气动调节阀控制回路可靠性提升解决方案研究

李培金，黄超武，邹向阳

（台山核电合营有限公司，广东 台山 529200）

0 引言

气动调节阀以压缩空气为动力源，通过气缸作为执行器，实现对阀门开度的调整。因其结构简单、反应快速、动作可靠，以及输出力大等优点而广泛应用于发电厂的给水和供气系统中。

在核电站中，主要调节系统中的调节阀都是由数字化集散控制系统（DCS）集中控制。DCS 系统实时采集被调节对象的物理值，根据被调量与设定值之间的偏差，经过PID 运算计算出阀门的开度指令后，由电子驱动板件将开度指令转换成电流信号，通过硬接导线将该电流信号传送至定位器。定位器将该电流信号转换为气信号，最终通过改变进入阀门气缸的压缩空气量，使调节阀达到预定的开度值。

在整个调节阀的信号控制回路中，存在中央处理器、数字通信卡、IO 驱动卡、控制电缆、定位器以及阀门气源回路等部件。其中，中央处理器和数字通讯卡在主流的DCS 系统中均有冗余设计，所以单个设备故障不会影响阀门的控制。I/O 驱动卡、定位器等存在电子板件的部件往往无冗余设置，但由于电子板件通常包含易老化的电子元器件，例如电容、电感、二极管等，容易突发故障，导致阀门气缸失去气源，进而导致阀门失去控制甚至引起阀门误动作。在发电厂的关键重要调节系统中，阀门的误动作往往对机组的稳定运行产生极大的影响，因此研究如何提高气动调节阀控制回路的可靠性具有重要意义。

1 气动调节阀控制回路薄弱点分析

本文以某核电站主给水调节阀控制回路为例进行阐述。该调节阀为单作用气动调节阀，由西门子非安全级DCS 控制平台T2000 控制。被调量（蒸发器液位、给水流量等），通过变送器测量后，远传至DCS 控制站的I/O 输入卡FUM230 采集。变送器为四重冗余配置，在控制站中分布于4 个不同的I/O 采集卡。I/O 采集后，将值送入中央处理器进行4 次取大值计算，计算结果与设定值进行比较，其偏差参与PID 运算后形成阀门的开度指令值。开度指令由西门子生产的连续控制专用驱动卡FUM280 转为4mA ～20mA 的电流信号，通过硬接线传送至阀门定位器。定位器将电流指令信号转化为气信号，定位器输出的气信号控制气源放大器，最终控制进入气缸的压缩空气流程，达到控制阀门开度的目的。定位器上的位置反馈器为费希尔生产的连杆式角行程位置反馈。位置反馈实时测量阀位，送定位器参与自动调节，调节阀的控制回路简图见图1。

图1 气动调节阀控制简图Fig.1 Control diagram of pneumatic regulating valve

图2 连杆式位置反馈实例图Fig.2 Example diagram of connecting rod position feedback

1.1 I/0驱动卡失效导致阀门误动

在数字化控制系统中，I/O 输入输出卡、中央处理器模块等关键部件的集成电路板上，通常包含有电解电容、保险丝、可调电位器、可控硅等短寿命元器件。这些元器件易受环境温湿度变化的影响而产生偶发故障，或者由于电源系统故障导致设备不可用，最终引起阀门非预期的动作，进而带来不可接受的后果。

在核电站DCS 系统中，测量被调量的变送器往往会设置成多重冗余。互为冗余的变送器通过不同的I/O 采集卡件采集后，送至CPU 与设定值比较后，进行PID 运算。因为有冗余配置，单个变送器或者单个I/O 输入卡故障，不会影响控制回路的正常工作。DCS 系统中控制站的中央处理器也通常配置为冗余模式，正常运行时一个中央处理器在线运行，另一个热备[1]。在线运行的中央处理器故障后，无扰切换至备用中央处理器，而故障的设备可以进行在线更换。因此，中央处理器的配置也具有较高的可靠性。中央处理器完成PID 运算，得到阀门的开度指令后，通过I/O驱动卡转换为电流信号输出。中央处理器单元与I/O 卡之间使用现场总线进行通讯，每个中央处理器与I/O 之间均有独立的现场总线进行通讯，因此也不会存在单一故障点。

但在核电站DCS 系统中，用于驱动调节阀的I/O 输出卡通常无冗余配置。单个卡件故障将直接导致定位器的控制信号丢失，因此在气动调节阀的电信号回路中，I/O 输出卡为关键的薄弱环节。

