祖博

（吉林燃料乙醇有限公司，吉林 吉林 132101）

PLC控制系統(tǒng)常見(jiàn)故障與維護(hù)建議

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（吉林燃料乙醇有限公司，吉林 吉林 132101）

公司生產(chǎn)裝置中使用大量西門子PLC過(guò)程控制系統(tǒng)，一旦PLC出現(xiàn)故障，就會(huì)使設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行，從而影響生產(chǎn)。因此，提高PLC控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性并減少系統(tǒng)的維護(hù)成本，是保證企業(yè)高效平穩(wěn)生產(chǎn)的前提。本文對(duì)PLC過(guò)程控制系統(tǒng)常見(jiàn)的故障進(jìn)行分析，目的在于探索出故障存在的原因及其出現(xiàn)的規(guī)律。

PLC；過(guò)程控制；故障；維護(hù)

PLC控制系統(tǒng)是以可編程邏輯控制器為核心的自動(dòng)控制系統(tǒng)，被工業(yè)生產(chǎn)廣泛應(yīng)用。作為一種以數(shù)字電路系統(tǒng)為基礎(chǔ)的電子裝置，可編程控制器用ROM儲(chǔ)存指令，通過(guò)常開常閉接點(diǎn)、線圈、定時(shí)、計(jì)數(shù)、數(shù)學(xué)運(yùn)算等功能，實(shí)現(xiàn)順序控制和邏輯運(yùn)算。在工業(yè)生產(chǎn)中，一般中型以上成套設(shè)備都會(huì)采用PLC控制系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)在投入到工業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)之中后，由于它的性價(jià)比較高、可靠性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為工業(yè)生產(chǎn)的核心設(shè)備。在眾多工業(yè)控制設(shè)備中， PLC控制系統(tǒng)的使用量已經(jīng)排在前位。

為了節(jié)約工業(yè)生產(chǎn)的成本，要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初始階段和生產(chǎn)應(yīng)用中估計(jì)好PLC設(shè)備元件的損耗，注意PLC系統(tǒng)常發(fā)生故障的點(diǎn)，提前做好應(yīng)對(duì)措施，這樣可以降低PLC系統(tǒng)發(fā)生故障的時(shí)候造成設(shè)備停車產(chǎn)生的影響。

1 PLC控制系統(tǒng)組成及故障分布

輸入、輸出、邏輯控制組成了PLC控制系統(tǒng)，輸入包括各類開關(guān)量信號(hào)，例如接近開關(guān)、按鈕、行程開關(guān)、繼電器接點(diǎn)等和模擬信號(hào)，例如傳感器等。輸出包括各類執(zhí)行單元，例如電動(dòng)氣動(dòng)閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。邏輯控制是用戶對(duì)程序進(jìn)行控制。PLC首先收到輸入信號(hào)，然后執(zhí)行用戶程序來(lái)連接輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，保持它們之間的邏輯關(guān)系，得到執(zhí)行結(jié)果后，通過(guò)輸出端進(jìn)行輸出，以便控制設(shè)備。

近5年來(lái)，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)PLC控制系統(tǒng)故障事故，系統(tǒng)故障總共出現(xiàn)有217次，屬于PLC系統(tǒng)故障所占比率約占4．9%，屬于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備故障所占比率約占95．1%。PLC系統(tǒng)故障之中，I/O模塊（AI、AO、DI、DO、RTD等）故障比例約為96%，與處理器相關(guān)聯(lián)的部分（電源、通訊網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)總線、存儲(chǔ)器、CPU等）故障比例約為4%。系統(tǒng)故障分布如圖1所示。

圖1

2 PLC控制系統(tǒng)的故障分析

2.1 PLC系統(tǒng)的I/O模塊

PLC系統(tǒng)中故障率最高的是各種I/O模塊，I/O模塊是接收現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字、模擬信號(hào)和發(fā)送指令、模擬量值功能型模塊。當(dāng)I/O模塊發(fā)生故障后的影響尤其明顯，不能正常的輸入信號(hào)、輸出指令會(huì)在很大程度上影響到PLC系統(tǒng)的正常運(yùn)行。想要減小I/O模塊發(fā)生故障的頻率就要先從外部開始著手，減少外界高電壓、大電流對(duì)I/O模塊端口的沖擊。要按照正確的使用方法使用，應(yīng)該加裝隔離保護(hù)設(shè)備的一定要加裝，不能隨意減少或者不裝保護(hù)設(shè)備。最后還要注意系統(tǒng)整體的接地情況，各I/O模塊要共地，這樣系統(tǒng)整體穩(wěn)定性好，模擬量數(shù)值穩(wěn)定，過(guò)程控制才能更平穩(wěn)。

