式改变，风机不能启动

故障现象为：

a. 风机供电正常，PLC控制柜各模块供电正常，各检测元件正常，各连接线正常；

b. 检查入口阀、出口阀的初始状态正常，发现放空阀定位器的显示器无显示，检查该定位器电流输入端无电流值；

c. 观察PLC柜模拟量模块(SM1231)、数字处理模块(SM1221)和通信模块(RS-485)LED灯点亮状态正常，发现PLC控制器LED指示灯颜色为橙色，启动风机时无任何响应。

从故障现象来分析，故障点有两点：第1点是PLC的STOP/RUN指示灯状态显示橙色，PLC的工作模式已经改变；第2点是出口阀定位器显示器上无显示，无显示的原因是定位器无工作电流，而定位器的被控电流是从PLC控制器输出的。经询问现场操作人员，了解到是仪表操作人员在更换通信模块时，没有及时断开PLC工作电源造成此故障。

风机采用的控制器为S7-1200系列， CPU型号为CPU1215C。 CPU有3种工作模式：RUN(运行)、STOP(停机)、STARTUP(启动)。CPU的LED灯指示橙色，表示该CPU已经处于停止模式(CPU状态灯指示含义见表1)。STOP模式不执行用户程序，所有的输出被禁止或按组态时的设置提供替代值或保持最后的输出值[1]。检测PLC到放空阀定位器的电流输入端，无电流值，故定位器显示器无显示。

表1 CPU状态指示灯含义

解决措施：通过双绞线，利用S7-1200提供的集成Profinet接口与安装有PLC编程软件的计算机通信，将PLC由停止模式切换成运行模式，切换方法如图2所示。

图2 S7-1200与计算机通信界面

点击图2的右上方的RUN/STOP按钮，当由停止模式切换成运行模式时，其状态指示为绿色，表示运行模式切换成功。同时，PLC模块上的切换模式LED指示灯由橙色变成绿色。PLC从停止模式成功切换成运行模式时，PLC端口有信号输出，放空阀的定位器有显示阀位开度值。

在日常PLC和各模块维护时，需要注意两点：在更换与PLC连接的各功能模块时需要在断电情况下进行操作；更换同型号模块时不用重新组态。

2.2 入口阀开度变大引起风机启动过程中出现过载或停机

故障现象为：正常启动风机时，风机通过自检后，电机开始运转，但在电机运转过程中出现了电机运行电流值超过设定的报警值(200A)而报警，当电流值达210A时则停机。

启动风机后，其运行状态为首先入口阀由全关至全开再运行到起始位(入口阀自检)，其次电机开始运转，同时打开出口阀，放空阀全开，最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，空气出口压力、空气流量已超出系统设定值。计算风机空气流量公式为：

F=C1·Amp3+C2·Amp2+C3·Amp+C4

式中Amp——风机运行电流；

Ci——风机系数,i=1,2,3,4；

F——风机入口流量，Nm3/h。

由上式可以看出，空气流量与风机运行电流组成一元多次方程。根据风机的工作原理，风机的“Q-H”性能曲线与管道阻力曲线的交点为风机的工况点，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[2]。

解决措施：减小风机入口阀起始位，将以前的40%的开度设置在25%～30%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，否则需对入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，PLC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；PLC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4～6kPa，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了，从DCS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 400m3，工况相对稳定时的流量为860m3，风机运行电流160A，电流联锁值为210A，风机系统设定压力为70kPa，系统压力维持在68～72kPa范围内，放空阀开度范围在20%～30%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(15∶32∶34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)70kPa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PLC控制柜安装在4台大型电机中间位置，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15∶32∶34时刻达到74kPa。

b. 入口阀动作太快造成风机电流过载。当系统压力升高至74kPa(15∶32∶34时刻处)时，入口流量迅速减小，由正常的860Nm3/h下降至801Nm3/h，风机电流由正常的162A下降至132A，放空阀开度由16%开至21%，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801Nm3/h达到1 016Nm3/h，风机电流很快达到报警值，风机运行电流已经过载，系统压力上升至76kPa。而风机入口流量也反映了入口阀的开度情况，风机入口阀为进口电动蝶阀，由PLC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正好验证了风机入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PLC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RS-485，信息传输至中控室需转换成Profibus-DP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Profibus-DP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S7-200 PLC系列功能更强大的控制器S7-1200 PLC。这两种控制器在使用和维护方面都有所不同，S7-1200 PLC的工作模式只能通过软件来切换，需清楚PLC在不同模式下的特点，更需要注意的是更换S7-1200 PLC外围功能模块时不支持在线更换；风机入口阀采用了不同于气动类型的电动蝶阀，利用PLC输出的脉宽调制信号控制其开度，入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PLC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、系统紊乱等故障现象。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。

[1] 廖常初.S7-1200 PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2014.

[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，1983，(1)：46～51.

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1000-3932(2017)08-0798-04

2017-03-09)

刘海泉(1988-)，助理工程师，从事化工仪表的维护工作，410315012@qq.com。