PLC過(guò)程控制系統(tǒng)常見(jiàn)故障的分布分析及維護(hù)
0 引言
為了延長(zhǎng)PLC控制系統(tǒng)的壽命，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)使用中要對(duì)該系統(tǒng)的設(shè)備消耗、元器件設(shè)備故障發(fā)生點(diǎn)有較明白的估計(jì)，也就是說(shuō)，要知道整個(gè)系統(tǒng)哪些部件最容易出故障，以便采取措施。現(xiàn)以我廠特種水泥1號(hào)線的PLC過(guò)程控制系統(tǒng)為例，對(duì)PLC過(guò)程控制系統(tǒng)故障分布規(guī)律進(jìn)行分析，希望能對(duì)PLC過(guò)程控制系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和U常維護(hù)有所幫助。
1 系統(tǒng)故障的概念
系統(tǒng)故障一般指整個(gè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)失效的總和，它又可分為PLC故障和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)控制設(shè)備故障兩部分。PLC系統(tǒng)包括中央處理器、主機(jī)箱、擴(kuò)展機(jī)箱、I／O模塊及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)和外部設(shè)備?，F(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)控制設(shè)備包括I／O端口和現(xiàn)場(chǎng)控制檢測(cè)設(shè)備，如繼電器、接觸器、閥門、電動(dòng)機(jī)等。
2 系統(tǒng)的故障統(tǒng)計(jì)及分析處理
2．1 我廠特種水泥1號(hào)線過(guò)程控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介
2000年該系統(tǒng)改造時(shí)采用日本二菱公司的A2系列PIC為核心組成的PLC過(guò)程控制系統(tǒng)。系統(tǒng)配置如圖1。
圖1 系統(tǒng)配置框圖
該系統(tǒng)有2個(gè)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(gè)現(xiàn)場(chǎng)工作站：窯尾生料自動(dòng)配料工作站和窯尾成球盤自動(dòng)加水成球工作站；2個(gè)電視監(jiān)控系統(tǒng)：預(yù)熱器進(jìn)口下料監(jiān)控和窯頭電視看火。現(xiàn)場(chǎng)工作站是獨(dú)立的微機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，它與主站只進(jìn)行模擬量的通訊和開關(guān)量的聯(lián)鎖。主站與從站間采用幀同步全雙工通訊方式：
2．2 系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)
該系統(tǒng)運(yùn)行近3年來(lái)PLC故障統(tǒng)計(jì)如表1。
表1 PLC故障數(shù)量統(tǒng)計(jì) 次
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CPU |
存儲(chǔ)器 |
系統(tǒng)總線 |
通信網(wǎng)絡(luò) |
電源 |
I/O模塊 |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
6 |
現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備故障統(tǒng)計(jì)如表2。
表2 現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備故障數(shù)量統(tǒng)計(jì) 次
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繼電器、接觸器 |
閥門及執(zhí)行機(jī)構(gòu) |
開關(guān) |
傳感器、儀表 |
限位裝置 |
安全保護(hù) |
現(xiàn)場(chǎng)操作箱 |
電源地線 |
信號(hào)電纜 |
接線盒及端子 |
中小電動(dòng)機(jī) |
大型電動(dòng)機(jī) |
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19 |
5 |
18 |
14 |
5 |
10 |
8 |
5 |
10 |
15 |
11 |
0 |
