基于PLC控制系统平稳长周期运行的可行性技术保障TPS样本.doc

基于PLC控制系统
平稳长周期运营可行性技术保障
刘建宇
大庆炼化公司机电仪厂 0459－5616461
摘要：本文重点对大庆炼化公司180万吨/年ARGG大机组控制系统TRICON和EDS系统频繁烧卡现象进行分析研究，将问题做个专项汇总，找到问题解决办法。从而切实有效地保证特护机组平稳长周期运营。
核心词：TRICON、EDS、烧卡、电磁场、组态、经济效益
前 言
180万吨/年ARGG三机组和气压机组控制系统是TRICONEX公司TS3000控制系统和GE公司90-70系列PLC系统，如TRICON系统见1所示。投用3年后陆续浮现烧卡现象，如TRICON系统更换主解决器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（祥见表1），导致了一定经济损失并严重地威胁装置安全生产。
系统故障分析研究
一、系统故障涉及范畴
如附表所示，遇到系统故障现象有如下几种方面：
l 卡笼箱故障：TRICON、GE90-70PLC、3500卡笼箱均更换过。
l 系统卡件烧坏：TRICON系统更换电源模块、主解决器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。
l 系统通讯故障：EDS系统冗余主副PLC浮现6次不冗余现象；操作站与PLC通讯故障浮现4次。
l 仪表设备烧坏：主风机静叶控制器隔离栅烧毁1次；各类探头和前置器更换合计达30余台/次。
从附表可以看出，在装置和机组运营期间，维护中对各类故障解决办法基本上可以分几种状况。系统接地解决：详细检查接地系统，保证仪表专业接地符合规定；将系统工作地和安全地分开。电源系统解决：检查UPS输出电压精度及各项指标满足规定（由UPS厂家配合进行）；将UPS输出端三相四线中性点N相做接地联接；更换UPS电源、6台变压器及电源开关。仪表回路检查：将所有仪表回路做了详细检查。

TRICON

图1 TRICON系统示意图

二、系统维护中值得思考几种问题
笔者以为，如下几种方面值得思考。
1、关于系统工作环境因素
环境因素有温度、湿度、电磁场、空气尘埃等。事实上温度、湿度和空气中腐蚀性气体及容许尘埃量都符合规定，特别是和其他机组控制室相比都是同样。
但交流电磁场指标却很也许过高。因素如下：
l 原则规定是：磁场＜2.5T/M，电场＜8V/M（14KHz~1GHz）
l 据电磁场理论可知：变化磁场产生电场，变化电场产生磁场。变化电场和变化磁场是互相联系着一种不可分割统一体，这就是电磁场。进一步理解便是：
①恒定电场周边无磁场，恒定磁场周边无电场。
②均匀变化电场周边产生恒定磁场，均匀变化磁场周边产生恒定电场。
③周期性变化电场周边存在同周期磁场，周期性变化磁场在周边产生同周期电场。
l TRICON和EDS系统柜下面距离约3米处便是高达1万伏交流动力电源（其他机组没有）。当大电机启动或停运时产生很大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电磁场环境中工作，其性能便会逐渐下降，直至烧毁。这也许就是咱们遇到经常烧卡现象。
图2 电磁场产生

2、关于系统可靠性和可用性问题
众所周知,PLC具备很高可靠性指标，普通知名公司PLC模块其MTBF（平均无端障时间）都在几万到十几万小时，甚至几十万小时。但是以PLC为基本控制系统可靠性又如何保证呢？
据美国自动化行业典型记录， 以PLC为基本控制系统故障分布率如下：
PLC CPU 5% PLC可诊断
I/O模块 15% 故障为20%
外部 输入器件（传感器，开关等） 45% 80%属于
器件 输出器件 30% 外部故障
接线故障 5%

