Symphony控制系统中阀门伺服控制卡的故障分析与预防

李 雷，刘 冰

(大唐安徽淮南洛河电厂，安徽 淮南 232008)

1 机组概况

某发电有限公司5，6号机组锅炉由上海电气集团股份有限公司制造，为超临界变压运行直流锅炉，采用Π型布置、单炉膛、四角切圆燃烧方式、一次中间再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢悬吊结构。汽机是由上海汽轮机有限公司制造的超临界、一次中间再热、单轴、三缸四排汽、双背压、凝汽式汽轮机，发电机是由上海汽轮发电机有限公司生产的自并励静态励磁发电机。

机组控制系统采用美国ABB贝利控制有限公司的Symphony分散式控制系统。该控制系统主要包括：数据采集系统(DAS)、模拟量控制系统(MCS)、顺序控制系统(SCS)、旁路控制系统(BPS)、炉膛安全监控系统(FSSS)、汽机数字电液控制系统(DEH)、给水泵汽机控制系统(MEH)以及电气系统(ECS)等。

5，6号机组在5年多的运行时间里，汽机数字电液控制系统(DEH)与给水泵汽机控制系统(MEH)的硬件多次发生故障，影响了机组的安全运行。尤其是阀门伺服控制卡(IMHSS03)的故障率较高，该模件是Symphony分散式控制系统中专门用于控制汽轮机转速的伺服阀位置的控制模件。由于600 MW超临界机组的汽轮机负荷控制只有4个高调门，因此该模件一旦发生故障，就会影响机组的安全稳定运行。针对该模件的异常现象和实际故障情况，以下进行分析。

2 IMHSS03模件工作原理

2.1 IMHSS03模件的功能

IMHSS03模件是控制器模件与伺服阀之间的接口，对液压执行机构提供手动或自动控制功能。DEH系统通过IMHSS03模件对汽轮机的高压主汽门、高压调节汽门位置进行精确控制。该模件通过调整送到伺服阀的电流，可以改变油动机的位置。液压执行机构就可以通过该信号定位汽轮机的蒸汽调节阀。随着阀门开度大小的变化，可以调整进入汽轮机的蒸汽流量，从而控制汽轮机的转速或负荷。线性差动变压器(LVDT)为液压伺服子模件提供油动机的位置反馈。IMHSS03模件与频率计数模件IMFCS01以及控制器模件一起工作。控制器根据从FCS模件输入的数据计算汽轮机转速或负荷，再按照预定的控制策略驱动伺服阀的输出。

2.2 IMHSS03模件的结构与原理

IMHSS03模件包括中央处理器(CPU)、存储器与通讯线路的智能模件。二级放大器组成的具有调节功能的智能控制器，占模件安装的1个标准槽位。IMHSS03的控制输出为PI运算(比例＋积分运算)的结果。同时，在IMHSS03的控制输出回路中，引入了汽轮机跳闸偏置信号(TRIP BIAS)，保证各个调节阀的可靠关闭。

IMHSS03模件的控制原理如图1所示。其中：CW为控制总线；BRC为相互冗余的桥式控制器；LVDT为阀门位置发送器；COIL为伺服阀线圈；NIS为网络接口模块；NPM为接口处理模块。

图1 IMHSS03模件的控制原理

IMHSS03在汽轮机转速或负荷的控制过程中，完成对高压主汽阀、高压调节阀、中压调节阀门的开度控制。由操作员或工程师发出指令，经网络接口模块(NIS)和接口处理模块(NPM)；再由控制总线(CW)传递到桥式控制器(BRC),由BRC将数据传递至IMHSS03，由IMHSS03控制模件控制油动机的行程；同时LVDT通过差动信号将阀门的位置反馈送至IMHSS03。中央处理器(CPU)对指令和反馈信号进行比较处理后，把控制数据进行D/A转换，形成电流指令驱动伺服阀。同时，中央处理器(CPU)还要担负处理其他事件的功能，如信息通信管理、控制模件故障自诊断功能以及输入/输出故障报警功能等。

采用Symphony系统的DEH控制系统采用1只LVDT位置传感器，由IMHSS03在LVDT初级线圈上提供400～15 000 Hz频率的激励电压(FC55选择大、小等级)。LVDT次级线圈是2组反向缠绕的绕组，在LVDT次级得到一个与油动机位置信号成正比的差动电压信号，IMHSS03将这一差动电压信号转换为数字量并传递给BRC。BRC根据在阀门校验期间所建立并存储的组态数据，把LVDT的差动电压信号，变成油动机位置信号，并进行自诊断。

如果发生IMHSS03与BRC通讯中断的情况，IMHSS03提供一个输入接口，由操作人员手动控制机组的安全运行。同时，IMHSS03模件还提供跳闸偏置电路，在需要时能及时关闭所有调门，以确保机组的安全。

