基于PLC控制系统平稳长周期运行的可行性技术保障

前 言

180万吨/年ARGG三机组和气压机组控制系统是TRICONEX公司的TS3000控制系统和GE公司的90-70系列PLC系统，如TRICON系统见1所示。投用3年后陆续出现烧卡现象，如TRICON系统更换主处理器MP和各I/O卡件已有18块之多，EDS系统已更换CPU、BIU、I/O卡件等达12块（详见表1），造成了一定的经济损失并严重地威胁装置的安全生产。

系统故障的分析研究

一、系统故障涉及的范围

如附表所示，遇到的系统故障现象有以下几个方面：

·卡笼箱故障：TRICON、GE90-70PLC、3500卡笼箱均更换过。

·系统卡件烧坏：TRICON系统更换电源模块、主处理器MP、通讯卡EICM和各I/O卡件已有18块之多；EDS系统已更换电源模块、CPU、BIU、I/O卡件等达12块；本特立3500系统卡件更换4块；ASCC防喘振控制器烧坏等。

·系统通讯故障：EDS系统冗余的主副PLC出现6次不冗余现象；操作站与PLC的通讯故障出现4次。

·仪表设备烧坏：主风机静叶控制器的隔离栅烧毁1次；各类探头和前置器更换累计达30余台/次。

从附表可以看出，在装置和机组的运行期间，维护中对各类故障的处理措施基本上可以分几种情况。系统接地的处理：详细检查接地系统，确保仪表专业接地符合要求；将系统工作地和安全地分开。电源系统的处理：检查UPS的输出电压的精度及各项指标满足要求（由UPS厂家配合进行）；将UPS输出端三相四线的中性点N相做接地联接；更换UPS电源、6台变压器及电源开关。仪表回路的检查：将所有仪表回路做了详细的检查。



图1 TRICON系统示意图

二、系统维护中值得思索的几个问题

笔者认为，以下几个方面值得思考。

1、关于系统的工作环境因素

环境因素有温度、湿度、电磁场、空气尘埃等。实际上温度、湿度和空气中的腐蚀性气体及允许尘埃量都符合要求，尤其是和其它机组控制室相比都是一样的。

但交流电磁场的指标却很可能过高。原因如下：

·标准要求是：磁场＜2.5T/M，电场＜8V/M（14KHz～1GHz）

·据电磁场的理论可知：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场。变化的电场和变化的磁场是相互联系着的一个不可分割的统一体，这就是电磁场。深入理解便是：

①恒定的电场周围无磁场，恒定的磁场周围无电场。

②均匀变化的电场周围产生恒定的磁场，均匀变化的磁场周围产生恒定的电场。

③周期性变化的电场周围存在同周期的磁场，周期性变化的磁场在周围产生同周期的电场。

·TRICON和EDS系统柜下面距离约3米处便是高达1万伏的交流动力电源（其它机组没有）。当大电机启动或停运时产生很大的电磁场便会以光速传播到远处。如图3所示。而电子电路长期在这样强的电磁场环境中工作，其性能便会逐渐下降，直至烧毁。这可能就是我们遇到经常烧卡的现象。



图2 电磁场的产生

2、关于系统的可靠性和可用性的问题

众所周知,PLC具有很高的可靠性指标，一般著名公司的PLC模块其MTBF（平均无故障时间）都在几万到十几万小时，甚至几十万小时。但是以PLC为基础的控制系统的可靠性又如何保证呢？

据美国自动化行业的典型统计， 以PLC为基础的控制系统的故障分布率如下：



由此可见，一个控制系统中只有20%的故障可由PLC直接诊断，而80%的故障在PLC外部,需要用另外的方法解决故障诊断。研究表明，在对一个成套设备或设备的故障检修时，有一半以上的时间花在检查、分隔、和确认故障及其发生地点的工作上。因此，要提高以PLC为基础的控制系统的可用性，应在系统设计时充分考虑外部故障的防止和诊断的措施。

1） 选用质量可靠、性能好的输入和输出器件。

2） 充分利用PLC的软元件资源（如专为外部故 障检测准备的软元件），强化PLC系统的外部故障检测的功能。充分利用PLC CPU模块和其它智能模块的自诊断功能，如CPU模块对自身的及对I/O模块的诊断及报警，通信模块对有关通信的诊断，热电偶输入模块对断偶的报警，等。充分认识PLC CPU的在线更换I/O模块的功能。这时应注意保持被更换的模块所处的状态，直到更换完毕再恢复直接从现场采集输入信号，或直接向现场输出信号。