2.2 PLC處理器部分

在PLC系統(tǒng)處理器單元中故障率最高的是電源模塊。生產(chǎn)裝置連續(xù)生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備夜以繼日不停的運(yùn)行，作為設(shè)備核心的PLC系統(tǒng)也在不停的接收輸入信號(hào)，發(fā)出相應(yīng)的控制指令來(lái)維持設(shè)備的運(yùn)行。PLC的電源在連續(xù)工作中，由于受到電流和電壓的波動(dòng)影響，導(dǎo)致元件發(fā)熱量增加，由于電源模塊散熱能力有限，久而久之加速元器件老化，降低使用壽命。晃電最容易損壞電源模塊，持續(xù)運(yùn)行數(shù)日的電源模塊經(jīng)歷一次晃電就極有可能無(wú)法正常為PLC提供穩(wěn)定的電流和電壓。

PLC系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)故障率很高，主要分為四種情況：一是通訊線或者通訊線插接件損壞。二是終端電阻設(shè)置不對(duì)。三是電氣元件的燒壞，如DP插頭、通訊接口模塊等。四是通訊電纜被動(dòng)力電纜干擾。

PLC系統(tǒng)總線出現(xiàn)故障的主要原因在于它的插件結(jié)構(gòu)，插拔模塊會(huì)被長(zhǎng)期的應(yīng)用，這樣容易導(dǎo)致印刷電路板、插接件借口、底板等局部的總線出現(xiàn)磨損。由于在空氣的暴露下，溫濕度會(huì)導(dǎo)致總線的材質(zhì)、印刷電路板退化，模板與模板相接的接觸點(diǎn)也會(huì)氧化，這些情況會(huì)使系統(tǒng)的總線損耗較大，最后導(dǎo)致故障時(shí)常發(fā)生。由此可見(jiàn)，在PLC系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)時(shí)要考慮使用環(huán)境的溫度、濕度、灰塵等因素對(duì)PLC系統(tǒng)硬件的影響。

PLC系統(tǒng)的程序存儲(chǔ)到自身的ROM中，正常運(yùn)行時(shí)通常不會(huì)出現(xiàn)故障。故障多發(fā)在電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障斷電時(shí)，程序保持電池電量低，不足以維持ROM中的程序保存，造成的PLC程序丟失。因此，要定時(shí)更換程序保持電池，一般年限為2年。還要做好程序備份，以備程序丟失時(shí)，將程序重新下裝到PLC系統(tǒng)。

CPU是PLC系統(tǒng)的中央處理單元，目前的PLC系統(tǒng)都采用高性能的處理芯片，其壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定性好，故障率低。主要控制好使用環(huán)境的溫濕度和做好防塵措施即可。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備部分

PLC控制系統(tǒng)中故障率最高的在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，經(jīng)統(tǒng)計(jì)有近95．1%的故障出自現(xiàn)場(chǎng)。其中比較突出的故障包括以下幾類。

第一類的故障主要發(fā)生在接觸器和繼電器上，也是故障發(fā)生最多的地方。由于需要對(duì)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行日常的維護(hù)，可以發(fā)現(xiàn)在電氣備件中，各種接觸器、繼電器的損耗量最大。首先，產(chǎn)品本身的原因使得其發(fā)生故障。其次，就是存放環(huán)境不適宜，繼電器、接觸器的觸點(diǎn)在空氣下比較容易打火氧化，使之發(fā)熱直至變形，最后導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障，不能使用。所以，若要減少故障的發(fā)生，應(yīng)該選擇質(zhì)量上乘、使用壽命長(zhǎng)、性能高的繼電器和接觸器。與此同時(shí)，繼電器、接觸器的環(huán)境要進(jìn)行改善，盡量不要頻繁更換，不影響系統(tǒng)的運(yùn)行。

