PLC控制器離線分析

程小歡

（華潤電力焦作有限公司，河南 焦作 454450）

PLC控制器離線分析

程小歡

（華潤電力焦作有限公司，河南 焦作 454450）

本文介紹了華潤電力焦作有限公司水源地PLC控制器在運行中出現(xiàn)的離線情況，針對故障進行了原因分析，并提出了解決方案，實施后解決了水源地PLC控制器離線的故障，保證了水源地設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。

PLC；通訊；干擾

華潤電力焦作有限公司水源地設(shè)備采用PLC控制，控制硬件設(shè)備包括上位機一臺、控制柜一面、PLC控制器兩臺。正常運行時，在上位機上進行操作和監(jiān)視設(shè)備，另外，上位機還具有組態(tài)功能。PLC通過網(wǎng)絡(luò)通訊模塊上的RS485接口與上位機進行數(shù)據(jù)交換，接收上位監(jiān)控系統(tǒng)各種操作指令?，F(xiàn)場的檢測信號和數(shù)據(jù)通過輸入模塊傳入PLC的CPU（中央處理器模塊），經(jīng)過CPU的邏輯運算和數(shù)學(xué)運算對數(shù)據(jù)進行分析處理，然后將控制信號送到各個輸出模塊，向控制對象輸出控制信號。同時PLC向上位機返回各種數(shù)據(jù)，上位機對數(shù)據(jù)進行運算處理后，實現(xiàn)畫面顯示等功能。

PLC系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行是保障生產(chǎn)過程安全進行的基礎(chǔ)，而PLC系統(tǒng)的抗干擾能力是關(guān)系到整個系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行的關(guān)鍵因素之一。因此，無論是從控制系統(tǒng)硬件本身出發(fā)，還是從設(shè)計施工的角度出發(fā)，都要盡量提高系統(tǒng)的抗干擾能力。然而，由于PLC系統(tǒng)所處電磁環(huán)境較為復(fù)雜，實際運行中，PLC控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和通訊的穩(wěn)定性往往受到電磁干擾的影響，使得設(shè)備不能夠持續(xù)安全穩(wěn)定運行。

1 故障現(xiàn)象

運行值班人員經(jīng)常反映水源地設(shè)備在上位機上無法操作，對于上位機上進行的設(shè)備啟停操作設(shè)備無任何反應(yīng)，即無法啟停設(shè)備。另外，最主要的一個現(xiàn)象是在上位機上改變變頻器指令，變頻器頻率輸出也沒有任何變化，而變頻器電流偶爾會出現(xiàn)跳變現(xiàn)象。但是，當(dāng)我們進行操作試驗時，一切均正常，就告知運行人員已正常，若再出現(xiàn)此現(xiàn)象要及時告知，以便查找。在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)上述問題一直沒有解決，期間為了保證設(shè)備的運行，若出現(xiàn)此故障時暫時由運行值班人員就地手動操作相關(guān)設(shè)備，這樣就大大降低了工作效率，另外也增加了工作安全風(fēng)險。

2 故障分析

首先，為了弄清楚PLC控制器系統(tǒng)有無問題，我們先把泵和閥門的指令線甩開，在上位機上操作，通過測量輸出模塊的輸出端子，啟停指令均能發(fā)出，變頻器指令4～20mA信號輸出也正常，說明控制系統(tǒng)沒有問題。然后，我們懷疑是泵和變頻器側(cè)設(shè)備有問題，請求電氣專業(yè)人員處理，電氣專業(yè)人員經(jīng)過靜態(tài)試驗證明電氣側(cè)設(shè)備也沒有問題。最后，我們把從PLC控制器柜到電氣柜的所有電纜檢查了一遍，也沒有發(fā)現(xiàn)任何問題。

通過進一步分析，我們發(fā)現(xiàn)每次解決問題的時候，設(shè)備都是在停運狀態(tài)，而運行值班人員告知設(shè)備無法操作時，是指變頻器在運行狀態(tài)下的現(xiàn)象，即當(dāng)變頻器在運行時，相關(guān)設(shè)備的停指令和變頻器的頻率指令均無輸出。后來與運行值班人員進一步了解故障現(xiàn)象，原來是變頻器沒有啟動的時候，上位機上的所有操作均正常，而啟動后其他操作均無法實現(xiàn)，這就說明是變頻器啟動后對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。為了進一步分析是哪部分存在問題，我們從以下幾方面進行了排查。

