Atlas空压机导叶反馈信号波动故障分析报告.docx
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Atlas空压机导叶反馈信号波动故障分析报告
Atlas空压机导叶反馈信号波动
故障分析报告
凌源钢铁集团股份有限公司
魏天野
2015-1-30
目录
目录1
一、故障现象2
二、控制原理6
1、阿特拉斯空压机导叶自动控制原理6
2、ARCA827A阀门定位器控制原理9
2.1、定位器的组成9
2.2、定位器的工作原理10
三、分析与建议13
1、故障分析13
2、解决及建议14
一、故障现象
我厂30000制氧机组空气压缩机采用瑞典阿特拉斯.科普柯空压机，采用ABBAMS900L4LBS大功率直流同步电机驱动，入口导叶定位器采用德国ARCA智能型阀门定位器。
自2014年9月、10月份开始，出现导叶开度反馈值异常波动情况，2014年11月末检修处理后，持续一个多月时间未发现此现象。
直到2015年1月17日16:
24分，再次出现反馈信号异常波动现象，1月份累计出现十多次反馈信号不正常大幅波动。
在波动时，现场观察阀杆及导叶阀门定位器输出气源压力情况，导叶阀杆及输出气源压力也出现一定幅度波动，但与反馈值并不一致。
2015年1月19日与1月21日反馈值波动时数据趋势如下图（其中红线为导叶开度反馈值ZI1031.PV，绿线为微机导叶开度计算值A1.CPV，蓝线为空压机电流IIC1001.PV，浅黄线为空压机出口压力值PIC1044.PV）：
图1-11月19日导叶开度趋势图
图1-21月21日导叶开度趋势图
2015年1月份导叶波动峰值相关数据记录如下表：
表1-12015年1月份反馈信号波动时相关数据记录
日期
时间
反馈值ZI1031（%）
计算值
A1.CPV（%）
差值（%）
流量FI1044
（Nm3/h）
纯化系统状态
1.17日
16:
24
53.3
51.7
1.6
153947
加热中
16:
25
49.6
51.5
-1.9
152015
加热中
1.18日
4:
04
53.4
52.2
1.2
153945
加热中
8:
29
50.2
52.1
1.9
154357
加热中
9:
09
50.8
52.0
-1.2
151484
加热中
19:
37
53.0
51.8
1.2
151852
冷吹中
19:
46
53.1
51.9
1.2
155317
冷吹中
1.19日
13:
38
52.6
51.9
0.8
154029
加热中
13:
40
47.8
51.8
-4.0
153439
加热中
13:
41
52.8
51.9
0.9
153413
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13:
44
48.4
52.5
-4.1
153038
加热中
14:
06
48.2
51.7
-3.5
153275
加热中
14:
07
53.0
51.5
1.5
153499
加热中
14:
08
48.6
51.5
-2.9
152917
加热中
14:
09
52.8
51.7
1.1
153335
加热中
14:
10
49.3
51.8
-2.5
153815
加热中
14:
11
51.0
52.1
-1.1
154165
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14:
12
49.1
52.4
-3.3
152801
加热中
18:
58
52.6
51.8
0.8
153554
加热末
18:
59
48.5
51.5
-3.0
153723
加热末
19:
00
49.1
51.4
-1.3
153351
加热末
19:
02
48.3
51.2
-2.9
151158
加热末
19:
32
53.3
52.1
1.2
154341
冷吹中
19:
34
53.4
52.1
1.3
154571
冷吹中
19:
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48.5
52.2
-3.7
154239
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19:
39
53.0
52.0
1.0
154105
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-5.1
