國投新疆羅布泊鉀鹽有限責(zé)任公司 王玉龍

化工裝置PLC控制應(yīng)用故障分析與處理探究

國投新疆羅布泊鉀鹽有限責(zé)任公司 王玉龍

PLC技術(shù)在提升化工裝置運(yùn)行穩(wěn)定性上具有重要作用，然而面對化工生產(chǎn)中周圍環(huán)境的復(fù)雜性，PLC控制系統(tǒng)也會出現(xiàn)一些故障和問題，特別是繼電器和按鈕觸頭松動故障、一次檢測元件損壞、壓力測量儀故障、液位測量儀故障等，都可能給PLC系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來嚴(yán)重影響。因此，本文對化工裝置PLC控制應(yīng)用故障進(jìn)行系統(tǒng)安全面的分析研究，根據(jù)分析的結(jié)果，提出了具有針對性的改進(jìn)措施，對從事PLC控制系統(tǒng)維護(hù)工作的人員具有一定的參考價(jià)值。

化工裝置；PLC控制；故障分析與處理

1 前言

在化工企業(yè)各類化工裝置自動化控制系統(tǒng)中，PLC控制技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。但由于PLC控制系統(tǒng)的工作環(huán)境一般較惡劣，易受到周圍環(huán)境的影響，進(jìn)而導(dǎo)致PLC控制系統(tǒng)不能正常的進(jìn)行控制工作，會給化工企業(yè)的安全生產(chǎn)帶來重大的安全隱患。尤其是PLC控制系統(tǒng)失靈，會導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸事故發(fā)生的概率提升。因此，一定要提高PLC控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進(jìn)而降低其出現(xiàn)故障的概率。

2 化工裝置PLC控制系統(tǒng)故障信號采集

在對PLC控制系統(tǒng)故障分析之前，需要對故障信號進(jìn)行有效的采集工作，確保能夠采集到精度的信號，進(jìn)而對故障分析提供數(shù)據(jù)支持。PLC故障信號的采集主要可以分為：數(shù)字量故障信號的采集和模擬量故障信號的采集，其故障診斷的原理如下所示：

2.1 數(shù)字量信號故障診斷的原理

PLC控制系統(tǒng)對數(shù)字量信號進(jìn)行識別，主要是依靠其內(nèi)部的數(shù)字量輸入模塊完成的。PLC控制設(shè)備中的各類操作按鈕、限位開關(guān)、繼電器觸點(diǎn)等開關(guān)所產(chǎn)生的信號與PLC數(shù)字量輸入模塊的輸入端子進(jìn)行直接的連接，進(jìn)而保障數(shù)字量信號能夠穩(wěn)定、迅速、安全的進(jìn)行有效傳輸。在進(jìn)行輸入服務(wù)（輸入采樣或輸入刷新）的整個(gè)掃描過程中，輸入端子的狀態(tài)值被PLC控制系統(tǒng)的中央處理器CPU讀取，進(jìn)而存儲于讀入狀態(tài)暫存區(qū)。PLC控制系統(tǒng)對該數(shù)字量信號進(jìn)行進(jìn)一步的分析，其故障診斷過程實(shí)質(zhì)上就是將數(shù)字量信號輸入點(diǎn)的實(shí)際狀態(tài)值與相應(yīng)輸入點(diǎn)的正常狀態(tài)值進(jìn)行對比分析，經(jīng)過PLC控制系統(tǒng)的分析之后，若兩者相差無幾，則說明位于該輸入點(diǎn)的化工設(shè)備工作正常；若兩者相差較大，則說明位于該輸入點(diǎn)的化工設(shè)備工作異常，存在故障。

