化工裝置PLC控制應用故障分析與處理探究

國投新疆羅布泊鉀鹽有限責任公司 王玉龍

化工裝置PLC控制應用故障分析與處理探究

國投新疆羅布泊鉀鹽有限責任公司 王玉龍

PLC技術在提升化工裝置運行穩定性上具有重要作用，然而面對化工生產中周圍環境的復雜性，PLC控制系統也會出現一些故障和問題，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系統的正常運行帶來嚴重影響。因此，本文對化工裝置PLC控制應用故障進行系統安全面的分析研究，根據分析的結果，提出了具有針對性的改進措施，對從事PLC控制系統維護工作的人員具有一定的參考價值。

化工裝置；PLC控制；故障分析與處理

1 前言

在化工企業各類化工裝置自動化控制系統中，PLC控制技術得到了廣泛的應用。但由于PLC控制系統的工作環境一般較惡劣，易受到周圍環境的影響，進而導致PLC控制系統不能正常的進行控制工作，會給化工企業的安全生產帶來重大的安全隱患。尤其是PLC控制系統失靈，會導致火災、爆炸事故發生的概率提升。因此，一定要提高PLC控制系統的穩定性，進而降低其出現故障的概率。

2 化工裝置PLC控制系統故障信號采集

在對PLC控制系統故障分析之前，需要對故障信號進行有效的采集工作，確保能夠采集到精度的信號，進而對故障分析提供數據支持。PLC故障信號的采集主要可以分為：數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 數字量信號故障診斷的原理

PLC控制系統對數字量信號進行識別，主要是依靠其內部的數字量輸入模塊完成的。PLC控制設備中的各類操作按鈕、限位開關、繼電器觸點等開關所產生的信號與PLC數字量輸入模塊的輸入端子進行直接的連接，進而保障數字量信號能夠穩定、迅速、安全的進行有效傳輸。在進行輸入服務（輸入采樣或輸入刷新）的整個掃描過程中，輸入端子的狀態值被PLC控制系統的中央處理器CPU讀取，進而存儲于讀入狀態暫存區。PLC控制系統對該數字量信號進行進一步的分析，其故障診斷過程實質上就是將數字量信號輸入點的實際狀態值與相應輸入點的正常狀態值進行對比分析，經過PLC控制系統的分析之后，若兩者相差無幾，則說明位于該輸入點的化工設備工作正常；若兩者相差較大，則說明位于該輸入點的化工設備工作異常，存在故障。

2.2 模擬量信號故障診斷的原理

PLC控制系統對模擬量信號故障的診斷原理與對數字量信號故障的診斷原理大同小異，是通過PLC控制系統的模擬量輸入端模塊來進行故障診斷的。在PLC控制系統中的設備電壓大小、壓力高低、流量大小等所產生的模擬信號與PLC模擬量輸入模塊的輸入端子進行直接連接，確保模擬量信號能夠順利的傳輸到中央處理器CPU中。模擬量信號由模擬量輸入模塊內的模數轉換器（A/D）進行一定處理后，轉變為數字量信號。數字量信號在進一步被讀入到中央處理器CPU的輸入數據存儲區。PLC控制系統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的實際數字值與PLC控制系統允許的極限值進行一定的比較。通過系統全面的對比分析后，若實際值在極限值的范圍內，則說明位于該輸入點的化工設備的工作狀態正常；若實際值不在極限值的范圍內，則說明位于該輸入點的化工設備出現故障。

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控制系統通常是采用繼電器或者按鈕，與其他觸控裝置進行有效的連接，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，經過長時間或者高頻率的使用，彈簧壓力有可能降低，進而導致彈簧連接方式的失效，影響PLC控制系統的正常運行。

為了降低繼電器和按鈕連接方式失效的概率，進而提高PLC控制系統的穩定性，可以從以下幾方面進行改善：

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

（2）對繼電器的連接單元進行全方位的檢測，尤其是在使用過程中容易損壞的元器件，更要經常性的進行檢查和維護。PLC自身硬件導致的故障，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PLC運行在三選二方式；三選二PLC(如ESD)等進行有效的處理。

