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，保證了水源地設備的安全穩定運行。

PLC；通訊；干擾

華潤電力焦作有限公司水源地設備采用PLC控制，控制硬件設備包括上位機一臺、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視設備，另外，上位機還具有組態功能。PLC通過網絡通訊模塊上的RS485接口與上位機進行數據交換，接收上位監控系統各種操作指令?，F場的檢測信號和數據通過輸入模塊傳入PLC的CPU（中央處理器模塊），經過CPU的邏輯運算和數學運算對數據進行分析處理，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據，上位機對數據進行運算處理后，實現畫面顯示等功能。

PLC系統的穩定可靠運行是保障生產過程安全進行的基礎，而PLC系統的抗干擾能力是關系到整個系統穩定可靠運行的關鍵因素之一。因此，無論是從控制系統硬件本身出發，還是從設計施工的角度出發，都要盡量提高系統的抗干擾能力。然而，由于PLC系統所處電磁環境較為復雜，實際運行中，PLC控制系統數據采集和通訊的穩定性往往受到電磁干擾的影響，使得設備不能夠持續安全穩定運行。

1 故障現象

運行值班人員經常反映水源地設備在上位機上無法操作，對于上位機上進行的設備啟停操作設備無任何反應，即無法啟停設備。另外，最主要的一個現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跳變現象。但是，當我們進行操作試驗時，一切均正常，就告知運行人員已正常，若再出現此現象要及時告知，以便查找。在相當長的一段時間內上述問題一直沒有解決，期間為了保證設備的運行，若出現此故障時暫時由運行值班人員就地手動操作相關設備，這樣就大大降低了工作效率，另外也增加了工作安全風險。

2 故障分析

首先，為了弄清楚PLC控制器系統有無問題，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，啟停指令均能發出，變頻器指令4～20mA信號輸出也正常，說明控制系統沒有問題。然后，我們懷疑是泵和變頻器側設備有問題，請求電氣專業人員處理，電氣專業人員經過靜態試驗證明電氣側設備也沒有問題。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，也沒有發現任何問題。

通過進一步分析，我們發現每次解決問題的時候，設備都是在停運狀態，而運行值班人員告知設備無法操作時，是指變頻器在運行狀態下的現象，即當變頻器在運行時，相關設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，這就說明是變頻器啟動后對系統產生的影響。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、頻率指令和狀態線均拆除，在上位機上操作，設備指令還是無法發出。

（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不應該在變頻器沒有啟動之前是正常狀態，而變頻器啟動后存在問題。

但是，一段時間后，操作人員告知設備又無法操作，與先前現象一樣，于是，我們意識到應該不是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。

為了找到控制系統在靜態情況下和真正運行情況下各設備的狀態有什么不同，我們分別在不同模式下在上位機上對設備進行了多次操作。我們發現，在靜態情況下，在上位機上操作PLC上狀態指示燈會變化，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到PLC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了一根通訊電纜。通訊電纜更換后，在靜態情況下，對設備進行了多次操作，各項操作均正常。

將變頻器啟動后，對設備進行了多次操作，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，發現在電纜溝內，通訊電纜與6kV動力電纜平行緊靠敷設，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。當變頻器啟動后，動力電纜中就會有電流通過，也就會產生較大的磁場，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跳變現象，通過分析，我們認為是由于PLC控制設備中有變頻器，而變頻器工作時會產生較強的電磁干擾，而變頻器電流的電纜與變頻器的動力電纜也敷設在一起。因此，在正常的運行中，變頻器電流由于干擾出現了跳變現象。

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

3 措施分析

PLC控制器作為一種應用于工業控的制的自動裝置，其本身具有一定抗干擾能力，比較適應工業現場環境。但是，若PLC控制器所在現場干擾太強，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控制器系統中的電纜有通訊電纜和控制電纜之分，對于不同的信號應選用不同的電纜。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具體的通信速率、傳輸距離、布線環境、敷設方式配置不同的型號規格。現場查看，發現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，控制系統可以正常工作，當有干擾存在的時候控制系統就無法正常工作。通過查找相關規定和PLC相關資料，最終我們將現有的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

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

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

3.3 屏蔽接地

按照發電廠設計施工有關標準，信號電纜屏蔽線應單端接地（PLC柜側接地），實際查看信號電纜接地情況，發現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象。由于受空間條件限制，重新敷設電纜已無法實現，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控制系統的影響，變頻器電流跳變現象消失。

圖1 原理圖

3.4 軟件措施

在PLC控制系統中，除提高整個系統的抗干擾能力外，還可以考慮利用其具有診斷功能的特點，充分發揮軟件自身優勢，在上位機將PLC狀態進行指示，對于PLC當前狀態可以實時監視，當PLC出現離線時進行報警。這樣就可以及時發現錯誤，能夠準確判斷故障，及時采取措施處理故障。

4 結語

通過本次對水源地PLC控制系統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控制系統故障的原因很多，有些情況下導致故障的原因較難發現，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，避免問題反復出現，以達到徹底解決問題的目的。

[1]《火力發電廠熱工自動化系統檢修運行維護規程》DL/T 774-2015．

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

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1671-0711（2017）10（上）-0123-03