2.2 模擬量信號故障診斷的原理

PLC控制系統(tǒng)對模擬量信號故障的診斷原理與對數(shù)字量信號故障的診斷原理大同小異，是通過PLC控制系統(tǒng)的模擬量輸入端模塊來進(jìn)行故障診斷的。在PLC控制系統(tǒng)中的設(shè)備電壓大小、壓力高低、流量大小等所產(chǎn)生的模擬信號與PLC模擬量輸入模塊的輸入端子進(jìn)行直接連接，確保模擬量信號能夠順利的傳輸?shù)街醒胩幚砥鰿PU中。模擬量信號由模擬量輸入模塊內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）進(jìn)行一定處理后，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量信號。數(shù)字量信號在進(jìn)一步被讀入到中央處理器CPU的輸入數(shù)據(jù)存儲區(qū)。PLC控制系統(tǒng)對模擬量信號的診斷主要是依靠中央處理器CPU，將將模擬量信號輸入點(diǎn)的實(shí)際數(shù)字值與PLC控制系統(tǒng)允許的極限值進(jìn)行一定的比較。通過系統(tǒng)全面的對比分析后，若實(shí)際值在極限值的范圍內(nèi)，則說明位于該輸入點(diǎn)的化工設(shè)備的工作狀態(tài)正常；若實(shí)際值不在極限值的范圍內(nèi)，則說明位于該輸入點(diǎn)的化工設(shè)備出現(xiàn)故障。

3 硬件方面常見故障及處理對策

3.1 繼電器和按鈕故障及處理對策

PLC控制系統(tǒng)通常是采用繼電器或者按鈕，與其他觸控裝置進(jìn)行有效的連接，但是這些連接方式大部分是依靠彈簧的壓力來確保連接的，由于彈簧具自身有一定的局限性，經(jīng)過長時(shí)間或者高頻率的使用，彈簧壓力有可能降低，進(jìn)而導(dǎo)致彈簧連接方式的失效，影響PLC控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

為了降低繼電器和按鈕連接方式失效的概率，進(jìn)而提高PLC控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可以從以下幾方面進(jìn)行改善：

（1）建立繼電器等裝置的定期檢查維護(hù)制度，安排專人定期對所有的依靠彈簧進(jìn)行連接的裝置進(jìn)行系統(tǒng)全面的檢查，對于檢查出的故障和問題，要及時(shí)的予以維修或者更換處理，進(jìn)而確保所有連接方式的有效性；

（2）對繼電器的連接單元進(jìn)行全方位的檢測，尤其是在使用過程中容易損壞的元器件，更要經(jīng)常性的進(jìn)行檢查和維護(hù)。PLC自身硬件導(dǎo)致的故障，例如，PLC卡件自身損壞無法正常工作、I/O接口接觸不良、CPU原件燒毀等故障，可以采用：CPU卡、I/O卡、通信卡雙冗余方式；三個(gè)PLC運(yùn)行在三選二方式；三選二PLC(如ESD)等進(jìn)行有效的處理。

3.2 儀表故障及處理對策

（1）壓力測量儀的故障

在PLC控制系統(tǒng)中的壓力測量儀故障主要包括：導(dǎo)壓管堵塞、內(nèi)膜片磨損以及變形等問題。這些故障的發(fā)生原因與測量儀的工作原理有著直接的關(guān)系，壓力測量儀進(jìn)行壓力測量的原理是，壓力測量儀內(nèi)部的敏感元件在外部壓力的作用下發(fā)生一定程度的形變，在敏感元件中，通過一定的轉(zhuǎn)換，將壓力信號變?yōu)殡娦盘?，在傳遞給外部的接收儀器。壓力測量儀的精確程度受到其壓力接觸點(diǎn)的影響，只有壓力接觸點(diǎn)能夠進(jìn)行良好的接觸，才能確保敏感元件感受到因壓力所帶來的形變。

（2）溫度控制儀器的故障

溫度控制儀器的故障主要包括：線路短路、接線腐蝕等。溫度控制儀器按照溫度測量原理的不同，可以分為：雙金屬溫度計(jì)測量儀、熱電偶測量儀、熱電阻測量儀等。由于測量原理的不同，在工作過程中所受到的影響亦不同，因外界不良因素所造成的故障也不盡相同。由于不同故障的處理方式不同，因此要對溫度控制器的故障進(jìn)行有效的區(qū)分，進(jìn)而采取有效的對應(yīng)處理措施。在溫度控制儀器故障類型的區(qū)分工作過程中，可以采用斷開熱電偶，進(jìn)而對溫度測量儀器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的檢查。

（3）液位測量儀的故障

液位測量儀按照測量原理的不同可以分為：音叉振動式、浮力式、壓力式、超聲波、聲吶波，磁翻板、雷達(dá)等，常見的主要有浮力液位測量儀、超聲波液位測量儀等。液位測量儀的故障類型主要有：液位波動大、測量值不穩(wěn)定等，不同液位測量儀的故障原因也不同，在進(jìn)行故障分析時(shí)，要針對不同類型的液位測量儀進(jìn)行有針對性的分析，故障的確認(rèn)方法主要是用視鏡觀察法來檢查液位測量儀的工作狀況，對于眼睛觀察到的故障，在采用儀器進(jìn)行更進(jìn)一步的分析。