1.2 位置反馈失效导致阀门误动

调节阀的定位器在控制阀门开度的过程中，需要实时测量阀门的位置，根据位置反馈以及DCS 开度指令间的偏差调节阀门的实时开度。在该核电站中的主给水阀，参与定位器位置调节的位置反馈，使用的是连杆式角行程位置反馈。该类型的位置反馈，在振动较大的应用场所，定位器接收到的位置反馈测量值会出现波动；同时也会因瞬间应力过大，导致连杆断裂、松脱，最终影响定位器的控制，导致调节阀误动。

1.3 定位器失电或故障导致阀门误动

气动调节阀的气源回路中通常包含过滤减压阀、定位器、气源放大器等[2]。过滤减压阀和气源放大器为机械结构，可靠性较高，故障率低，而有较多因素会导致定位器失效，例如：①定位器的电源为DCS 送来的电流指令信号，上游IO 板件故障，接线松动等均会导致定位器失效；②定位器尤其是如今大量使用的智能型定位器，内含电路板。当定位器安装于工作温度高，或者振动高的阀门本体上时，会极大地增加定位器故障概率。同时定位器内的气路使用了大量的密封材料，多数密封材料也有老化的故障模式，容易偶发故障。因此，经上述分析，气动调节阀中定位器也为影响阀门控制的薄弱环节。

2 气动调节阀控制回路可靠性提升方案

根据第1 节的分析，本节论述如何从I/O 输出卡、位置反馈、定位器及气源回路等3 个方面提升气动调节阀控制回路的可靠性。

2.1 I/O输出卡增设冗余配置

在西门子的T2000 DCS 控制平台中，气动调节阀的控制驱动卡为FUM280。其作用为将控制器计算的控制指令转换为4mA ～20mA 电流信号。该电流信号送至定位器，既作为定位器的电源，也作为控制指令信号。其接线原理如图3。

图3 单卡模式配置Fig.3 Single card mode configuration

为提高控制回路可靠性，本文提出一种I/O 卡冗余配置方案，其原理如图4。冗余配置的两块卡件之间设置一条状态监视接线，用于判断对方卡件是否故障，以激活备用卡件。两块卡件的指令端并接起来后，共同向定位器发送电流指令信号。正常工作时，一块卡件在线工作，其指令端向外输出电流信号；另外一块卡件热备用，其指令端被闭锁不向外输出信号。当在线的卡件故障后，其指令端被闭锁，备用卡件指令端立即被激活向外输出信号。卡件故障的判断机制，可通过卡件内部监视中央处理器发送给I/O 卡的指令信号与实际输出的电流信号之间的偏差大于预定值来触发。为保证热备卡件实时跟踪定位器接收到的电流信号大小，保证在主从切换时为无扰切换，将定位器接收到的信号通过指令回读线返送回两块驱动卡采集。增加冗余配置后，每个FUM280 驱动卡的状态可以在主控室实时监视。操纵员可以通过故障报警，及时通知运维人员进行及时处理并恢复冗余功能。在原单卡设计中，如果卡件需要进行更换时，会直接影响阀门控制，增加冗余配置后，也提供了一种在线维护的途径。

图4 驱动卡冗余模式配置解决方案Fig.4 Redundant mode configuration solution for driver cards

从图4 可以看出，增加FUM280 冗余配置后，会引入两个新的单一故障点：①两块卡件PAR 端之间的接线；②YN-的接地端接线。单一接线断裂或松动会导致ARE阀门失去DCS 控制，但考虑到DCS 机柜内部接线为绕线，接线牢固可靠，自然松动概率很低，且接线在机柜内部，平时因外力导致断线的情况可以排除，因此接线断裂和松动的故障模式可以忽略。

2.2 定位器及位置反馈可靠性提升

为解决阀门振动、高温等环境因素给定位器及附属的位置反馈器的正常工作造成影响，采用分体式的定位器，即定位器与位置反馈器分开，通过导线连接。带电路板的定位器安装于远离阀门的搁架上，消除阀门本体振动和高温对定位器的影响。位置反馈采用非接触式位置反馈器，避免常规连杆式位置反馈器容易因振动断裂的问题。非接触式的位置传感器采用电磁式位置反馈器，通过在阀门联轴器安装与位置变送器配套的磁条，阀门动作时联轴器带动磁条上下移动。磁条在定位器磁条感应凹槽区上下移动，基于霍尔效应原理，位于阀门定位器内的霍尔元器件在保证工作电流不变的情况下在均匀梯度的磁场中变化时，输出线性变化的霍尔电压，该电压经定位器内部信号处理转化为4mA ～20mA 电流信号[3]。该类型的定位器位置反馈变送器，磁条与变送器之间不直接接触，可以避免因阀门振动而引起的位置传感器损坏，提高设备可靠性。