經(jīng)統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)故障共計(jì)126次，其中PLC的故障比例約為4．7％，現(xiàn)場(chǎng)部分故障比例約為95．3％，：對(duì)照其他PLC過(guò)程控制系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)，并考慮該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間不是很長(zhǎng)，該比例比較接近一般PLC過(guò)程控制系統(tǒng)的故障分布規(guī)律，有一定的普遍性。一般來(lái)講PIC部分的故障比例約為5％，現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備的故障比例約為95％。 PLC過(guò)程控制系統(tǒng)故障分布的估計(jì)圖[1]如圖2。
圖2 系統(tǒng)的故障分布
2．3 系統(tǒng)故障分析及處理
2．3．1 PLC主機(jī)系統(tǒng)
PLC主機(jī)系統(tǒng)最容易發(fā)生故障的地方一般在電源系統(tǒng)和通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，電源在連續(xù)工作、散熱中，電壓和電流的波動(dòng)沖擊是不可避免的。通訊及網(wǎng)絡(luò)受外部干擾的可能性大，外部環(huán)境是造成通訊外部設(shè)備故障的最大因素之一。系統(tǒng)總線的損壞主要由于現(xiàn)在PLC多為插件結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)期使用插拔模塊會(huì)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(diǎn)的氧化等都是系統(tǒng)總線損耗的原因。所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和處理系統(tǒng)故障的時(shí)候要考慮到空氣、塵埃、紫外線等因素對(duì)設(shè)備的破壞。目前PLC的主存儲(chǔ)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(guān)外，還和底板的供電、CPU模塊工藝水平有關(guān)。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(jīng)大大下降。對(duì)于PLC主機(jī)系統(tǒng)的故障的預(yù)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(huán)境符合其安裝運(yùn)行要求；同時(shí)在系統(tǒng)維修時(shí)，嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行操作，謹(jǐn)防人為的對(duì)主機(jī)系統(tǒng)造成損害。
2．3．2 PLC的I／O端口
PLC最大的薄弱環(huán)節(jié)在I／O端口。PLC的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于其I／O端口，在主機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)水平相差無(wú)幾的情況下，I／O模塊是體現(xiàn)PLC性能的關(guān)鍵部件，因此它也是PLC損壞中的突出環(huán)節(jié)。要減少I／O模塊的故障就要減少外部各種干擾對(duì)其影響，首先要按照其使用的要求進(jìn)行使用，不可隨意減少其外部保護(hù)設(shè)備，其次分析主要的干擾因素，對(duì)主要干擾源要進(jìn)行隔離或處理。
2．3．3 現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備
在整個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)中最容易發(fā)生故障地點(diǎn)在現(xiàn)場(chǎng)，表2列出了現(xiàn)場(chǎng)中最容易出故障的幾個(gè)方面。
1)第一類故障點(diǎn)(也是故障最多的地點(diǎn))在繼電器、接觸器。如該生產(chǎn)線PLC控制系統(tǒng)的日常維護(hù)中，電氣備件消耗量最大的為各類繼電器或空氣開關(guān)。主要原因除產(chǎn)品本身外，就是現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較惡劣，接觸器觸點(diǎn)易打火或氧化，然后發(fā)熱變形直至不能使用。在該生產(chǎn)線上所有現(xiàn)場(chǎng)的控制箱都是選用密閉性較好的盤柜，其內(nèi)部元器件較其他采用敞開式盤柜內(nèi) 元器件的使用壽命明顯要長(zhǎng)。所以減少此類故障應(yīng)盡量選用高性能繼電器，改善元器件使用環(huán)境，減少更換的頻率，以減少其對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。