153753
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51.7
-6.2
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154211
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19:
57
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1.4
154948
冷吹中
20:
04
53.4
51.9
1.5
154100
冷吹中
1.20日
19:
02
47.9
51.9
-4.0
155007
加热中
19:
04
53.4
51.4
2.0
153784
加热中
19:
05
49.2
50.9
-1.7
154532
加热中
19:
18
53.4
51.8
1.6
153682
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19:
20
47.2
51.7
-4.5
154276
加热中
19:
23
52.9
51.5
1.4
153805
加热中
1.20
19:
26
49.3
51.7
-2.4
154237
加热中
19:
27
50.0
51.8
-1.8
154081
加热中
19:
28
48.0
52.0
-4.0
153536
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19:
31
53.2
52.0
1.2
154103
加热中
19:
33
53.5
52.0
1.5
153752
加热中
19:
35
47.3
51.7
-4.4
154053
加热中
19:
36
53.2
51.6
1.6
153675
加热中
19:
38
48.6
51.3
-2.7
154475
加热中
1.21日
13:
40
50.2
52.1
-1.9
153309
冷吹中
13:
42
48.0
52.0
-4.0
153285
冷吹中
13:
45
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51.8
1.5
153366
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13:
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153288
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1.9
153276
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13:
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1.5
153709
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153881
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1.4
151304
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15:
18
48.1
51.4
-3.3
153331
加热中
15:
40
49.8
52.0
-2.2
153602
加热中
15:
42
53.5
51.7
1.8
153156
加热中
15:
44
47.8
51.8
-4.0
153969
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15:
58
47.9
51.7
-3.8
153478
加热中
16:
10
50.0
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-1.2
153713
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16:
26
53.1
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1.6
154551
加热中
16:
41
52.7
51.6
1.1