同时某些智能型定位器，具备压力控制模式，以保证在位置反馈故障情况下仍能较为准确地控制阀门开度。在压力控制模式下，定位器会记忆在一定时间内阀门位置与定位器输出压力的关系曲线。根据该曲线，定位器可以根据定位器开度需求，向阀门气缸提供对应压力的压缩空气量。

2.3 气源回路设置保位功能

气源回路无法通过增加冗余提高可靠性，最有效的方式是使定位器在失去电源或者故障时能够使调节阀保持当前的位置，以防止瞬态发生。如图5 中，在气源回路中配置安装一个安全模块和一个保位阀[4]。安全模块监视电信号以及气源压力，安全模块的电源回路与定位器的电源回路串联。当来自DCS 的电流信号，或者因定位器内部故障导致电源回路断开，安全模块均能监视。当电源信号丢失或者气源压力低，安全模块输出端直接与大气相通，保位阀接收到的驱动气源相对压力变为0，迫使保位阀换向。电信号和气源信号均正常时，安全模块输出为气源压力，保位阀接收到的驱动气源压力大于保位阀内部的设定值，保位阀的气源输入端与定位器输出端连通，调节阀处于正常调节模式。保位阀由安全模块提供的气源驱动，当压力低于设定值时，保位阀内部气路自动换向，防止气动调节阀气缸内的空气排向大气，维持气缸内的气体压力，使阀门保持在当前位置。安全模块需采用微功耗驱动技术，避免安全模块和定位器的总功率接近甚至超过上游驱动卡件的功率限制。

图5 失效安全保护锁位解决方案Fig.5 Fail-safe protection locking solution

3 提升方案验证和实施效果

某核电厂为提高主给水阀阀门控制回路的可靠性，对I/O 驱动卡增加了冗余配置，同时将连杆式位置反馈修改为非接触式位置反馈，暂时未设置阀门在失去气源或者控制信号下的保位功能。

驱动卡增加冗余配置后，需要对各种故障模式下的冗余切换功能进行验证，包括：①验证冗余功能正常下的阀门控制；②验证卡件本体故障、卡件供电故障等故障模式下，主备卡件之间的无扰切换功能正常；③验证主卡故障切换至备用卡件后，单卡运行模式下的控制功能正常；④验证故障卡件恢复期间控制功能正常，且故障卡件恢复期间不能发生卡件的主从切换；⑤验证卡件故障后的报警信息能正常触发。经过实际验证，单一驱动卡故障后能保证调节阀的自动调节功能，主从切换期间指令信号虽然有微小扰动（2%开度以内），但对自动控制功能的影响可忽略，基本实现无扰切换。同时，冗余配置的状态能通过DCS 系统进行实时监测。当一块卡件故障后，会实时产生故障日志送至主控室，以通知运维人员及时进行维修，恢复冗余配置状态[5]。

位置反馈由连杆式位置反馈修改为非接触式位置反馈后，位置反馈故障率显著降低，提高了阀门的稳定性。增加阀门保位功能解决方案，目前还没有在该核电站实施，但该方案能有效解决DCS 系统下游电信号回路以及气源回路失效引起阀门失控的问题，为后续进一步提升阀门可靠性提供了技术方案储备。

4 结束语

核电站中，重要给水供气回路对调节功能的稳定性要求很高。本文阐述的方案可以有效避免气动调节阀控制回路中薄弱环节部件故障后，保持系统运行功能的稳定性和安全性。其优点表现在：①执行简单，仅需小幅改动控制站内驱动卡的接线配置和软件配置，以及轻微调整气源回路；②完整性，提升方案基本囊括了核电站中常见的气动调节阀控制回路中对阀门控制功能有较大影响的故障类型；③灵活性，本文提供的方案包括电信号回路和气源回路可靠性提升方案。两者独立，可根据项目的具体特点选择其中的一部分方案实施。总而言之，该方案的实施能有效保证气动调节阀控制回路的可靠性，对后续电站建设有一定的借鉴意义。