2)第二類故障多發(fā)點(diǎn)在閥門或閘板這一類的設(shè)備上，因?yàn)檫@類設(shè)備的關(guān)鍵執(zhí)行部位，相對(duì)的位移一般較大，或者要經(jīng)過(guò)電氣轉(zhuǎn)換等幾個(gè)步驟才能完成閥門或閘板的位置轉(zhuǎn)換，或者利用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)推拉閥門或閘板的位置轉(zhuǎn)換，機(jī)械、電氣、液壓等各環(huán)節(jié)稍有不到位就會(huì)產(chǎn)生誤差或故障。長(zhǎng)期使用缺乏維護(hù)，機(jī)械、電氣失靈是故障產(chǎn)生的主要原因，因此在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)要加強(qiáng)對(duì)此類設(shè)備的巡檢，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。我廠對(duì)此類設(shè)備建立了嚴(yán)格的點(diǎn)檢制度，經(jīng)常檢查閥門是否變形，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否靈活可用，控制器是否有效等，很好地保證了整個(gè)控制系統(tǒng)的有效性。
3)第三類故障點(diǎn)可能發(fā)生在開關(guān)、極限位置、安全保護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)操作上的一些元件或設(shè)備上，其原因可能是因?yàn)殚L(zhǎng)期磨損，也可能是長(zhǎng)期不用而銹蝕老化。如該生產(chǎn)線窯尾料球儲(chǔ)庫(kù)上的布料行走車來(lái)回移動(dòng)頻繁，而且現(xiàn)場(chǎng)粉塵較大，所以接近開關(guān)觸點(diǎn)出現(xiàn)變形、氧化、粉塵堵塞等從而導(dǎo)致觸點(diǎn)接觸不好或機(jī)構(gòu)動(dòng)作不靈敏。對(duì)于這類設(shè)備故障的處理主要體現(xiàn)在定期維護(hù)，使設(shè)備時(shí)刻處于完好狀態(tài)。對(duì)于限位開關(guān)尤其是重型設(shè)備上的限位開關(guān)除了定期檢修外，還要在設(shè)計(jì)的過(guò)程中加入多重的保護(hù)措施。
4)第四類故障點(diǎn)可能發(fā)生在PLC系統(tǒng)中的子設(shè)備，如接線盒、線端子、螺栓螺母等處。這類故障產(chǎn)生的原因除了設(shè)備本身的制作工藝原因外還和安裝工藝有關(guān)，如有人認(rèn)為電線和螺釘連接是壓的越緊越好，但在二次維修時(shí)很容易導(dǎo)致拆卸困難，大力拆卸時(shí)容易造成連接件及其附近部件的損害。長(zhǎng)期的打火、銹蝕等也是造成故障的原因。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，這類故障一般是很難發(fā)現(xiàn)和維修的。所以在設(shè)備的安裝和維修中一定要按照安裝要求的安裝工藝進(jìn)行，不留設(shè)備隱患。
5)第五類故障點(diǎn)是傳感器和儀表，這類故障在控制系統(tǒng)中一般反映在信號(hào)的不正常。這類設(shè)備安裝時(shí)信號(hào)線的屏蔽層應(yīng)單端可靠接地，并盡量與動(dòng)力電纜分開敷設(shè)，特別是高干擾的變頻器輸出電纜，而且要在PIC內(nèi)部進(jìn)行軟件濾波。這類故障的發(fā)現(xiàn)及處理也和日常點(diǎn)巡檢有關(guān)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題應(yīng)及時(shí)處理。
6)第六類故障主要是電源、地線和信號(hào)線的噪聲(干擾)，問(wèn)題的解決或改善主要在于工程設(shè)計(jì)時(shí)的經(jīng)驗(yàn)和日常維護(hù)中的觀察分析。
要減小故障率，很重要的一點(diǎn)是要重視工廠工藝和安全操作規(guī)程，在日常的工作中要遵守工藝和安全操作規(guī)程，嚴(yán)格執(zhí)行—些相關(guān)的規(guī)定，如保持集中控制室的環(huán)境等等，同時(shí)在生產(chǎn)中也要加強(qiáng)這些方面的霄理。
3 結(jié)束語(yǔ)
過(guò)程控制系統(tǒng)本身是一個(gè)完整的系統(tǒng)，所以在分析故障或處理故障時(shí)也要注意系統(tǒng)性，單獨(dú)的對(duì)某一部分的優(yōu)化有時(shí)并不能提高系統(tǒng)的整體性能。如過(guò)分追求元器件的精度而不考慮實(shí)際的需要以及和相關(guān)設(shè)備精度的匹配，將徒然增加系統(tǒng)成本。在日常維護(hù)中也有過(guò)把系統(tǒng)越改越復(fù)雜的現(xiàn)象，如采用復(fù)雜的控制方式和設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)本可以用簡(jiǎn)單裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的控制，違背了經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單、實(shí)用的原則，并可能會(huì)增加故障率，這也是要注意的地方。
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