基于PLC控制系統(tǒng)平穩(wěn)長周期運行的可行性技術(shù)保障

本文重點對大慶煉化公司180萬噸/年ARGG大機組的控制系統(tǒng)TRICON和EDS系統(tǒng)頻繁燒卡的現(xiàn)象進行分析研究，將問題做個專項匯總，找到問題解決的辦法。從而切實有效地保證特護機組的平穩(wěn)長周期運行。
關(guān)鍵詞：TRICON、EDS、燒卡、電磁場、組態(tài)、經(jīng)濟效益

前 言

180萬噸/年ARGG三機組和氣壓機組控制系統(tǒng)是TRICONEX公司的TS3000控制系統(tǒng)和GE公司的90-70系列PLC系統(tǒng)，如TRICON系統(tǒng)見1所示。投用3年后陸續(xù)出現(xiàn)燒卡現(xiàn)象，如TRICON系統(tǒng)更換主處理器MP和各I/O卡件已有18塊之多，EDS系統(tǒng)已更換CPU、BIU、I/O卡件等達12塊（詳見表1），造成了一定的經(jīng)濟損失并嚴重地威脅裝置的安全生產(chǎn)。

系統(tǒng)故障的分析研究

一、系統(tǒng)故障涉及的范圍

如附表所示，遇到的系統(tǒng)故障現(xiàn)象有以下幾個方面：

·卡籠箱故障：TRICON、GE90-70PLC、3500卡籠箱均更換過。
·系統(tǒng)卡件燒壞：TRICON系統(tǒng)更換電源模塊、主處理器MP、通訊卡EICM和各I/O卡件已有18塊之多；EDS系統(tǒng)已更換電源模塊、CPU、BIU、I/O卡件等達12塊；本特立3500系統(tǒng)卡件更換4塊；ASCC防喘振控制器燒壞等。
·系統(tǒng)通訊故障：EDS系統(tǒng)冗余的主副PLC出現(xiàn)6次不冗余現(xiàn)象；操作站與PLC的通訊故障出現(xiàn)4次。
·儀表設(shè)備燒壞：主風(fēng)機靜葉控制器的隔離柵燒毀1次；各類探頭和前置器更換累計達30余臺/次。

從附表可以看出，在裝置和機組的運行期間，維護中對各類故障的處理措施基本上可以分幾種情況。系統(tǒng)接地的處理：詳細檢查接地系統(tǒng)，確保儀表專業(yè)接地符合要求；將系統(tǒng)工作地和安全地分開。電源系統(tǒng)的處理：檢查UPS的輸出電壓的精度及各項指標滿足要求（由UPS廠家配合進行）；將UPS輸出端三相四線的中性點N相做接地聯(lián)接；更換UPS電源、6臺變壓器及電源開關(guān)。儀表回路的檢查：將所有儀表回路做了詳細的檢查。

圖1 TRICON系統(tǒng)示意圖

二、系統(tǒng)維護中值得思索的幾個問題

筆者認為，以下幾個方面值得思考。

1、關(guān)于系統(tǒng)的工作環(huán)境因素

環(huán)境因素有溫度、濕度、電磁場、空氣塵埃等。實際上溫度、濕度和空氣中的腐蝕性氣體及允許塵埃量都符合要求，尤其是和其它機組控制室相比都是一樣的。

但交流電磁場的指標卻很可能過高。原因如下：

·標準要求是：磁場＜2.5T/M，電場＜8V/M（14KHz~1GHz）
·據(jù)電磁場的理論可知：變化的磁場產(chǎn)生電場，變化的電場產(chǎn)生磁場。變化的電場和變化的磁場是相互聯(lián)系著的一個不可分割的統(tǒng)一體，這就是電磁場。深入理解便是：

①恒定的電場周圍無磁場，恒定的磁場周圍無電場。
②均勻變化的電場周圍產(chǎn)生恒定的磁場，均勻變化的磁場周圍產(chǎn)生恒定的電場。
③周期性變化的電場周圍存在同周期的磁場，周期性變化的磁場在周圍產(chǎn)生同周期的電場。