3.2 儀表故障及處理對策

（1）壓力測量儀的故障

在PLC控制系統中的壓力測量儀故障主要包括：導壓管堵塞、內膜片磨損以及變形等問題。這些故障的發生原因與測量儀的工作原理有著直接的關系，壓力測量儀進行壓力測量的原理是，壓力測量儀內部的敏感元件在外部壓力的作用下發生一定程度的形變，在敏感元件中，通過一定的轉換，將壓力信號變為電信號，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的影響，只有壓力接觸點能夠進行良好的接觸，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行有效的區分，進而采取有效的對應處理措施。在溫度控制儀器故障類型的區分工作過程中，可以采用斷開熱電偶，進而對溫度測量儀器的內部結構進行全面的檢查。

（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、測量值不穩定等，不同液位測量儀的故障原因也不同，在進行故障分析時，要針對不同類型的液位測量儀進行有針對性的分析，故障的確認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，在采用儀器進行更進一步的分析。

（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自動化儀表，其的故障類型主要有讀數不穩定，波動較大和測量數值較真實值有較大的偏差。流量測量儀根據測量原理的不同可以分為：轉子流量計、節流式流量計、細縫流量計、容積流量計、電磁流量計、超聲波流量計等。由于流量測量儀的種類繁多，其對應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導致儀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的穩定性，避免各類故障的發生，要對所有的回路接線端采取有效的保護措施，確保接線端的連接穩固可靠。

（5）各類儀表故障的處理對策

在PLC控制系統中所使用的儀表控制裝置數量眾多，所產生的故障類型也是千差萬別，在處理故障前要結合實際情況進行有效的分析，進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，還是有一系列統一的處理對策可供參考。

1）從細節出發，對故障進行分析

對各類儀表的檢修維護要根據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故障的部位。因此，儀表的操作和檢查人員要對儀表有一個系統全面的了解，對儀表的生產、加工全過程要進行深入的了解，同時還要對各類儀表的性能、參數予以明確。在對儀表全面了解的基礎上，才能在故障分析過程中針對不同儀表的特點，對其故障原因進行相關的分析。其中，最重要的檢測部位就是儀表與被測介質接觸的位置，同時，信號的傳輸回路、傳遞回路等也要進行詳細的檢查。

2）儀表設備的定期檢查

儀表控制系統的故障原因分析可以采用分布式控制系統進行檢查和判別，特別是在儀表的現場檢查過程中，充分的運用該檢查方法能得到良好的檢查效果。這一檢測技術具有檢測時間短、檢測精度高、檢測范圍廣等特點，在檢測的同時還能及時的記錄有關監測數據，進而為以后的故障檢查工作提供數據支持。

3）做好日常的維護保養工作

對儀表進行良好的維護保養，可以確保儀表能夠進行良好的工作，避免各類故障的出現。化工企業應建立儀表的日常維護保養工作制度，并安排專人監督工作制度的順利實施，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過程中，要做好儀表的校驗和清理工作，并對老舊、破損的零部件進行及時的更換，進而確保儀表能夠進行正常的工作。

4）對儀表進行有針對性的故障控制

為了快速的排除儀表故障，恢復儀表的工作能力，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，采取有針對性的故障檢查方法。例如，在對加熱系統的控制裝置進行故障分析時就要明確控制系統的工作條件。儀表控制系統的超溫裝置工作溫度差不得超過5℃，一旦超過這個溫差限度，系統就會自動停止運行。當系統出現這種情況后，再恢復運行時就會出現停爐的故障。

4 PLC通訊系統故障及處理對策

化工裝置PLC控制系統自身具有非常好的穩定性，在整個控制系統的運行過程中發生故障的概率比較低，主要的故障原因在于PLC控制系統與其他自動化控制模塊進行通訊的過程中。例如，DCS連鎖信號如果沒有進行正確的傳輸會導致PLC控制系統失靈，因通訊中斷導致整個控制系統無法進行正常的工作。