（4）流量測量儀的故障

流量測量儀是用來測量管道或明溝中的液體、氣體或蒸汽等流體流量的工業(yè)自動化儀表，其的故障類型主要有讀數(shù)不穩(wěn)定，波動較大和測量數(shù)值較真實(shí)值有較大的偏差。流量測量儀根據(jù)測量原理的不同可以分為：轉(zhuǎn)子流量計(jì)、節(jié)流式流量計(jì)、細(xì)縫流量計(jì)、容積流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)等。由于流量測量儀的種類繁多，其對應(yīng)的故障原因也是千差萬別，但是造成故障的原因一般主要有：儀表雷諾數(shù)偏差、工藝密度、測量溫度、外界壓力等。由測量儀表工作原理的原因?qū)е聝x表故障的類型主要有：壓管泄露、管線震動等故障。為了提高流量測量儀工作時(shí)的穩(wěn)定性，避免各類故障的發(fā)生，要對所有的回路接線端采取有效的保護(hù)措施，確保接線端的連接穩(wěn)固可靠。

（5）各類儀表故障的處理對策

在PLC控制系統(tǒng)中所使用的儀表控制裝置數(shù)量眾多，所產(chǎn)生的故障類型也是千差萬別，在處理故障前要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行有效的分析，進(jìn)而提出具有針對性的有效處理對策。但是對于通常的一般故障處理方法，還是有一系列統(tǒng)一的處理對策可供參考。

1）從細(xì)節(jié)出發(fā)，對故障進(jìn)行分析

對各類儀表的檢修維護(hù)要根據(jù)儀表的工作原理不同采取有針對性的措施，這樣才能快速的確定儀表出現(xiàn)故障的部位。因此，儀表的操作和檢查人員要對儀表有一個(gè)系統(tǒng)全面的了解，對儀表的生產(chǎn)、加工全過程要進(jìn)行深入的了解，同時(shí)還要對各類儀表的性能、參數(shù)予以明確。在對儀表全面了解的基礎(chǔ)上，才能在故障分析過程中針對不同儀表的特點(diǎn)，對其故障原因進(jìn)行相關(guān)的分析。其中，最重要的檢測部位就是儀表與被測介質(zhì)接觸的位置，同時(shí)，信號的傳輸回路、傳遞回路等也要進(jìn)行詳細(xì)的檢查。

2）儀表設(shè)備的定期檢查

儀表控制系統(tǒng)的故障原因分析可以采用分布式控制系統(tǒng)進(jìn)行檢查和判別，特別是在儀表的現(xiàn)場檢查過程中，充分的運(yùn)用該檢查方法能得到良好的檢查效果。這一檢測技術(shù)具有檢測時(shí)間短、檢測精度高、檢測范圍廣等特點(diǎn)，在檢測的同時(shí)還能及時(shí)的記錄有關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)而為以后的故障檢查工作提供數(shù)據(jù)支持。

3）做好日常的維護(hù)保養(yǎng)工作

對儀表進(jìn)行良好的維護(hù)保養(yǎng)，可以確保儀表能夠進(jìn)行良好的工作，避免各類故障的出現(xiàn)?；て髽I(yè)應(yīng)建立儀表的日常維護(hù)保養(yǎng)工作制度，并安排專人監(jiān)督工作制度的順利實(shí)施，確保該工作制度能夠得以順利的推行。在對儀表的日常檢查保養(yǎng)過程中，要做好儀表的校驗(yàn)和清理工作，并對老舊、破損的零部件進(jìn)行及時(shí)的更換，進(jìn)而確保儀表能夠進(jìn)行正常的工作。

4）對儀表進(jìn)行有針對性的故障控制

為了快速的排除儀表故障，恢復(fù)儀表的工作能力，在儀表的故障檢修過程中，要針對各類儀表不同的工作特點(diǎn)，采取有針對性的故障檢查方法。例如，在對加熱系統(tǒng)的控制裝置進(jìn)行故障分析時(shí)就要明確控制系統(tǒng)的工作條件。儀表控制系統(tǒng)的超溫裝置工作溫度差不得超過5℃，一旦超過這個(gè)溫差限度，系統(tǒng)就會自動停止運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)這種情況后，再恢復(fù)運(yùn)行時(shí)就會出現(xiàn)停爐的故障。

