PLC過程控制系統常見故障的分布分析及維護
0 引言
為了延長PLC控制系統的壽命，在系統設計和生產使用中要對該系統的設備消耗、元器件設備故障發生點有較明白的估計，也就是說，要知道整個系統哪些部件最容易出故障，以便采取措施。現以我廠特種水泥1號線的PLC過程控制系統為例，對PLC過程控制系統故障分布規律進行分析，希望能對PLC過程控制系統的系統設計和U常維護有所幫助。
1 系統故障的概念
系統故障一般指整個生產控制系統失效的總和，它又可分為PLC故障和現場生產控制設備故障兩部分。PLC系統包括中央處理器、主機箱、擴展機箱、I／O模塊及相關的網絡和外部設備。現場生產控制設備包括I／O端口和現場控制檢測設備，如繼電器、接觸器、閥門、電動機等。
2 系統的故障統計及分析處理
2．1 我廠特種水泥1號線過程控制系統簡介
2000年該系統改造時采用日本二菱公司的A2系列PIC為核心組成的PLC過程控制系統。系統配置如圖1。
圖1 系統配置框圖
該系統有2個集中控制室：窯尾控制室和窯頭控制室，其中窯頭控制室為主站；2個現場工作站：窯尾生料自動配料工作站和窯尾成球盤自動加水成球工作站；2個電視監控系統：預熱器進口下料監控和窯頭電視看火。現場工作站是獨立的微機自動控制系統，它與主站只進行模擬量的通訊和開關量的聯鎖。主站與從站間采用幀同步全雙工通訊方式：
2．2 系統故障數據的統計
該系統運行近3年來PLC故障統計如表1。
表1 PLC故障數量統計 次
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CPU |
存儲器 |
系統總線 |
通信網絡 |
電源 |
I/O模塊 |
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0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
6 |
現場控制設備故障統計如表2。
表2 現場控制設備故障數量統計 次
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繼電器、接觸器 |
閥門及執行機構 |
開關 |
傳感器、儀表 |
限位裝置 |
安全保護 |
現場操作箱 |
電源地線 |
信號電纜 |
接線盒及端子 |
中小電動機 |
大型電動機 |
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19 |
5 |
18 |
14 |
5 |
10 |
8 |
5 |
10 |
15 |
11 |
0 |
經統計，系統故障共計126次，其中PLC的故障比例約為4．7％，現場部分故障比例約為95．3％，：對照其他PLC過程控制系統的故障數據，并考慮該系統運行時間不是很長，該比例比較接近一般PLC過程控制系統的故障分布規律，有一定的普遍性。一般來講PIC部分的故障比例約為5％，現場控制設備的故障比例約為95％。 PLC過程控制系統故障分布的估計圖[1]如圖2。
圖2 系統的故障分布
2．3 系統故障分析及處理
2．3．1 PLC主機系統
PLC主機系統最容易發生故障的地方一般在電源系統和通訊網絡系統，電源在連續工作、散熱中，電壓和電流的波動沖擊是不可避免的。通訊及網絡受外部干擾的可能性大，外部環境是造成通訊外部設備故障的最大因素之一。系統總線的損壞主要由于現在PLC多為插件結構，長期使用插拔模塊會造成局部印刷板或底板、接插件接口等處的總線損壞，在空氣溫度變化、濕度變化的影響下，總線的塑料老化、印刷線路的老化、接觸點的氧化等都是系統總線損耗的原因。所以在系統設計和處理系統故障的時候要考慮到空氣、塵埃、紫外線等因素對設備的破壞。目前PLC的主存儲器大多采用可擦寫ROM，其使用壽命除了主要與制作工藝相關外，還和底板的供電、CPU模塊工藝水平有關。而PLC的中央處理器目前都采用高性能的處理芯片，故障率已經大大下降。對于PLC主機系統的故障的預防及處理主要是提高集中控制室的管理水平，加裝降溫措施，定期除塵，使PLC的外部環境符合其安裝運行要求；同時在系統維修時，嚴格按照操作規程進行操作，謹防人為的對主機系統造成損害。