3）正确选择I/O模块。绝大部分I/O模块都是8个或16个或32个输入/输出点共用1个公共点。特别是对输出模块的输出电流和流过公共点的电流均有限制。如某模块每个输出点的最大电流为0.5A，8个点共用1个公共点，流过它的最大电流为2A，这意味着只允许同时接通4点，否则会影响模块的安全使用。对于输入模块，则要注意对一个公共点它允许同时可接通的点数（通常为60%）。在安排输入/输出的清单时，千万不能忽略这个问题。

4）正确选择辅助开关电源。注意电源有足够的富裕容量。若安排双电源作并联运行，一定要考虑适当的电路保证负载不会都由其中一个内阻较低的那个电源承担。

现在的模块都采用新的集成电路元器件，元器件数量大为减少，电路板的热设计均可保证在小型化的同时，长期可靠地工作。但是对于电源模块来讲，就比较难以达到这种境地。一般的电源模块相对体积较大。作为系统设计者一定要十分注意这个问题，让电源模块有足够的富裕容量。这种小钱没有必要省，省了小钱可能造成隐患，教训并不鲜见。

5）容错能力。容错能力是一个控制器的主要指标，它能检测出瞬时或固有的故障并对其进行在线修复。它提高了控制器的稳定性。故障诊断程序，一定要在编控制程序的同时，考虑编故障诊断程序。有人把它称为基于PLC的嵌入式故障诊断程序。

另外，还要注意输入模块的工作电压足以保证0和1状态正常翻转，切勿把工作电压定在接近0/1电平的下限，不然会产生工作不可靠的情况。

TRICON系统采用TMR技术，控制器包括三个完全独立的分电路（电源是双冗余的）。每个分电路与其它两个电路并行处理应用程序，并对所有离散IO数据进行三取二的表决，对模拟数据进行取中值的表决。由于每个分电路是与其它分电路完全隔离的，任何一个单点的故障都不会影响其它分电路，如一个分电路发生故障，其数据值会被其它的数据值覆盖，操作员可对其进修复或更换。TRICON具有在线诊断与自修复能力，对每个通道、每个模块以及每个功能电路就进行广泛的诊断，并能及时报告错误。允许日常的维护而为中断控制。

3、关于接地的问题

接地是一个相当复杂的问题。特别是我国长期以来在工矿企业中采用来自原苏联的三相四线制，把中线当作零线用。220VAC电源取自一根相线和中线。在未大量使用集成电路和微处理器前，并不曾产生很多问题。但随着集成电路和微处理器大量运用于仪表、低压电器、控制系统，甚至交直流传动控制后，正确处理接地便成为一个必须面对的技术问题。

对PLC控制系统来讲，接地并不难处理。对一般以开关量为主、兼有一定的模拟量（4-20mA或1-5V等大信号）的系统，大多数情况下可以不接地（即浮空）。因为对PLC来讲，按日本JIS标准，采用第三种接地，即接地电阻不大于100欧姆。如果你草率接了地，而这个地又是零线，并非真正的地，当三相严重不平衡时，零线的电位可能高达几十伏特，弄不好就会使CPU故障，这方面的教训在国内并不少见。如果系统中有热电偶等小信号，接地的问题就要化点功夫了。为了避免交变感应，在布线时要尽可能远离动力线，或信号线与动力线成正交排列，再加上电容滤波，在交流电源两端接电源滤波器等措施，干扰问题不难解决。

4、关于软硬件的配置问题

现代的PLC编程系统都是按IEC 61131-3的标准建立的。应该说都贯彻了结构化编程的基本方针。TRICON系统的编程软件是MSW311，笔者用TS1131软件（是MSW311的高级版本）对TRICON系统的硬件配置进行了重新组态实验。结果发现主机架的额定功率是175W，而实际组态为185W，超过额定功率10W，组态如图3所示。如果按最初的设计实际组态的功率达225W（最初用2个EICM卡通讯，现在用2个NCM卡通讯），则过载40W。而2个扩展机架的实际功率均小于额定功率35W和75W，都不过载。

三、典型案例

2003年10月10日早8：30仪表值班巡检发现ARGG三机组TRICON控制系统第2机架4槽DI卡报警，Fault灯亮。故障诊断信息为“Daul—Port Memory error”，该故障清除不掉。当时的处理措施是：摘除该卡上的停机联锁，在线更换新卡。新卡工作正常后，故障信息可以清除掉。



图3 TRICON系统组态画面

表1 系统故障一览表



四、结论

PLC系统能否可靠长周期运行，涉及的范伟很广泛，系统的可靠性、安全性等必须符合设计规范，并注重使用环境，加强定期检测等维护，为平稳生产创造条件。