·TRICON和EDS系統(tǒng)柜下面距離約3米處便是高達1萬伏的交流動力電源（其它機組沒有）。當大電機啟動或停運時產(chǎn)生很大的電磁場便會以光速傳播到遠處。如圖3所示。而電子電路長期在這樣強的電磁場環(huán)境中工作，其性能便會逐漸下降，直至燒毀。這可能就是我們遇到經(jīng)常燒卡的現(xiàn)象。

圖2 電磁場的產(chǎn)生

2、關(guān)于系統(tǒng)的可靠性和可用性的問題

眾所周知,PLC具有很高的可靠性指標，一般著名公司的PLC模塊其MTBF（平均無故障時間）都在幾萬到十幾萬小時，甚至幾十萬小時。但是以PLC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)的可靠性又如何保證呢？

據(jù)美國自動化行業(yè)的典型統(tǒng)計， 以PLC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)的故障分布率如下：

由此可見，一個控制系統(tǒng)中只有20%的故障可由PLC直接診斷，而80%的故障在PLC外部,需要用另外的方法解決故障診斷。研究表明，在對一個成套設(shè)備或設(shè)備的故障檢修時，有一半以上的時間花在檢查、分隔、和確認故障及其發(fā)生地點的工作上。因此，要提高以PLC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)的可用性，應(yīng)在系統(tǒng)設(shè)計時充分考慮外部故障的防止和診斷的措施。

1） 選用質(zhì)量可靠、性能好的輸入和輸出器件。

2） 充分利用PLC的軟元件資源(如專為外部故 障檢測準備的軟元件)，強化PLC系統(tǒng)的外部故障檢測的功能。充分利用PLC CPU模塊和其它智能模塊的自診斷功能，如CPU模塊對自身的及對I/O模塊的診斷及報警，通信模塊對有關(guān)通信的診斷，熱電偶輸入模塊對斷偶的報警，等。充分認識PLC CPU的在線更換I/O模塊的功能。 這時應(yīng)注意保持被更換的模塊所處的狀態(tài)，直到更換完畢再恢復(fù)直接從現(xiàn)場采集輸入信號，或直接向現(xiàn)場輸出信號。

3）正確選擇I/O模塊。絕大部分I/O模塊都是8個或16個或32個輸入/輸出點共用1個公共點。特別是對輸出模塊的輸出電流和流過公共點的電流均有限制。如某模塊每個輸出點的最大電流為0.5A，8個點共用1個公共點，流過它的最大電流為2A，這意味著只允許同時接通4點，否則會影響模塊的安全使用。對于輸入模塊，則要注意對一個公共點它允許同時可接通的點數(shù)（通常為60%）。在安排輸入/輸出的清單時，千萬不能忽略這個問題。

4）正確選擇輔助開關(guān)電源。注意電源有足夠的富裕容量。若安排雙電源作并聯(lián)運行，一定要考慮適當?shù)碾娐繁ＷC負載不會都由其中一個內(nèi)阻較低的那個電源承擔。

現(xiàn)在的模塊都采用新的集成電路元器件，元器件數(shù)量大為減少，電路板的熱設(shè)計均可保證在小型化的同時，長期可靠地工作。但是對于電源模塊來講，就比較難以達到這種境地。一般的電源模塊相對體積較大。作為系統(tǒng)設(shè)計者一定要十分注意這個問題，讓電源模塊有足夠的富裕容量。這種小錢沒有必要省，省了小錢可能造成隱患，教訓(xùn)并不鮮見。

5）容錯能力。容錯能力是一個控制器的主要指標，它能檢測出瞬時或固有的故障并對其進行在線修復(fù)。它提高了控制器的穩(wěn)定性。故障診斷程序，一定要在編控制程序的同時，考慮編故障診斷程序。有人把它稱為基于PLC的嵌入式故障診斷程序。