154190
加热结束
1.22日
13:
15
51.0
52.1
-1.1
153553
加热结束
13:
17
47.6
51.9
-4.3
153066
加热结束
13:
18
53.4
51.8
1.6
152828
加热结束
1.23日
21:
54
53.3
52.0
1.3
154276
加热中
21:
55
51.2
52.0
-0.8
154951
加热中
21:
56
52.9
51.9
1.0
153641
加热中
通过对趋势图、数据以及现场观察情况，对现象总结如下：
每次波动持续时间为几十秒至几分钟不等；
波动最大时反馈值ZI1031.PV与计算值A1.CPV相差6%左右，远超出导叶定位器设定的调节精度；
现场观察定位器本身显示值与微机显示值同步波动，并且阀杆以及导叶定位器输出气源压力出现跟随性波动，但未达到反馈值波动的最大幅度，且空压机排气气量有时受到一定影响；
峰值间隔平均不到1分钟,反馈值波动频率较高；
在升压过程中，导叶开度在55%区间以上时未出现此现象；
波动发生时均处于DCS系统要求导叶关小时产生，如图1-1、1-2所示；
根据表格数据发现在反馈值波动大幅下降时，空气流量出现下降1000Nm3/h左右且低于正常值情况。
此外，我发现现场仪表气源压力示数异常，小于定位器气源进口示压力表数，如图1-3、1-4所示，气源压力为4.4bar（异常），定位器入口气压为5.8bar，应该为压力表故障：
图1-3气动信号进出口压力表图1-4气源压力表
但是827智能阀门定位器气体的输入必需经过过滤减压阀，阀门定位器的气源压力一定要在允许范围内，压力过大将引起蘑头膜片爆裂，太小将导致不能运行到满行程或排气不畅等问题，影响导叶阀门调节。
二、控制原理
1、阿特拉斯空压机导叶自动控制原理
阿特拉斯空压机配有完整的一次仪表（探头、铂电阻、阀门和执行器等）到端子接线箱为止，具有完整的控制策略（含防喘振控制方案）和联锁逻辑等。
空压机以标准信号（4~20mA，Pt100,干触点）进入DCS完成控制和联锁。
表2-1空压机运行时部分工况参数
原料空气透平压缩机
参数
型式
透平式
驱动形式
电机（同步）
吸入空气量
～160,000Nm3/h
吸入压力
～97KPa（A）
吸入温度
32℃
相对湿度
73%
调节范围
75%~105%
排气压力
100%工况：
～0.615MPa（A）
105%工况：
～0.625MPa（A）
排气温度
105℃
离心式压缩机的流量可以通过调整导叶的开度来调节。
开导叶和关放空阀均会增加压缩机流量和排压。
关导叶和开放空阀会减小流量和降低排压。
排气压力控制器通过分程控制导叶和放空阀来控制压缩机排气压力。
空压机在正常运行时，导叶开度是由空压机出口压力大小所决定的，空气经压缩机压缩到约0.615MPa（A），通过导叶开度的自动调整，空气流量改变（设计量160,000Nm3/h），从而保持出口压力稳定，保证制氧流程中工况的稳定。
图2-1我绘制的空压机进口导叶控制流程示意图
当空压机正常运行时，DCS系统对入口导叶IGV的开度逻辑控制流程为：
主控室微机将空压机出口现场仪表采集的压力值进行计算，计算得到开度值MV，导叶与放空阀采用分程控制——当MV值小于50%时，控制放空阀；当MV值大于50%时，此时放空阀全关，只对导叶进行控制。
当不发生喘振手操信号关闭以及空压机电流测量值X小于电流/功率控制器设定值W时，程序将MV换算，低选器选取换算值为E1；另一低选器选取正常运行时导叶最小开度限位值作为E2；E1、E2经过程序公式
计算最终得到导叶开度计算值A1（也就是输出值）。
经过数据转换系统将开度信号传输到现场定位器，定位器执行计算值，控制空压机进口导叶IGV开度。
图2-2阿特拉斯空压机伺服控制电路原理图
电流/功率限制控制器UIC：
电流/功率限制控制器作为一个安全控制器，仅在极端的操作条件下才起作用。
它的作用是避免压缩机主电机的过载。
电流/功率限制控制器的控制变量x由主驱动电机输入的实际电流/功率产生。
电流/功率限制控制器比较x和电流控制器设定值w，它们之间的差值叫做控制差值变量e=w-x
如果电流控制器设定值低于实际电机电流/功率（w＜x）控制差值变量为负值。
控制器输出变量减小（进口导叶关小）。
如果电流控制器设定值高于实际电机电流/功率（w＞x），控制差值变量为正，控制器输出变量增加（进口导叶开）。
此外FIC流量控制器、PIC压力控制器均带有参考值，根据测量的不同压力以及流量值等进行控制输出。
入口导叶IGV开度计算值A1的计算公式为：