（1）變頻器啟動后，我們將變頻器的啟停指令、頻率指令和狀態(tài)線均拆除，在上位機上操作，設(shè)備指令還是無法發(fā)出。

（2）對PLC的I/O模塊進行更換，更換后問題依然存在。

（3）對PLC進行更換，更換后通過幾次試驗，操作均正常。

通過以上排查，最終，我們判斷是由于PLC故障引起的一系列問題。但是，PLC不應(yīng)該在變頻器沒有啟動之前是正常狀態(tài)，而變頻器啟動后存在問題。

但是，一段時間后，操作人員告知設(shè)備又無法操作，與先前現(xiàn)象一樣，于是，我們意識到應(yīng)該不是PLC問題，先前更換PLC后操作正常，真正的問題所在還是沒有找到。

為了找到控制系統(tǒng)在靜態(tài)情況下和真正運行情況下各設(shè)備的狀態(tài)有什么不同，我們分別在不同模式下在上位機上對設(shè)備進行了多次操作。我們發(fā)現(xiàn)，在靜態(tài)情況下，在上位機上操作PLC上狀態(tài)指示燈會變化，而在變頻器啟動情況下，在上位機上操作PLC上狀態(tài)指示燈不會變化。于是，我們懷疑是上位機與PLC之間的通訊有問題，在變頻器啟動情況下，上位機上的操作指令就沒有傳輸?shù)絇LC上，所以PLC才不會輸出任何指令。

那么，為什么在變頻器啟動后上位機與PLC通訊會存在問題，難道是存在干擾，干擾信號作用在通訊電纜上引起上位機與PLC通訊中斷。于是，我們臨時將上位機與PLC的通訊電纜進行了更換。由于是試驗，我們在地面上臨時敷設(shè)了一根通訊電纜。通訊電纜更換后，在靜態(tài)情況下，對設(shè)備進行了多次操作，各項操作均正常。

將變頻器啟動后，對設(shè)備進行了多次操作，各項操作也都正常。這就說明了上位機與PLC的通訊電纜存在問題，于是，我們查看通訊電纜的走向，發(fā)現(xiàn)在電纜溝內(nèi)，通訊電纜與6kV動力電纜平行緊靠敷設(shè)，此6kV動力電纜正是變頻器的動力電纜。變頻器沒有啟動情況下，動力電纜中無電流通過，就不會產(chǎn)生磁場，也就不會對通訊電纜造成干擾，上位機與PLC通訊正常。當(dāng)變頻器啟動后，動力電纜中就會有電流通過，也就會產(chǎn)生較大的磁場，通訊電纜受到強磁場的干擾，造成上位機與PLC通訊中斷，PLC控制器離線，因此，設(shè)備就無法操作。

為什么先前對PLC更換后，上述問題會消失。通過分析，我們認為是由于新的PLC 抗干擾能力較強，在剛開始時，各項工作都正常，但只是暫時的。運行一段時間后，PLC抗干擾性能下降，問題又暴露出來了。

對于變頻器電流出現(xiàn)跳變現(xiàn)象，通過分析，我們認為是由于PLC控制設(shè)備中有變頻器，而變頻器工作時會產(chǎn)生較強的電磁干擾，而變頻器電流的電纜與變頻器的動力電纜也敷設(shè)在一起。因此，在正常的運行中，變頻器電流由于干擾出現(xiàn)了跳變現(xiàn)象。

這是一起由于通訊電纜選用和敷設(shè)不符合規(guī)范引起的PLC控制器離線，造成整個控制系統(tǒng)故障的事件。另外，其他模擬量信號出現(xiàn)跳變現(xiàn)象也是由于這些信號電纜均與動力電纜敷設(shè)在一起造成的。

3 措施分析

PLC控制器作為一種應(yīng)用于工業(yè)控的制的自動裝置，其本身具有一定抗干擾能力，比較適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境。但是，若PLC控制器所在現(xiàn)場干擾太強，也會造成PLC控制器不能正常工作。此時，就需要采取一定的防干擾措施來保證PLC控制器的正常工作。

