基于PLC控制系統平穩長周期運行的可行性技術保障

摘要：本文重點對大慶煉化公司180萬噸/年ARGG大機組的控制系統TRICON和EDS系統頻繁燒卡的現象進行分析研究，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長周期運行。
關鍵詞：TRICON、EDS、燒卡、電磁場、組態、經濟效益

前 言

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

系統故障的分析研究

一、系統故障涉及的范圍

如附表所示，遇到的系統故障現象有以下幾個方面：

·卡籠箱故障：TRICON、GE90-70PLC、3500卡籠箱均更換過。
·系統卡件燒壞：TRICON系統更換電源模塊、主處理器MP、通訊卡EICM和各I/O卡件已有18塊之多；EDS系統已更換電源模塊、CPU、BIU、I/O卡件等達12塊；本特立3500系統卡件更換4塊；ASCC防喘振控制器燒壞等。
·系統通訊故障：EDS系統冗余的主副PLC出現6次不冗余現象；操作站與PLC的通訊故障出現4次。
·儀表設備燒壞：主風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。系統接地的處理：詳細檢查接地系統，確保儀表專業接地符合要求；將系統工作地和安全地分開。電源系統的處理：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相做接地聯接；更換UPS電源、6臺變壓器及電源開關。儀表回路的檢查：將所有儀表回路做了詳細的檢查。

圖1 TRICON系統示意圖

二、系統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、關于系統的工作環境因素

環境因素有溫度、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）
·據電磁場的理論可知：變化的磁場產生電場，變化的電場產生磁場。變化的電場和變化的磁場是相互聯系著的一個不可分割的統一體，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生恒定的磁場，均勻變化的磁場周圍產生恒定的電場。
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生同周期的電場。

·TRICON和EDS系統柜下面距離約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常燒卡的現象。

圖2 電磁場的產生

2、關于系統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為基礎的控制系統的可靠性又如何保證呢？

據美國自動化行業的典型統計， 以PLC為基礎的控制系統的故障分布率如下：

由此可見，一個控制系統中只有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，在對一個成套設備或設備的故障檢修時，有一半以上的時間花在檢查、分隔、和確認故障及其發生地點的工作上。因此，要提高以PLC為基礎的控制系統的可用性，應在系統設計時充分考慮外部故障的防止和診斷的措施。

1） 選用質量可靠、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。 這時應注意保持被更換的模塊所處的狀態，直到更換完畢再恢復直接從現場采集輸入信號，或直接向現場輸出信號。

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（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）正確選擇輔助開關電源。注意電源有足夠的富裕容量。若安排雙電源作并聯運行，一定要考慮適當的電路保證負載不會都由其中一個內阻較低的那個電源承擔。

現在的模塊都采用新的集成電路元器件，元器件數量大為減少，電路板的熱設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。作為系統設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。它提高了控制器的穩定性。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狀態正常翻轉，切勿把工作電壓定在接近0/1電平的下限，不然會產生工作不可靠的情況。

TRICON系統采用TMR技術，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用程序，并對所有離散IO數據進行三取二的表決，對模擬數據進行取中值的表決。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，如一個分電路發生故障，其數據值會被其它的數據值覆蓋，操作員可對其進修復或更換。TRICON具有在線診斷與自修復能力，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、關于接地的問題

接地是一個相當復雜的問題。特別是我國長期以來在工礦企業中采用來自原蘇聯的三相四線制，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，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問題。

對PLC控制系統來講，接地并不難處理。對一般以開關量為主、兼有一定的模擬量（4-20mA或1-5V等大信號）的系統，大多數情況下可以不接地（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，這方面的教訓在國內并不少見。如果系統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，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、關于軟硬件的配置問題

現代的PLC編程系統都是按IEC 61131-3的標準建立的。應該說都貫徹了結構化編程的基本方針。TRICON系統的編程軟件是MSW311，筆者用TS1131軟件（是MSW311的高級版本）對TRICON系統的硬件配置進行了重新組態實驗。結果發現主機架的額定功率是175W，而實際組態為185W，超過額定功率10W，組態如圖3所示。如果按最初的設計實際組態的功率達225W（最初用2個EICM卡通訊，現在用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儀表值班巡檢發現ARGG三機組TRICON控制系統第2機架4槽DI卡報警，Fault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系統組態畫面

表1 系統故障一覽表

結論

PLC系統能否可靠長周期運行，涉及的范偉很廣泛，系統的可靠性、安全性等必須符合設計規范，并注重使用環境，加強定期檢測等維護，為平穩生產創造條件。