由此可见，一种控制系统中只有20%故障可由PLC直接诊断，而80%故障在PLC外部,需要用此外办法解决故障诊断。研究表白，在对一种成套设备或设备故障检修时，有一半以上时间花在检查、分隔、和确认故障及其发生地点工作上。因而，要提高以PLC为基本控制系统可用性，应在系统设计时充分考虑外部故障防止和诊断办法。
1） 选用质量可靠、性能好输入和输出器件。
2） 充分运用PLC软元件资源(如专为外部故 障检测准备软元件)，强化PLC系统外部 故障检测功能。充分运用PLC CPU模块和其他智能模块自诊断功能，如CPU模块对自身及对I/O模块诊断及报警，通信模块对关于通信诊断， 热电偶输入模块对断偶报警，等。充分结识PLC CPU在线更换I/O模块功能。 这时应注意保持被更换模块所处状态，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）对的选取I/O模块。绝大某些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。特别是对输出模块输出电流和流过公共点电流均有限制。如某模块每个输出点最大电流为0.5A，8个点共用1个公共点，流过它最大电流为2A，这意味着只容许同步接通4点，否则会影响模块安全使用。对于输入模块，则要注意对一种公共点它容许同步可接通点数（普通为60%）。在安排输入/输出清单时，千万不能忽视这个问题。
4）对的选取辅助开关电源。注意电源有足够富裕容量。若安排双电源作并联运营，一定要考虑恰当电路保证负载不会都由其中一种内阻较低那个电源承担。 当前模块都采用新集成电路元器件，元器件数量大为减少，电路板热设计均可保证在小型化同步，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。普通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，让电源模块有足够富裕容量。这种小钱没有必要省，省了小钱也许导致隐患，教训并不鲜见。
5）容错能力。容错能力是一种控制器重要指标，它能检测出瞬时或固有故障并对其进行在线修复。它提高了控制器稳定性。故障诊断程序，一定要在编控制程序同步，考虑编故障诊断程序。有人把它称为基于PLC嵌入式故障诊断程序。
此外，还要注意输入模块工作电压足以保证0和1状态正常翻转，切勿把工作电压定在接近0/1电平下限，否则会产生工作不可靠状况。

TRICON系统采用TMR技术，控制器涉及三个完全独立分电路（电源是双冗余）。每个分电路与其他两个电路并行解决应用程序，并对所有离散IO数据进行三取二表决，对模仿数据进行取中值表决。由于每个分电路是与其他分电路完全隔离，任何一种单点故障都不会影响其他分电路，如一种分电路发生故障，其数据值会被其他数据值覆盖，操作员可对其进修复或更换。TRICON具备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诊断，并能及时报告错误。容许寻常维护而为中断控制。
3、关于接地问题
接地是一种相称复杂问题。特别是国内长期以来在工矿公司中采用来自原苏联三相四线制，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解决器前，并不曾产生诸多问题。但随着集成电路和微解决器大量运用于仪表、低压电器、控制系统，甚至交直流传动控制后，对的解决接地便成为一种必要面对技术问题。
对PLC控制系统来讲，接地并不难解决。对普通以开关量为主、兼有一定模仿量（4-20mA或1-5V等大信号）系统，大多数状况下可以不接地（即浮空）。由于对PLC来讲，按日本JIS原则，采用第三种接地，即接地电阻不不不大于100欧姆。如果你草率接了地，而这个地又是零线，并非真正地，当三相严重不平衡时，零线电位也许高达几十伏特，弄不好就会使CPU故障，这方面教训在国内并不少见。如果系统中有热电偶等小信号，接地问题就要化点功夫了。为了避免交变感应，在布线时要尽量远离动力线，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办法，干扰问题不难解决。
4、关于软硬件配备问题
当代PLC编程系统都是按IEC 61131-3原则建立。应当说都贯彻了构造化编程基本方针。
TRICON系统编程软件是MSW311，笔者用TS1131软件（是MSW311高档版本）对TRICON系统硬件配备进行了重新组态实验。成果发现主机架额定功率是175W，而实际组态为185W，超过额定功率10W，组态如图3所示。如果按最初设计实际组态功率达225W（最初用2个EICM卡通讯，当前用2个NCM卡通讯），则过载40W。而2个扩展机架实际功率均不大于额定功率35W和75W，都但是载。
三、典型案例
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。当时解决办法是：摘除该卡上停机联锁，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

