程小歡

（華潤(rùn)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(rùn)電力焦作有限公司，河南 焦作 454450）

本文介紹了華潤(rùn)電力焦作有限公司水源地PLC控制器在運(yùn)行中出現(xiàn)的離線情況，針對(duì)故障進(jìn)行了原因分析，并提出了解決方案，實(shí)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(yùn)行。

PLC；通訊；干擾

華潤(rùn)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(jī)一臺(tái)、控制柜一面、PLC控制器兩臺(tái)。正常運(yùn)行時(shí)，在上位機(jī)上進(jìn)行操作和監(jiān)視設(shè)備，另外，上位機(jī)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(jī)進(jìn)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(chǎng)的檢測(cè)信號(hào)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(yùn)算和數(shù)學(xué)運(yùn)算對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，然后將控制信號(hào)送到各個(gè)輸出模塊，向控制對(duì)象輸出控制信號(hào)。同時(shí)PLC向上位機(jī)返回各種數(shù)據(jù)，上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理后，實(shí)現(xiàn)畫面顯示等功能。

PLC系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行是保障生產(chǎn)過程安全進(jìn)行的基礎(chǔ)，而PLC系統(tǒng)的抗干擾能力是關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)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(jì)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(shí)際運(yùn)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(yùn)行。

1 故障現(xiàn)象

運(yùn)行值班人員經(jīng)常反映水源地設(shè)備在上位機(jī)上無法操作，對(duì)于上位機(jī)上進(jìn)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(gè)現(xiàn)象是在上位機(jī)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(huì)出現(xiàn)跳變現(xiàn)象。但是，當(dāng)我們進(jìn)行操作試驗(yàn)時(shí)，一切均正常，就告知運(yùn)行人員已正常，若再出現(xiàn)此現(xiàn)象要及時(shí)告知，以便查找。在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)上述問題一直沒有解決，期間為了保證設(shè)備的運(yùn)行，若出現(xiàn)此故障時(shí)暫時(shí)由運(yùn)行值班人員就地手動(dòng)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(xiǎn)。

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(jī)上操作，通過測(cè)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(hào)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(qǐng)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(yàn)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(jìn)一步分析，我們發(fā)現(xiàn)每次解決問題的時(shí)候，設(shè)備都是在停運(yùn)狀態(tài)，而運(yùn)行值班人員告知設(shè)備無法操作時(shí)，是指變頻器在運(yùn)行狀態(tài)下的現(xiàn)象，即當(dāng)變頻器在運(yùn)行時(shí)，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(yùn)行值班人員進(jìn)一步了解故障現(xiàn)象，原來是變頻器沒有啟動(dòng)的時(shí)候，上位機(jī)上的所有操作均正常，而啟動(dòng)后其他操作均無法實(shí)現(xiàn)，這就說明是變頻器啟動(dòng)后對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。為了進(jìn)一步分析是哪部分存在問題，我們從以下幾方面進(jìn)行了排查。

（1）變頻器啟動(dòng)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(jī)上操作，設(shè)備指令還是無法發(fā)出。

（2）對(duì)PLC的I/O模塊進(jìn)行更換，更換后問題依然存在。

（3）對(duì)PLC進(jìn)行更換，更換后通過幾次試驗(yàn)，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(dòng)之前是正常狀態(tài)，而變頻器啟動(dòng)后存在問題。

但是，一段時(shí)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(shí)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(yùn)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(jī)上對(duì)設(shè)備進(jìn)行了多次操作。我們發(fā)現(xiàn)，在靜態(tài)情況下，在上位機(jī)上操作PLC上狀態(tài)指示燈會(huì)變化，而在變頻器啟動(dòng)情況下，在上位機(jī)上操作PLC上狀態(tài)指示燈不會(huì)變化。于是，我們懷疑是上位機(jī)與PLC之間的通訊有問題，在變頻器啟動(dòng)情況下，上位機(jī)上的操作指令就沒有傳輸?shù)絇LC上，所以PLC才不會(huì)輸出任何指令。

那么，為什么在變頻器啟動(dòng)后上位機(jī)與PLC通訊會(huì)存在問題，難道是存在干擾，干擾信號(hào)作用在通訊電纜上引起上位機(jī)與PLC通訊中斷。于是，我們臨時(shí)將上位機(jī)與PLC的通訊電纜進(jìn)行了更換。由于是試驗(yàn)，我們?cè)诘孛嫔吓R時(shí)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(duì)設(shè)備進(jìn)行了多次操作，各項(xiàng)操作均正常。