第二類的故障主要發(fā)生在執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如閥門、閘板門等，在使用過(guò)程中，這類設(shè)備經(jīng)常進(jìn)行相對(duì)位移且位移較大，或閥門、閘板門要完成相應(yīng)動(dòng)作需要經(jīng)過(guò)電氣轉(zhuǎn)換等，或使用電動(dòng)來(lái)完成閥門、閘板門的位移，其它環(huán)節(jié)，如儀表、機(jī)械等稍微不到位就可能會(huì)有誤差，甚至導(dǎo)致故障。究其主要原因，是機(jī)械、電氣和儀表等長(zhǎng)期被使用而沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行定期維護(hù)而產(chǎn)生的故障。所以，除了定期檢查和維護(hù)這類設(shè)備外還要建立嚴(yán)格的檢查監(jiān)督機(jī)制，巡檢人員可以對(duì)設(shè)備的外觀進(jìn)行檢查，看設(shè)備是否有變形情況，控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否運(yùn)行正常等，減少其故障的發(fā)生。

第三類的故障主要發(fā)生在限位保護(hù)裝置、現(xiàn)場(chǎng)操作柱的元件和開關(guān)上。主要原因是元件的損壞，可能是由于設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行導(dǎo)致，也可能是設(shè)備長(zhǎng)期沒(méi)有使用而導(dǎo)致的生銹。主要的措施是要對(duì)設(shè)備定期維護(hù)，使設(shè)備保持良好的狀態(tài)。而對(duì)于大型設(shè)備上的限位開關(guān)，不僅要檢查、維護(hù)，還要在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行多項(xiàng)保護(hù)設(shè)置。

第四類故障主要發(fā)生在其附件之中，如接線端子等。究其主要原因，附件這類設(shè)備的制作工藝是一方面，安裝工藝也是一方面。有關(guān)人員認(rèn)為，將螺母與電線壓接緊一些較好，但也會(huì)出現(xiàn)拆卸困難，尤其是在整修時(shí)。而為了拆卸，使用較大力氣容易使連接件和附近元件出現(xiàn)損壞。因此，不論是在設(shè)備的安裝還是維修中，都應(yīng)該按照相關(guān)的安裝程序、安裝工藝。

第五類的主要故障是傳感器、儀表類，主要表現(xiàn)為信號(hào)不正常。這種設(shè)備在安裝時(shí)要與動(dòng)力電纜分別鋪設(shè)，盡可能的將信號(hào)線的屏蔽層進(jìn)行單端可靠接地，尤其是高干擾變頻器的輸出電纜。主要措施是建立預(yù)防機(jī)制，進(jìn)行日常檢查，及早發(fā)現(xiàn)故障，及早處理。

第六類的主要故障是地線、信號(hào)線的干擾和電源。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，解決這類故障的主要措施是維護(hù)時(shí)對(duì)其觀察分析和經(jīng)驗(yàn)。PLC系統(tǒng)對(duì)工業(yè)環(huán)境要求較高，因?yàn)樵谥圃鞎r(shí)就已經(jīng)加入很多措施，所以可以在現(xiàn)場(chǎng)使用，但是想要整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，還要實(shí)施抗干擾措施。

3 結(jié)語(yǔ)

大多數(shù)PLC控制系統(tǒng)隨成套設(shè)備被安置在環(huán)境復(fù)雜的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。一般情況下，PLC設(shè)備發(fā)生故障是隨機(jī)的、不可預(yù)見(jiàn)的，也是不可避免的。PLC控制系統(tǒng)對(duì)于連續(xù)自動(dòng)化生產(chǎn)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。因此，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)故障現(xiàn)象快速分析、查找、排除、解決故障，對(duì)于企業(yè)平穩(wěn)生產(chǎn)有著關(guān)鍵性的作用。這就要求專業(yè)技術(shù)人員要重視安全操作規(guī)程，日常工作中嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)規(guī)定，規(guī)范日常檢查內(nèi)容，加強(qiáng)專業(yè)技術(shù)知識(shí)學(xué)習(xí)，歸納總結(jié)故障處理的經(jīng)驗(yàn)，便于在日后快速準(zhǔn)確處理類似故障，降低系統(tǒng)的維護(hù)成本。

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