4 PLC通訊系統(tǒng)故障及處理對策

化工裝置PLC控制系統(tǒng)自身具有非常好的穩(wěn)定性，在整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行過程中發(fā)生故障的概率比較低，主要的故障原因在于PLC控制系統(tǒng)與其他自動化控制模塊進(jìn)行通訊的過程中。例如，DCS連鎖信號如果沒有進(jìn)行正確的傳輸會導(dǎo)致PLC控制系統(tǒng)失靈，因通訊中斷導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)無法進(jìn)行正常的工作。

對于PLC通訊系統(tǒng)故障的處理對策，可以從以下幾方面進(jìn)行考慮：

（1）在進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，要盡可能的減少通訊口傳遞連鎖信號模式的次數(shù)，減少了傳遞次數(shù)，也就降低了通訊出現(xiàn)故障的概率；

（2）采用單一的PLC控制系統(tǒng)來完成控制系統(tǒng)內(nèi)部的通訊功能，降低整個(gè)通訊系統(tǒng)的復(fù)雜程度，也就是從根本上降低出現(xiàn)故障的概率；

（3）在對PLC硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，要采用PLC與DCS系統(tǒng)進(jìn)行直接連接，提高整個(gè)通訊系統(tǒng)的有效性；

（4）采取有效的處理措施，對模擬信號進(jìn)行一定的隔離，進(jìn)而確保通訊線路的單一性，減少不同線路之間的相互干擾，提高通訊的有效性。

5 干擾故障及處理對策

5.1 雷電造成的干擾及對策

在PLC控制系統(tǒng)中的變送器、調(diào)節(jié)閥限位開關(guān)，一般都是安裝在塔頂或者較高的位置，在雷雨天氣的使用過程中，容易受到來自雷電方面的干擾，導(dǎo)致其不能進(jìn)行正常的工作，給整個(gè)PLC控制系統(tǒng)帶來不小的影響。

為了避免來自雷電的干擾，在PLC設(shè)計(jì)時(shí)要結(jié)合實(shí)際情況，選擇封閉式電纜橋架的方式，通過焊接螺絲、電線等與地面保持有效的連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)避免遭受雷電影響的目的。還可以采用穿線管，將變送器保護(hù)箱與螺絲之間進(jìn)行有效的焊接連接，進(jìn)而增強(qiáng)其抵抗雷電影響的能力。

5.2 靜電造成的干擾及對策

在PLC控制系統(tǒng)中的靜電影響也是不容忽視的，雖然靜電的電量較小，但是隨著其不斷的積累，I/O端子現(xiàn)場的電纜上的靜電會變得很高，進(jìn)而導(dǎo)致PLC輸入口誤導(dǎo)通而引發(fā)故障。

在對靜電影響的防范措施上，可以在PLC輸入端口接入一個(gè)容量夠大的電容，對電纜上的靜電進(jìn)行有效的儲存和放電，從而減輕靜電對PLC控制系統(tǒng)的干擾，確?？刂葡到y(tǒng)能夠正常運(yùn)行。此外，工作人員在現(xiàn)場進(jìn)行各類操作時(shí)，要按照規(guī)定穿靜電服，避免化纖類衣服等給控制系統(tǒng)造成的靜電危害。尤其是在機(jī)房工作的過程中，一定要按照機(jī)房的工作規(guī)章制度進(jìn)行，機(jī)房重地，閑雜人等避免入內(nèi)，從而確保整個(gè)PLC系統(tǒng)免受靜電帶來的各種不利影響。

5.3 2 2 0 V交流電壓對P L C 2 4 V l O/回路干擾及對策

由于PLC控制系統(tǒng)中多數(shù)采用24V電壓進(jìn)行供電，在現(xiàn)場的控制過程中，其開關(guān)信號容易受到來自較高電壓（例如220V和380V）的影響。尤其是在PLC控制系統(tǒng)的總線上，一旦與高壓線路并行時(shí)，來自高壓線路的影響會導(dǎo)致PLC開關(guān)線路導(dǎo)通，進(jìn)而造成PLC控制系統(tǒng)發(fā)生故障。