序
号
故障
日期
故障现象
导致成果
故障解决
1
.3.5
气压机操作站通讯中断
工艺无法监控
PC机主板坏，更换。
2
.8.30
EDS系统主PLCCPU故障，掉电再上电程序丢失。
生产正常
插拔CPU后重新下载程序正常。日后外方将此CPU拿到美国测试未发现问题
3
.8.10
气压机操作站黑屏
工艺无法监控
PC机主板坏，更换
4
.11.14
WW505与PLC通讯中断
气压机停机
WW505调速器坏，更换
5
.12.15
主风机1#站显卡烧坏
生产正常
更换显卡
6
.2.13
EDS系统主PLCPCM卡故障
生产正常
重新上电未正常，更换PCM后正常。
7
.2.17
EDS系统主副PLCPCM卡USER2状态灯不闪烁
生产正常，控制系统工作正常
冗余二PLC主备切换后正常
8
.3
气压机操作站经常死机
工艺无法监控
PC机硬盘坏，更换。
9
.4.12
TRICON主解决器MP-C故障，MP-B状态灯灭。
生产正常
更换MP-C；热插拔MP-B。
10
.4.27
TRICON主解决器MP-B故障。
生产正常
无备件未解决
11
.4.26
EDS系统副PLCCPU故障
生产正常
更换CPU后正常。日后外方将故障CPU拿到美国测试未发现异常
12
.5.28
TRICON主解决器MP-A故障。
生产正常
更换MP-A、MP-B。
13
.4.8
.6.30
.7.3
110 VAC变压器供电跳闸4次
气压机停机4次
UPS无法满足需要，更换UPS和6个110VAC变压器。
14
.7.15
UPS电源故障
三机组停机、气压机停机。
修复UPS，但对控制系统导致一定冲击。
15
.1.14
气压机操作站通讯中断
工艺无法监控，约1小时，未影响生产。
PC机电源坏，更换新。
16
.1.17
.1.30
.6.19
气压机喘振图异常；
调速器参数异常；
ASCC、WW505通讯异常；
气压机停机1次，波动2次。
PCM卡与ASCC、WW505通讯故障，PCM卡烧坏更换新，修复WW505。
17
.1.30
UY5000号BIU停运
BIU所带仪表失灵，气压机波动1次。
BIU烧坏，更换新。
18
.3.14
TRICON系统AI卡故障
导致三机组轴系仪表值最大，三机组波动1次。
AI 卡烧坏，更换AI卡。
19
.3.24
三机组静叶调节失灵
ARGG装置波动1次
静叶控制器隔离栅烧毁，更换新。
20
.3.27
EDS系统空开跳闸
气压机停机
UPS电源故障，修复
21
.3.28
~.7
三机组放空阀经常波动打开
影响主风流量，能耗大，装置运营不稳。
修改PLC程序，对喘振实现超前调节。
22
.4.27
.4.30
NCM故障
TRICON系统1#电源故障
TRICON系统3#电源故障
TRICON系统1#架AO卡故障
未停机，生产波动
相应卡件和电源模块烧坏，更换新。
23
.4.8
主风机停机导致装置ESD联锁触发备机安全运营
主风机停机，装置生产波动
TRICON系统DO卡件故障，更换新。
24
.6.9
EDS系统主副PLC冗余通讯异常
生产正常，控制系统工作正常
冗余二PLC先后下电后正常
25
.6.30
.7.30
UPS跳闸4次切置旁路状态
生产正常
检查UPS投用
26
.7
针对2套系统经常烧卡问题集中解决
装置检修
各专业检查2套系统接地及供电，更换了UPS电源，整治了系统接地。
27
.10.15
BIU04故障
气压机停机
BIU性能不稳，无备件，制定事故预案。
28
.11.5
BIU04故障
气压机停机
更换BIU04
29
.10.10
TRICON系统2#架DI卡故障
生产正常
更换DI卡
30
.4.16
TRICON主解决器MP-A故障
生产正常
插拔后正常
31
.4.17
TRICON解决器MP-A与I/O卡件通讯故障
生产正常
用备卡逐个激活各I/O卡件，但因素不清。
32
.4
TRICON系统1个电源模块故障；1个DO模块故障；MP-A解决器故障；ProTech203单元A故障。
ARGG停工抢修期间
更换主机架卡笼箱，更换电源PS、DO卡、MP-A解决器及ProTech203单元A。同步借此机会更换喉部差压及出口压力表共8块（由Smar改为Rosment），修改了PLC程序，对喘振实现限位调节，彻底解决放空阀波动问题。
33
.3.14
EDS系统主副PLC冗余通讯异常，摘除轴位移联锁时停机
气压机停机
重新下电、上电后正常
34
.4.20
EDS系统主副PLC冗余通讯异常
生产正常，控制系统工作正常
在线对副PLC下电上电后未正常，重新装载程序后正常。
35
.5.29
气压机ASCC防喘振控制器坏
生产正常
技项目措将喘振在PLC中实现。
36
.7.26
TRICON系统2#架DO卡故障
未停机，DO不工作
DO卡坏，更换新。
37
.8.7
TRICON系统2#架DI卡故障
生产正常
清除软故障后正常
38
.8.7
三机组静叶司服控制器坏
静叶无法调节
更换新静叶司服控制器
39
.11.18
TRICON系统主解决器MP-2报警
生产正常
更换新MP
表1 系统故障一览表

结论
PLC系统能否可靠长周期运营，涉及范伟很广泛，系统可靠性、安全性等必要符合设计规范，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。

作者：刘建宇（LIUJIANYU）
作者单位：大庆炼化公司（DaQing Refining & Chemical Company）
作者简介：刘建宇，1975年生于黑龙江省大庆市，1996年毕业于大庆石油学校，计算机技术及应用专业，现任大庆炼化公司机电仪厂机电维护车间技术组组长，始终从事化工仪表自动化维护和技术管理工作。
电话：[phone]
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作者单位地址：大庆炼化公司机电仪厂 邮政编码：163411