油田自控系統故障分析

王旭東（大慶油田第八采油廠規劃設計研究所儀表室，黑龍江 大慶163000）

1 油田自控系統概述

自控系統在油田生產中有著重要作用，生產參數監控、報警，反沖洗自動控制，外輸、注水泵的變頻器控制，全都依賴以PLC 為核心的自控系統。以PLC 為核心的自控系統符合油田生產對于穩定性、安全性的要求，并且相對于dcs 系統性價比高，易于維護。

2 油田自控系統現狀

目前油田自控系統使用的多數為西門子s7-300 系列PLC為下位機，組態王為上位組態軟件的控制方案。西門子s7-300系列PLC 作為中型PLC 性價比高、電磁兼容性強、抗震動沖擊性能好等特點。組態王作為上位機組態軟件運行穩定且使用方便，與西門子s7-300搭配使用達到了對生產現場數據采集與設備控制的作用。這個系統的硬件部分包括：西門子s7-300電源、CPU、各種采集、通訊模塊，工控機及通訊電纜。軟件內容包括：CPU內的程序，工控機系統及組態軟件。系統的軟、硬件全部工作這個系統才能正常運轉。

3 西門子PLC與組態王系統常見故障分析

3.1 通訊故障

西門子PLC通訊方式為兩種，cp5611通訊卡通過專用接頭連接通訊電纜以MPI、profeibus協議進行通訊，以及通過網線以TCP/IP協議進行通訊。

故障現象：顯示器上數據全是“？？？”，組態王報警記錄中顯示“通訊失敗”。

故障分析：

（1) 通訊卡cp5611 損壞。cp5611 是工控機的即插即用設備，Windows xp 系統對于即插即用設備的兼容性不好，臨時停電，工控機死機、強制關機都有可能導致cp5611失靈。

（2)通訊電纜及接頭故障。接頭與通訊電纜的連接是人工進行的二次連接，人工接頭內部會因為外部震動、扭動導致接觸不良、短路、屏蔽線虛接等情況。

（3)PLC通訊方式設置錯誤，或組態王端口、物理地址設置錯誤。

維修方案：

（1)完全卸載cp5611，在xp系統設備管理器中卸載cp5611，并刪除對應的注冊表信息。然后關機后拔下cp5611卡，擦拭金手指部分后插入主板。開機后系統重新識別設備并自動驅動，重新安裝完成。

（2)拆開兩端的電纜接頭檢查是否存在異常。

（3)在step7中點擊“選項”下的“設置PG/PC接口”重新定義連接方式。在組態王中通過設備配置向導查看設備類型及物理地址是否正確。

3.2 CPU故障

PLC 的CPU 是整個系統的大腦，CPU 以時鐘脈沖的速度循環執行內存卡中的程序。將定義好的輸入、輸出點按照控制邏輯編寫成PLC語言就是編程。CPU出現故障整個系統即癱瘓。

故障現象：顯示器上數據全是“？？？”，組態王報警記錄中顯示“通訊失敗”。CPU 的紅色“sf”燈常亮，黃色“stop”燈常亮，重新啟動CPU故障依舊。

故障分析：

（1)CPU 硬件故障，外部高電壓的接入或自身電子元件損耗導致的故障。

（2）內存卡損壞，內存卡是程序存儲介質，每次CPU上電會檢測內存卡狀態，內存卡損壞使CPU無法完成自檢進而無法正常工作。

（3）程序錯亂產生內部中斷沖突導致的CPU故障。

維修方案：

在step7編程軟件中點擊“PLC”選項，選擇“診斷/設置”下的“硬件診斷”可以查看CPU無法運行的具體原因，作為故障分析的主要依據。

（1）西門子CPU 自身配備獨立的電源模塊，電源模塊損壞導致的CPU硬件損壞只能返廠維修。

（2）內存卡損壞后無法上傳程序到工控機。格式化內存卡的方法是：接通電源將CPU面板上模式開關打到mres并保持直到stop 等保持常亮（約9 秒），stop 燈出現慢閃后兩秒內迅速開關，使其回到stop 再迅速按回到mres 位置，此時，stop 燈快速閃爍表示正在格式化。保持開關在mres 位置，直到stop 燈常亮，格式化完成。格式化是將內存卡恢復到出廠狀態，重新下載程序，將開關撥至run后觀察運行是否正常。

（3）程序錯亂報錯時，格式化內存卡無法恢復，因為CPU內部內存（rom）中依舊存在錯亂程序。

刪除內部內存程序方法：保持通訊暢通的情況下，在step7編程軟件中選擇“在線”按鈕，標題欄變成閃爍的綠色，在左側站點欄中選中對應站點下的“程序”分支，右側窗口中會顯示內存（rom）中的所有程序塊和數據塊，全部選中后刪除。點擊“離線”按鈕轉為離線狀態重新下載程序即可。

3.3 擴展模塊故障

如果說CPU是PLC系統的大腦，那么擴展模塊就是系統的眼睛與手，PLC系統通過輸入擴展模塊進行采集來自一次表的電流、脈沖、rs485、開關量等外部信號，通過輸出擴展模塊進行輸出電流、開關量信號控制變頻器、繼電器、交流接觸器等。

故障現象：顯示器上部分數據是“死數”，CPU的紅色“sf”燈常亮，CPU正常運行。故障模塊紅色“sf”燈常亮。

故障分析：

（1）擴展模塊所需24VDC 并非西門子電源模塊提供，而是由外部24V開關電源額外提供，開關電源損壞會導致模塊供電不正常。

（2）前連接器未插到位或某點位虛接，為了方便接線，s7-300 模塊的前連接器可以拆卸，由于震動原因可能導致前連接器與模塊接觸不良。

（3）量程卡所插方向與HWconfi（g西門子硬件組態）中的量程設置不符。A（I模擬量輸入）模塊中有一類是可拆卸的量程卡，例如訂貨號為7KF02的AI模塊。根據需要將量程卡裝入對應量程后還需要在step7軟件中對量程進行設置，軟件、硬件對應一致后模塊才能正常運行。

（4）擴展模塊某一輸入點由于雷擊、過電流等問題導致損壞。

維修方案：

（1）用萬用表檢測開關電源輸入、輸出是否正常。

（2）檢查前連接器安裝是否到位，各點位接線牢固程度。

（3）檢查故障模塊量程卡，油田現場溫度、壓力變送器信號為4-20mA，采用兩線制方式傳輸，經過防雷柵進入安全柵，安全柵輸出信號是無源信號。在PLC量程設置中，電流信號有兩線制（2DMU）、四線制（4DMU）兩種模式選項。雖然現場連接方式是兩線制但經由安全柵隔離后信號轉為無源信號，故選擇量程的信號類型時選擇四線制（4DMU）。

（4）通過信號源對該端口輸入標準4-20mA信號，通過程序在線功能對輸入通道PIW數值進行觀察。

4 結語

西門子S7-300系列PLC是目前油田使用的一種自控系統，通過對其常見故障的分析，可以快速、有效的查找并解決故障，提高生產效率，保障油田生產平穩有序進行。