為了避免來自較高電壓的影響，在現(xiàn)場PLC施工中可以結(jié)合施工的實(shí)際情況采取以下的措施：

（1）在進(jìn)行PLC控制系統(tǒng)的電纜橋架設(shè)計(jì)時(shí)，要按照相關(guān)規(guī)定的要求，將4-20mA模擬量信號線、PLC 24V I/O開關(guān)信號線、220V AC電源線或信號線采取有效的隔離手段，將以上的各類線纜分別放入分線槽中進(jìn)行敷設(shè)，從而避免PLC控制系統(tǒng)遭受來自高電壓的不利影響。

（2）在PLC I/O端子上，根據(jù)工作的實(shí)際要求，接入50-100μF的電容，通過電容存儲和釋放大的交流電信號，減輕交流電給整個(gè)PLC控制系統(tǒng)帶來的不利影響。

（3）在PLC控制系統(tǒng)中，根據(jù)實(shí)際的需求，可以采用220V AC輸入卡件，進(jìn)而提高導(dǎo)通門坎的所能承受的最高電壓，增強(qiáng)其抗干擾的能力，進(jìn)而確保整個(gè)PLC控制系統(tǒng)能夠正常的運(yùn)行。

（4）PLC I/O開關(guān)量回路供電電源可以采用隔離加凈化電源，采取雙重的保護(hù)措施，確保PLC控制系統(tǒng)免受來自高電壓的影響。

（5）在進(jìn)入PLC I/O開關(guān)量輸入卡之前，設(shè)置一個(gè)繼電器進(jìn)行有效的隔離防范，由于繼電器抵抗干擾的能力較PLC卡更強(qiáng)，在PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，可以對干擾信號進(jìn)行有效的阻斷，從而確保PLC控制系統(tǒng)穩(wěn)定的運(yùn)行。

（6）常開觸點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槌ｉ]觸點(diǎn)，在化工企業(yè)的正常生產(chǎn)過程中，觸點(diǎn)常開整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行，觸點(diǎn)閉合整個(gè)系統(tǒng)停止運(yùn)行。這種類型的觸點(diǎn)在工作過程中，極易受到外界因素的干擾，抵抗干擾的能力較低。在PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，可將常開觸點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槌ｉ]觸點(diǎn)，在正常生產(chǎn)是，觸點(diǎn)保持閉合狀態(tài)，觸點(diǎn)由閉合狀態(tài)變?yōu)槌ｉ_狀態(tài)，則停止運(yùn)行。

5.4 軟件受到的干擾及對策

在PLC控制系統(tǒng)中來自軟件方面的干擾也不容忽視，尤其是一些PLC控制系統(tǒng)的軟開關(guān)，由于其所帶來的干擾，可能影響整個(gè)PLC控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

為了減輕PLC控制系統(tǒng)軟件受到的干擾，可以采取以下的應(yīng)對措施：軟開關(guān)頻蔽法，例如，PLC控制系統(tǒng)受到總信號A的誤動作影響而導(dǎo)致故障，而能夠引起系統(tǒng)故障的B路線信號卻沒有動作。通過一定的技術(shù)分析，B路信號任意一路出現(xiàn)故障后會導(dǎo)致A路故障，但是B路信號在正常的情況下，A路信號應(yīng)該也能進(jìn)行正常的工作。若出現(xiàn)A路信號故障后，則應(yīng)該是出現(xiàn)了干擾信號，通過增加一個(gè)用B路信號的常開觸點(diǎn)串聯(lián)與A信號常開純點(diǎn)并聯(lián)，則能夠起到對干擾信號的屏蔽作用。

6 結(jié)語

總而言之，化工裝置PLC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，容易受到周圍惡劣工作環(huán)境的影響，而出現(xiàn)各種類型的故障，導(dǎo)致整個(gè)PLC控制系統(tǒng)不能進(jìn)行正常的控制工作。本文對PLC控制系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行了系統(tǒng)全面的分析，并針對故障的原因提出了具有針對性的改進(jìn)對策，對從事PLC控制系統(tǒng)維護(hù)管理的工作人員具有一定的指導(dǎo)意義，提高其PLC控制系統(tǒng)的管理水平，進(jìn)而促進(jìn)PLC控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，從而確?；て髽I(yè)的安全生產(chǎn)。

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