（2-1）
IGVMINoperatingposition
MIN
E2为低选器的最小值，正常运行时为的开度值
MIN
IGVcontrolSignal
E1为低选器的最小值，正常运行时电流不超限以及未发生喘振手操处于关闭状态时为分程控制开度值，此时E1为：
（2-2）
根据以上控制逻辑，我用VISIO软件绘制了空压机运行时导叶自动控制流程图（图2-2）：
图2-3我绘制的阿特拉斯空压机导叶逻辑控制流程
2、ARCA827A阀门定位器控制原理
2.1、定位器的组成
三万机组空压机导叶定位器型号为ARCA827A.E2-A0H-M10-G，是一种具有HART通信协议的阀门定位器，采用2线制连接，定位器系统主要由控制单元、电气转换I/P单元、阀位检测反馈单元组成，定位器和执行器构成一个反馈回路。
图2-4ARCA定位器结构模块
查阅相关资料，ARCAPRO定位器2线制系统从输入电流Iw中获得电源，智能定位器的供电取自4-20mA输入电流信号，信号压降8.4V相当于负载电阻420欧姆，定位器带4-20mA位置反馈模块、限位开关报警模块、HART模块或其他总线模块。
图2-5基本电气单元模块，包括CPU、液晶屏、接口、按键等
ARCA定位器采用先进的压电阀和气动放大器作为气压驱动装置，压电阀片的响应时间小于2mS，压电气动放大器响应时间小于20mS，可以使阀门达到很高的高的调节精度和较快的定位时间，定位器本身不耗气，阀门一旦定位其耗气量可以忽略不计，压电阀为常闭。
图2-3位置反馈模块图2-4逆压电阀组
LCD显示运行状态和调节参数。
自动运行时阀门行程或角度通过显示屏可连续观察。
模块化设计的定位器去除保护罩后，选配的部件可实现即插即用。
2.2、定位器的工作原理
图2-1智能型总线阀门定位器电路原理图
整个控制回路由两线、4～20mA信号控制。
HART模件送出和接收叠加在4～20mA信号上的数字信息，实现与微处理器的双向数字通信。
模拟量的4～20mA信号传给微处理器，与阀位传感器的反馈进行比较，微处理器根据偏差的大小和方向进行控制计算（一级控制），向压电阀发出电控指令使其进行开、闭动作。
压电阀依据控制指令脉冲的宽度对应于气动放大器输出压力的增量，同时气动放大器的输出又被反馈给内控制回路，再次与微处理器的运算结果进行比较运算（二级控制），通过两级控制输出信号到执行机构，执行机构内空气压力的变化控制着阀门行程，同时CPU将反馈值通过反馈模块返还给主控微机用于显示。
图2-2压电阀结构控制示意图
1过滤器；2可调节流器；3压电阀I；4移动阀芯；5复位弹簧6压电阀II；7排气阀芯；8排气弹簧；9气动调节阀
压电阀的工作原理为：
结构为极薄弹性金属片两面粘结压电晶体，在压电片的两个工作面上真空镀膜形成两个电极，利用压电片在电场的作用下变形，来实现微型气路两位式开关换向。
执行机构的位置经滑动离合上的轴和齿轮反馈到电位仪。
当定位器投入运行时，滑动离合被用来对电位仪进行调整。
ARCAPRO定位器的主要部件是带微处理器、指示和操作元器件的电气主板。
在这里模拟信号或总线连接的数字信号Xs被用来与电位仪电流信号进行比较，基于一个特殊的控制运算模块，控制器生成信号驱动两个压电原件，由此产生气动定位信号，节流阀调节进入执行机构的空气流量。
图2-3行程反馈拨杆
ARCA智能型阀门定位器采用PWM（PulseWidthModulation）脉宽调制方法驱动压电阀组件，存储在CPU中的PWM软件自适应调整，以满足气动输出需求：
当控制偏差很大时，CPU发出宽幅脉冲信号，使定位器输出一个连续信号，大幅度的改变至执行机构的信号压力驱动阀门快速动作；随着阀门接近要求的位置，命令要求的位置与测得位置的差值变小，压电阀输出一个较小脉宽的脉冲信号，断续、小幅度的改变至执行机构的信号压力（自动化Bang-Bang控制），使执行机构接近新命令位置的动作平缓。
当阀门到达要求的位置（进入死区）时，CPU无脉冲指令，压电阀组件封住外气路，定位器输出保持为零，使阀门稳定在某一位置不动。
图2-4PWM自整定调节信号示意图
定位控制精度高，压电阀组件功耗非常低，且具有极长的工作寿命，但对气源质量要求较高。
另一方面，气动执行机构（蘑头）以及外部气路的气密性要求很高，当有膜室或气路泄露大时，压电阀会频繁动作，有时PWM也难以自适应,常导致阀位震荡造成故障。
定位器在现场可采用3个按键实现定位器的操作（见图.20），按键的功能取决于可选择的工作模式：
自动、手动和组态可通过按钮切换。
图2-3阀门定位器的显示屏和操作按键
