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

時間:2009-03-04 11:18:15來源:yangliu

導(dǎo)語:?180萬噸/年ARGG三機(jī)組和氣壓機(jī)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)
  前 言   180萬噸/年ARGG三機(jī)組和氣壓機(jī)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(dá)12塊(詳見表1),造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失并嚴(yán)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(dá)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(jī)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(jì)達(dá)30余臺/次。   從附表可以看出,在裝置和機(jī)組的運(yùn)行期間,維護(hù)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(xì)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(xiàng)指標(biāo)滿足要求(由UPS廠家配合進(jìn)行);將UPS輸出端三相四線的中性點(diǎn)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(xì)的檢查。 [align=center] 圖1 TRICON系統(tǒng)示意圖[/align]   二、系統(tǒng)維護(hù)中值得思索的幾個問題   筆者認(rèn)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(shí)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(jī)組控制室相比都是一樣的。   但交流電磁場的指標(biāo)卻很可能過高。原因如下:   ·標(biāo)準(zhǔn)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。  ?、诰鶆蜃兓碾妶鲋車a(chǎn)生恒定的磁場,均勻變化的磁場周圍產(chǎn)生恒定的電場。  ?、壑芷谛宰兓碾妶鲋車嬖谕芷诘拇艌觯芷谛宰兓拇艌鲈谥車a(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(dá)1萬伏的交流動力電源(其它機(jī)組沒有)。當(dāng)大電機(jī)啟動或停運(yùn)時產(chǎn)生很大的電磁場便會以光速傳播到遠(yuǎn)處。如圖3所示。而電子電路長期在這樣強(qiáng)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。 [align=center] 圖2 電磁場的產(chǎn)生[/align]   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(biāo),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(jì), 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(rèn)故障及其發(fā)生地點(diǎn)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(jì)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(zhǔn)備的軟元件),強(qiáng)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(rèn)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(diǎn)共用1個公共點(diǎn)。特別是對輸出模塊的輸出電流和流過公共點(diǎn)的電流均有限制。如某模塊每個輸出點(diǎn)的最大電流為0.5A,8個點(diǎn)共用1個公共點(diǎn),流過它的最大電流為2A,這意味著只允許同時接通4點(diǎn),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(diǎn)它允許同時可接通的點(diǎn)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(yùn)行,一定要考慮適當(dāng)?shù)碾娐繁WC負(fù)載不會都由其中一個內(nèi)阻較低的那個電源承擔(dān)。   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(jì)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(dá)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(jì)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(biāo),它能檢測出瞬時或固有的故障并對其進(jìn)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(dú)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(jìn)行三取二的表決,對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)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(jìn)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(jìn)行廣泛的診斷,并能及時報告錯誤。允許日常的維護(hù)而為中斷控制。   3、關(guān)于接地的問題   接地是一個相當(dāng)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(dāng)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(yùn)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?yàn)閷LC來講,按日本JIS標(biāo)準(zhǔn),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(dāng)三相嚴(yán)重不平衡時,零線的電位可能高達(dá)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(diǎn)功夫了。為了避免交變感應(yīng),在布線時要盡可能遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行了重新組態(tài)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)主機(jī)架的額定功率是175W,而實(shí)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(jì)實(shí)際組態(tài)的功率達(dá)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(kuò)展機(jī)架的實(shí)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(jī)組TRICON控制系統(tǒng)第2機(jī)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(dāng)時的處理措施是:摘除該卡上的停機(jī)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。 [align=center] 圖3 TRICON系統(tǒng)組態(tài)畫面 表1 系統(tǒng)故障一覽表 [/align] 四、結(jié)論   PLC系統(tǒng)能否可靠長周期運(yùn)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(jì)規(guī)范,并注重使用環(huán)境,加強(qiáng)定期檢測等維護(hù),為平穩(wěn)生產(chǎn)創(chuàng)造條件

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