將變頻器啟動(dòng)后，對(duì)設(shè)備進(jìn)行了多次操作，各項(xiàng)操作也都正常。這就說明了上位機(jī)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(dòng)力電纜平行緊靠敷設(shè)，此6kV動(dòng)力電纜正是變頻器的動(dòng)力電纜。變頻器沒有啟動(dòng)情況下，動(dòng)力電纜中無電流通過，就不會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，也就不會(huì)對(duì)通訊電纜造成干擾，上位機(jī)與PLC通訊正常。當(dāng)變頻器啟動(dòng)后，動(dòng)力電纜中就會(huì)有電流通過，也就會(huì)產(chǎn)生較大的磁場(chǎng)，通訊電纜受到強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾，造成上位機(jī)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(duì)PLC更換后，上述問題會(huì)消失。通過分析，我們認(rèn)為是由于新的PLC 抗干擾能力較強(qiáng)，在剛開始時(shí)，各項(xiàng)工作都正常，但只是暫時(shí)的。運(yùn)行一段時(shí)間后，PLC抗干擾性能下降，問題又暴露出來了。

對(duì)于變頻器電流出現(xiàn)跳變現(xiàn)象，通過分析，我們認(rèn)為是由于PLC控制設(shè)備中有變頻器，而變頻器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾，而變頻器電流的電纜與變頻器的動(dòng)力電纜也敷設(shè)在一起。因此，在正常的運(yùn)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(gè)控制系統(tǒng)故障的事件。另外，其他模擬量信號(hào)出現(xiàn)跳變現(xiàn)象也是由于這些信號(hào)電纜均與動(dòng)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(dòng)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(chǎng)環(huán)境。但是，若PLC控制器所在現(xiàn)場(chǎng)干擾太強(qiáng)，也會(huì)造成PLC控制器不能正常工作。此時(shí)，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(duì)于不同的信號(hào)應(yīng)選用不同的電纜。對(duì)于控制、信號(hào)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(hào)電纜，一方面減少了噪聲干擾，另一方面也增強(qiáng)了電纜的機(jī)械強(qiáng)度；然而，對(duì)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(hào)規(guī)格?，F(xiàn)場(chǎng)查看，發(fā)現(xiàn)PLC控制器與上位機(jī)的通訊電纜選用的是型號(hào)為KVVP的信號(hào)控制電纜，這與PLC控制器中其他控制信號(hào)選用的電纜是一樣的，沒有區(qū)別對(duì)待。然而，KVVP的信號(hào)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(shí)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(hào)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(jì)施工規(guī)范規(guī)定，電氣動(dòng)力電纜和控制信號(hào)電纜需分層敷設(shè)，并有足夠的距離。但是，在實(shí)際的電纜敷設(shè)施工過程中，由于空間條件限制，動(dòng)力電纜和控制信號(hào)電纜有時(shí)會(huì)敷設(shè)在一起，這樣動(dòng)力電纜運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)就會(huì)對(duì)控制信號(hào)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(shí)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(gè)房間內(nèi)，電氣設(shè)備的動(dòng)力電纜與PLC的控制電纜也是在一個(gè)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(chǎng)實(shí)際查看，PLC通訊電纜可以改變敷設(shè)路徑進(jìn)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(dòng)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(jì)施工有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，信號(hào)電纜屏蔽線應(yīng)單端接地（PLC柜側(cè)接地），實(shí)際查看信號(hào)電纜接地情況，發(fā)現(xiàn)信號(hào)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(shí)現(xiàn)，我們決定在PLC機(jī)柜接線端子處加濾波電容器，對(duì)變頻器電流中的高壓信號(hào)進(jìn)行濾波處理（原理圖參見圖1）。變頻器電流4～20mA信號(hào)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(duì)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(gè)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(diǎn)，充分發(fā)揮軟件自身優(yōu)勢(shì)，在上位機(jī)將PLC狀態(tài)進(jìn)行指示，對(duì)于PLC當(dāng)前狀態(tài)可以實(shí)時(shí)監(jiān)視，當(dāng)PLC出現(xiàn)離線時(shí)進(jìn)行報(bào)警。這樣就可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，能夠準(zhǔn)確判斷故障，及時(shí)采取措施處理故障。

4 結(jié)語

通過本次對(duì)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(shí)，故障原因不易查找。因此，在處理問題時(shí)，要做到與操作人員溝通到位，獲取準(zhǔn)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(dá)到徹底解決問題的目的。

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

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

TM571

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1671-0711（2017）10（上）-0123-03