對于PLC通訊系統故障的處理對策，可以從以下幾方面進行考慮：

（1）在進行PLC控制系統的設計過程中，要盡可能的減少通訊口傳遞連鎖信號模式的次數，減少了傳遞次數，也就降低了通訊出現故障的概率；

（2）采用單一的PLC控制系統來完成控制系統內部的通訊功能，降低整個通訊系統的復雜程度，也就是從根本上降低出現故障的概率；

（3）在對PLC硬件進行設計的時候，要采用PLC與DCS系統進行直接連接，提高整個通訊系統的有效性；

（4）采取有效的處理措施，對模擬信號進行一定的隔離，進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控制系統中的變送器、調節閥限位開關，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，導致其不能進行正常的工作，給整個PLC控制系統帶來不小的影響。

為了避免來自雷電的干擾，在PLC設計時要結合實際情況，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，進而實現避免遭受雷電影響的目的。還可以采用穿線管，將變送器保護箱與螺絲之間進行有效的焊接連接，進而增強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端子現場的電纜上的靜電會變得很高，進而導致PLC輸入口誤導通而引發故障。

在對靜電影響的防范措施上，可以在PLC輸入端口接入一個容量夠大的電容，對電纜上的靜電進行有效的儲存和放電，從而減輕靜電對PLC控制系統的干擾，確保控制系統能夠正常運行。此外，工作人員在現場進行各類操作時，要按照規定穿靜電服，避免化纖類衣服等給控制系統造成的靜電危害。尤其是在機房工作的過程中，一定要按照機房的工作規章制度進行，機房重地，閑雜人等避免入內，從而確保整個PLC系統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控制系統中多數采用24V電壓進行供電，在現場的控制過程中，其開關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控制系統的總線上，一旦與高壓線路并行時，來自高壓線路的影響會導致PLC開關線路導通，進而造成PLC控制系統發生故障。

為了避免來自較高電壓的影響，在現場PLC施工中可以結合施工的實際情況采取以下的措施：

（1）在進行PLC控制系統的電纜橋架設計時，要按照相關規定的要求，將4-20mA模擬量信號線、PLC 24V I/O開關信號線、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行敷設，從而避免PLC控制系統遭受來自高電壓的不利影響。

（2）在PLC I/O端子上，根據工作的實際要求，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PLC控制系統帶來的不利影響。

（3）在PLC控制系統中，根據實際的需求，可以采用220V AC輸入卡件，進而提高導通門坎的所能承受的最高電壓，增強其抗干擾的能力，進而確保整個PLC控制系統能夠正常的運行。

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

（5）在進入PLC I/O開關量輸入卡之前，設置一個繼電器進行有效的隔離防范，由于繼電器抵抗干擾的能力較PLC卡更強，在PLC控制系統運行過程中，可以對干擾信號進行有效的阻斷，從而確保PLC控制系統穩定的運行。

（6）常開觸點轉變為常閉觸點，在化工企業的正常生產過程中，觸點常開整個系統正常運行，觸點閉合整個系統停止運行。這種類型的觸點在工作過程中，極易受到外界因素的干擾，抵抗干擾的能力較低。在PLC控制系統的設計時，可將常開觸點轉變為常閉觸點，在正常生產是，觸點保持閉合狀態，觸點由閉合狀態變為常開狀態，則停止運行。

5.4 軟件受到的干擾及對策

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

為了減輕PLC控制系統軟件受到的干擾，可以采取以下的應對措施：軟開關頻蔽法，例如，PLC控制系統受到總信號A的誤動作影響而導致故障，而能夠引起系統故障的B路線信號卻沒有動作。通過一定的技術分析，B路信號任意一路出現故障后會導致A路故障，但是B路信號在正常的情況下，A路信號應該也能進行正常的工作。若出現A路信號故障后，則應該是出現了干擾信號，通過增加一個用B路信號的常開觸點串聯與A信號常開純點并聯，則能夠起到對干擾信號的屏蔽作用。

6 結語

總而言之，化工裝置PLC控制系統的結構十分復雜，容易受到周圍惡劣工作環境的影響，而出現各種類型的故障，導致整個PLC控制系統不能進行正常的控制工作。本文對PLC控制系統可能出現的故障進行了系統全面的分析，并針對故障的原因提出了具有針對性的改進對策，對從事PLC控制系統維護管理的工作人員具有一定的指導意義，提高其PLC控制系統的管理水平，進而促進PLC控制系統的穩定運行，從而確保化工企業的安全生產。

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