3.1 電纜選用

PLC控制器系統(tǒng)中的電纜有通訊電纜和控制電纜之分，對于不同的信號應(yīng)選用不同的電纜。對于控制、信號的電纜選用，考慮到電磁干擾的影響，應(yīng)選用金屬屏蔽型的控制信號電纜，一方面減少了噪聲干擾，另一方面也增強了電纜的機械強度；然而，對于PLC控制器的通訊電纜的選用就需要根據(jù)具體的通信速率、傳輸距離、布線環(huán)境、敷設(shè)方式配置不同的型號規(guī)格。現(xiàn)場查看，發(fā)現(xiàn)PLC控制器與上位機的通訊電纜選用的是型號為KVVP的信號控制電纜，這與PLC控制器中其他控制信號選用的電纜是一樣的，沒有區(qū)別對待。然而，KVVP的信號控制電纜是不能滿足PLC通信要求的，在沒有干擾的情況下，控制系統(tǒng)可以正常工作，當(dāng)有干擾存在的時候控制系統(tǒng)就無法正常工作。通過查找相關(guān)規(guī)定和PLC相關(guān)資料，最終我們將現(xiàn)有的KVVP信號控制電纜更換為鎧裝型雙絞屏蔽電纜。

3.2 電纜鋪設(shè)

按照發(fā)電廠設(shè)計施工規(guī)范規(guī)定，電氣動力電纜和控制信號電纜需分層敷設(shè)，并有足夠的距離。但是，在實際的電纜敷設(shè)施工過程中，由于空間條件限制，動力電纜和控制信號電纜有時會敷設(shè)在一起，這樣動力電纜運行時產(chǎn)生強磁場就會對控制信號電纜產(chǎn)生干擾。不同類型電纜敷設(shè)在一起后，整改起來比較困難，因此在電纜敷設(shè)時應(yīng)盡量按照相關(guān)規(guī)定敷設(shè)。

目前，我廠PLC控制柜與變頻器、水泵的電氣開關(guān)在一個房間內(nèi)，電氣設(shè)備的動力電纜與PLC的控制電纜也是在一個電纜通道內(nèi)敷設(shè)，不符合規(guī)定。為了徹底解決電纜混放的問題，通過現(xiàn)場實際查看，PLC通訊電纜可以改變敷設(shè)路徑進行重新敷設(shè)。因此，我們將通訊電纜重新敷設(shè)，徹底使電氣動力電纜與通訊電纜分開布置。

3.3 屏蔽接地

按照發(fā)電廠設(shè)計施工有關(guān)標(biāo)準，信號電纜屏蔽線應(yīng)單端接地（PLC柜側(cè)接地），實際查看信號電纜接地情況，發(fā)現(xiàn)信號電纜屏蔽層接地良好，但還存在變頻器電流偶爾跳變的現(xiàn)象。由于受空間條件限制，重新敷設(shè)電纜已無法實現(xiàn)，我們決定在PLC機柜接線端子處加濾波電容器，對變頻器電流中的高壓信號進行濾波處理（原理圖參見圖1）。變頻器電流4～20mA信號通過屏蔽電纜送到PLC的模擬量輸入卡，加裝濾波電容器后，大大減輕了干擾對PLC控制系統(tǒng)的影響，變頻器電流跳變現(xiàn)象消失。

圖1 原理圖

3.4 軟件措施

在PLC控制系統(tǒng)中，除提高整個系統(tǒng)的抗干擾能力外，還可以考慮利用其具有診斷功能的特點，充分發(fā)揮軟件自身優(yōu)勢，在上位機將PLC狀態(tài)進行指示，對于PLC當(dāng)前狀態(tài)可以實時監(jiān)視，當(dāng)PLC出現(xiàn)離線時進行報警。這樣就可以及時發(fā)現(xiàn)錯誤，能夠準確判斷故障，及時采取措施處理故障。

4 結(jié)語

通過本次對水源地PLC控制系統(tǒng)電纜和電纜屏蔽的處理，解決了PLC控制器離線的問題。引起PLC控制系統(tǒng)故障的原因很多，有些情況下導(dǎo)致故障的原因較難發(fā)現(xiàn)，特別是在處理由于外部干擾引起的故障時，故障原因不易查找。因此，在處理問題時，要做到與操作人員溝通到位，獲取準確信息。從根本上分析查找出故障的原因，并采取有效措施，避免問題反復(fù)出現(xiàn)，以達到徹底解決問題的目的。

[1]《火力發(fā)電廠熱工自動化系統(tǒng)檢修運行維護規(guī)程》DL/T 774-2015．

[2]宋伯生 ．PLC 編程實用指南[M]．北京 : 機械工業(yè)出版社 , 2006．

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1671-0711（2017）10（上）-0123-03