IMHSS03模件是用I/O通道的保险作为保护的，当外回路LVDT的接线和伺服阀的接线发生短路时，会烧坏IMHSS03模件上的保险电阻，有时甚至可能会引起电源部分的损坏。这就要求在检修汽机阀门的LVDT或更换伺服阀时，一定要事先拔出IMHSS03模件。

IMHSS03模件的主板上有2块子模件板，在运行中如果子模件板接触不好，则有可能会造成反馈信号丢失或发生模件故障，因此在卡件检修或安装前一定要对模件上的子模件板进行紧固，以保证模件工作的正常。

通过在工程师站软件上在线监视FC55号功能码的N+6模件状态、N+7 LVDT状态，对照功能码手册查阅，可以很快找到模件故障问题。

3 IMHSS03模件的典型故障及解决办法

3.1 IMHSS03模件的典型故障

故障1：2012年6月，5号机组正常运行时，3号高调门突然关闭，经过运行人员的一系列调整处理，机组恢复正常运行。2013年9月，6号机组正常运行时，1号高主调门突然关闭，造成6号机组大幅度降负荷，汽轮机轴承温度快速上升，严重影响机组的安全运行。

故障2：2011年10月，6号机组2号高调门在机组正常运行时出现振荡，造成EH油管路也随之振荡，机组负荷也在波动。以后该机组又多次出现类似现象。

故障3：2010年6月，在6号机组停运检修期间，做汽轮机相关试验时，发现由于“EH油压低”信号一直存在，汽轮机挂不上闸。仔细查找EH油管路却没有发现泄露点，EH油箱油位正常，后来发现伺服阀表面温度较高，内部有EH油流动的声音。把IMHSS03拔出后，EH油压瞬间恢复正常。

3.2 IMHSS03模件故障的分析与处理

针对故障1，热控人员经过认真仔细的检查，发现IMHSS03模件的状态报警灯闪烁报警，用万用表在端子上测到伺服阀线圈的输出电流为0,确认为IMHSS03模件本身故障，更换新的IMHSS03模件后，调门控制正常。仔细检查更换下的模件后，确认是IMHSS03模件的输出功率放大器故障。造成故障的原因主要是IMHSS03模件质量问题，其抗电源扰动能力不强，带负载能力较弱。

针对故障2，热控人员首先对测量线路进行屏蔽检查，并对可能造成干扰的疑点进行处理。另外，由于IMHSS03本身是一个PID控制器，它在设计中将I(积分)、D(微分)固定为常数，可调整的控制参数即为比例增益，增大增益就是降低了系统的稳定性，但可提高系统响应速度。因此，对IMHSS03模件的比例增益进行了适度的降低调整，并且对阀门位置传感器LVDT也进行了校对、紧固和重新调整，解决了调门振荡的问题。

针对故障3，由于IMHSS03模件在硬件上有一个P+I的环节，因阀位指令与阀门反馈一直存在偏差，积分环节一直在起作用，使得阀门指令输出最终达到最大值，造成伺服阀中进、回油始终处于通路状态，EH油压下降较多。处理的重点是要重新确定各个阀门的位置开度，确保其在LVDT的线性范围内，在停机状态下，确保调门的反馈要略高于指令。这样，即使P+I环节起作用，但因为是负偏差，指令的输出始终是负的最大值，不会对伺服阀中的油路造成影响。此后，在每次停机时都会对各个调门的反馈信号进行检查调整，并在DEH中将机组跳闸后的指令信号置为-1 %，彻底解决了这个问题。

4 采取的措施

IMHSS03模件在运行中频繁调节，功耗相对较大，这也是造成IMHSS03模件频繁发生故障的原因之一。为了保证控制模件能长期正常运行，减少故障的发生，建议采取以下改进措施。

(1)环境方面：保持控制模件工作环境干净，模件表面灰尘多，容易使模件散热条件变坏，造成元器件损坏，也容易使控制模件表面产生大量的带电离子，从而产生静电，损坏控制卡件。

(2)电源方面：要尽可能保持电源稳定，模件上的电源与通讯模件接口预制电缆部分接触要可靠，防止因接触不良使得电源电压不稳定。

(3)LVDT方面：由于IMHSS03模件要向LVDT的原边提供激励电压，如果激励电压过高也会使得IMHSS03模件负担太重，从而诱发故障。因此，在满足运行条件的情况下，要尽可能降低激励电压；做好LVDT的安装与接线工作，每次停机都要对接线进行紧固检查，防止接线接触不良。要做好电缆的屏蔽工作，防止强静电干扰误入控制卡件。同时还要尽量选择内阻较小的LVDT，降低IMHSS03控制卡件的负载。

(4)机组停运时，阀位指令要与阀门位置反馈信号平衡，否则在硬件模件积分的作用下，会造成伺服阀发生偏移，从而造成EH油压降低。

(5)TRIP BISE(汽机跳闸指令偏置)指令在停机后应消失，否则会因为伺服阀内滑阀一直在偏移状态，使得EH油压过低，造成机组下次启动挂不上闸，同时也会对伺服阀的寿命造成很大影响。