1显示屏
2工作模式按键
3－下降按键
4＋上升按键
正常运行时，定位器就地LCD液晶显示上部分为阀位反馈开度值，下部为工作模式以及输入计算值显示。
组态模式下可进行直行程、角行程、分程、死区选择、正反作用、自动测试、校准、灵敏度选择、预设流量曲线和自定义流量曲线等设置。
三、分析与建议
1、故障分析
故障特点：
1）故障发生均处于导叶输出值在51%左右，属于长时间工作在该开度区间内。
在分子筛升压期间，导叶开度增大到55%以上时，未发现反馈值波动故障；
2）根据数据趋势图显示，所有波动发生时，基本处于DCS系统要求导叶关小开度趋势时；
3）阀位实际动作情况与反馈波动值不一致，但导叶实际开度有时会出现小幅度变化。
根据以上特点，我排除以下故障：
1）定位器反馈模块故障
反馈模块的作用是将导叶反馈信号传输给主控室微机，但反馈模块与定位器LCD液晶屏为两个独立部分，波动时就地LCD显示的反馈值也同时波动，故排除反馈模块故障。
2）仪表气源压力不稳
仪表气源属于干燥清洁氮气，压力一直是稳定的，且仪表气源压力不稳会直接导致导叶实际动作和反馈值同步波动，不符合观察到的情况，故可排除。
3）DCS系统线路干扰、卡件故障
DCS系统在信号传输过程中，输入回路干扰或故障会导致阀位执行错误，反馈值会与实际导叶开度保持一致；导叶定位器反馈值输出给微机线路受到噪声信号干扰仅会影响微机反馈值显示，就地LCD显示的反馈值不会变化，也不会引起阀门实际开度异常变化，故排除这方面原因。
4）压电阀故障
仪表气源杂质会影响压电阀不能正常工作，不能正常排气；压电阀压电片故障，压电阀不能正常工作，但这两种情况会引起导叶实际动作，不符合上述故障特点。
5）执行机构卡阻、不灵敏
如果执行机构不灵敏，虽然反馈值也会出现波动，但是导叶定位器为了达到设定值会反复调节，这样实际导叶开度也会反复变化，但是现场观察到的情况是导叶开度波动很小，导叶实际动作情况与反馈值不相符，故可排除因卡阻造成此故障。
我分析可能原因有：
1）机械振动：
我观察到由于空压机设备运行时产生的震动，固定在导叶执行机构上的定位器会受到震动影响，且在导叶调节时震动尤其明显，震动会引起定位器内部插件接口及引脚出现开焊或者开路等情况，引起反馈故障，但由于每次波动阀门反馈值处于47%-53%这一开度区域，所以这一因素导致的波动可能性不大。
2）反馈电位器接触不良：
定位器长时间工作在固定开度区间，时间久了，反馈电位器滑动触点会由于反复摩擦、氧化、杂质等原因会出现接触不良，造成滑动触点进入这一区域时出现反馈异常，离开这一区域时恢复正常，如图3-1所示。
但由于阻值变化太快且幅度较大，导叶定位器CPU自整定调节跟不上大幅度反馈值变化，才出现实际阀位小幅波动情况，符合故障特点，所以反馈电位器滑动触电接触不良造成这种故障的可能性最大。
图3-2我从ARCA定位器上拆下的反馈电位器元件，阻值10KΩ± 10%。
47%~53%
图3-1反馈电位器故障区示意图图3-2反馈电位器元件
2、解决及建议
综上所述，我提出如下几点建议：
1）为了节约成本，单独更换反馈电位器元件；
2）根据相关资料介绍及实例，可在线更换阀门定位器：
由于ARCA827A智能型定位器带有HART通信模块，可以考虑在不停车的情下更换阀门定位器，基于HART通信的智能阀门定位器在线更换的步骤为：
用PDM（ProcessDeviceManager）软件，获取要被更换的智能阀门定位器的数据参数，通过HART通信，把现场定位器的参数上传到系统中，或笔记本电脑中；也可以用HART手操器直接读取。
如果系统已经保存了这样的定位器数据，则不必重新上传。
下一步，把这些参数数据下载到新的定位器中。
用机械或气动的方法把执行机构固定在当前位置，读取并纪录被更换的阀门定位器的显示值。
如果已经失电，则记录当前实际阀位。
拆卸定位器。
在新定位器上安装所有附件，然后把新定位器安装到调节阀上。
接通仪表信号，调节调整轮，使新定位器液晶显示的阀位置与记录数值相符。
取下机械锁定装置。
新安装的智能阀门定位器便可以投入运行。
3）适当修改PID参数设定值：
通过观察导叶动作曲线，并与两万空压机导叶动作曲线相比较，三万空压机导叶压力控制器PID参数为：
P=100，I=20，设置过于灵敏，这样会使压电阀及反馈电位器等运动部件的频繁动作，引起阀门振荡，影响定位器和阀门的使用寿命，建议在满足工艺要求的情况下进行修改。
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