2．3．2 PLC的I／O端口
PLC最大的薄弱環節在I／O端口。PLC的技術優勢在于其I／O端口，在主機系統的技術水平相差無幾的情況下，I／O模塊是體現PLC性能的關鍵部件，因此它也是PLC損壞中的突出環節。要減少I／O模塊的故障就要減少外部各種干擾對其影響，首先要按照其使用的要求進行使用，不可隨意減少其外部保護設備，其次分析主要的干擾因素，對主要干擾源要進行隔離或處理。
2．3．3 現場控制設備
在整個過程控制系統中最容易發生故障地點在現場，表2列出了現場中最容易出故障的幾個方面。
1)第一類故障點(也是故障最多的地點)在繼電器、接觸器。如該生產線PLC控制系統的日常維護中，電氣備件消耗量最大的為各類繼電器或空氣開關。主要原因除產品本身外，就是現場環境比較惡劣，接觸器觸點易打火或氧化，然后發熱變形直至不能使用。在該生產線上所有現場的控制箱都是選用密閉性較好的盤柜，其內部元器件較其他采用敞開式盤柜內 元器件的使用壽命明顯要長。所以減少此類故障應盡量選用高性能繼電器，改善元器件使用環境，減少更換的頻率，以減少其對系統運行的影響。
2)第二類故障多發點在閥門或閘板這一類的設備上，因為這類設備的關鍵執行部位，相對的位移一般較大，或者要經過電氣轉換等幾個步驟才能完成閥門或閘板的位置轉換，或者利用電動執行機構推拉閥門或閘板的位置轉換，機械、電氣、液壓等各環節稍有不到位就會產生誤差或故障。長期使用缺乏維護，機械、電氣失靈是故障產生的主要原因，因此在系統運行時要加強對此類設備的巡檢，發現問題及時處理。我廠對此類設備建立了嚴格的點檢制度，經常檢查閥門是否變形，執行機構是否靈活可用，控制器是否有效等，很好地保證了整個控制系統的有效性。
3)第三類故障點可能發生在開關、極限位置、安全保護和現場操作上的一些元件或設備上，其原因可能是因為長期磨損，也可能是長期不用而銹蝕老化。如該生產線窯尾料球儲庫上的布料行走車來回移動頻繁，而且現場粉塵較大，所以接近開關觸點出現變形、氧化、粉塵堵塞等從而導致觸點接觸不好或機構動作不靈敏。對于這類設備故障的處理主要體現在定期維護，使設備時刻處于完好狀態。對于限位開關尤其是重型設備上的限位開關除了定期檢修外，還要在設計的過程中加入多重的保護措施。
4)第四類故障點可能發生在PLC系統中的子設備，如接線盒、線端子、螺栓螺母等處。這類故障產生的原因除了設備本身的制作工藝原因外還和安裝工藝有關，如有人認為電線和螺釘連接是壓的越緊越好，但在二次維修時很容易導致拆卸困難，大力拆卸時容易造成連接件及其附近部件的損害。長期的打火、銹蝕等也是造成故障的原因。根據工程經驗，這類故障一般是很難發現和維修的。所以在設備的安裝和維修中一定要按照安裝要求的安裝工藝進行，不留設備隱患。
5)第五類故障點是傳感器和儀表，這類故障在控制系統中一般反映在信號的不正常。這類設備安裝時信號線的屏蔽層應單端可靠接地，并盡量與動力電纜分開敷設，特別是高干擾的變頻器輸出電纜，而且要在PIC內部進行軟件濾波。這類故障的發現及處理也和日常點巡檢有關，發現問題應及時處理。
6)第六類故障主要是電源、地線和信號線的噪聲(干擾)，問題的解決或改善主要在于工程設計時的經驗和日常維護中的觀察分析。
要減小故障率，很重要的一點是要重視工廠工藝和安全操作規程，在日常的工作中要遵守工藝和安全操作規程，嚴格執行—些相關的規定，如保持集中控制室的環境等等，同時在生產中也要加強這些方面的霄理。
3 結束語
過程控制系統本身是一個完整的系統，所以在分析故障或處理故障時也要注意系統性，單獨的對某一部分的優化有時并不能提高系統的整體性能。如過分追求元器件的精度而不考慮實際的需要以及和相關設備精度的匹配，將徒然增加系統成本。在日常維護中也有過把系統越改越復雜的現象，如采用復雜的控制方式和設備來實現本可以用簡單裝置來實現的控制，違背了經濟、簡單、實用的原則，并可能會增加故障率，這也是要注意的地方。
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