另外，還要注意輸入模塊的工作電壓足以保證0和1狀態(tài)正常翻轉(zhuǎn)，切勿把工作電壓定在接近0/1電平的下限，不然會產(chǎn)生工作不可靠的情況。

TRICON系統(tǒng)采用TMR技術(shù)，控制器包括三個完全獨立的分電路（電源是雙冗余的）。每個分電路與其它兩個電路并行處理應(yīng)用程序，并對所有離散IO數(shù)據(jù)進行三取二的表決，對模擬數(shù)據(jù)進行取中值的表決。由于每個分電路是與其它分電路完全隔離的，任何一個單點的故障都不會影響其它分電路，如一個分電路發(fā)生故障，其數(shù)據(jù)值會被其它的數(shù)據(jù)值覆蓋，操作員可對其進修復(fù)或更換。TRICON具有在線診斷與自修復(fù)能力，對每個通道、每個模塊以及每個功能電路就進行廣泛的診斷，并能及時報告錯誤。允許日常的維護而為中斷控制。

3、關(guān)于接地的問題

接地是一個相當復(fù)雜的問題。特別是我國長期以來在工礦企業(yè)中采用來自原蘇聯(lián)的三相四線制，把中線當作零線用。220VAC電源取自一根相線和中線。在未大量使用集成電路和微處理器前，并不曾產(chǎn)生很多問題。但隨著集成電路和微處理器大量運用于儀表、低壓電器、控制系統(tǒng)，甚至交直流傳動控制后，正確處理接地便成為一個必須面對的技術(shù)問題。

對PLC控制系統(tǒng)來講，接地并不難處理。對一般以開關(guān)量為主、兼有一定的模擬量（4-20mA或1-5V等大信號）的系統(tǒng)，大多數(shù)情況下可以不接地（即浮空）。因為對PLC來講，按日本JIS標準，采用第三種接地，即接地電阻不大于100歐姆。如果你草率接了地，而這個地又是零線，并非真正的地，當三相嚴重不平衡時，零線的電位可能高達幾十伏特，弄不好就會使CPU故障，這方面的教訓(xùn)在國內(nèi)并不少見。如果系統(tǒng)中有熱電偶等小信號，接地的問題就要化點功夫了。為了避免交變感應(yīng)，在布線時要盡可能遠離動力線，或信號線與動力線成正交排列，再加上電容濾波，在交流電源兩端接電源濾波器等措施，干擾問題不難解決。

4、關(guān)于軟硬件的配置問題

現(xiàn)代的PLC編程系統(tǒng)都是按IEC 61131-3的標準建立的。應(yīng)該說都貫徹了結(jié)構(gòu)化編程的基本方針。TRICON系統(tǒng)的編程軟件是MSW311，筆者用TS1131軟件（是MSW311的高級版本）對TRICON系統(tǒng)的硬件配置進行了重新組態(tài)實驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)主機架的額定功率是175W，而實際組態(tài)為185W，超過額定功率10W，組態(tài)如圖3所示。如果按最初的設(shè)計實際組態(tài)的功率達225W（最初用2個EICM卡通訊，現(xiàn)在用2個NCM卡通訊），則過載40W。而2個擴展機架的實際功率均小于額定功率35W和75W，都不過載。

三、典型案例

2003年10月10日早8：30儀表值班巡檢發(fā)現(xiàn)ARGG三機組TRICON控制系統(tǒng)第2機架4槽DI卡報警，F(xiàn)ault燈亮。故障診斷信息為“Daul—Port Memory error”，該故障清除不掉。當時的處理措施是：摘除該卡上的停機聯(lián)鎖，在線更換新卡。新卡工作正常后，故障信息可以清除掉。

圖3 TRICON系統(tǒng)組態(tài)畫面

表1 系統(tǒng)故障一覽表

結(jié)論

PLC系統(tǒng)能否可靠長周期運行，涉及的范偉很廣泛，系統(tǒng)的可靠性、安全性等必須符合設(shè)計規(guī)范，并注重使用環(huán)境，加強定期檢測等維護，為平穩(wěn)生產(chǎn)創(chuàng)造條件。