化工装置PLC控制应用故障分析与处理探究

国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司 王玉龙

化工装置PLC控制应用故障分析与处理探究

国投新疆罗布泊钾盐有限责任公司 王玉龙

PLC技术在提升化工装置运行稳定性上具有重要作用，然而面对化工生产中周围环境的复杂性，PLC控制系统也会出现一些故障和问题，特别是继电器和按钮触头松动故障、一次检测元件损坏、压力测量仪故障、液位测量仪故障等，都可能给PLC系统的正常运行带来严重影响。因此，本文对化工装置PLC控制应用故障进行系统安全面的分析研究，根据分析的结果，提出了具有针对性的改进措施，对从事PLC控制系统维护工作的人员具有一定的参考价值。

化工装置；PLC控制；故障分析与处理

1 前言

在化工企业各类化工装置自动化控制系统中，PLC控制技术得到了广泛的应用。但由于PLC控制系统的工作环境一般较恶劣，易受到周围环境的影响，进而导致PLC控制系统不能正常的进行控制工作，会给化工企业的安全生产带来重大的安全隐患。尤其是PLC控制系统失灵，会导致火灾、爆炸事故发生的概率提升。因此，一定要提高PLC控制系统的稳定性，进而降低其出现故障的概率。

2 化工装置PLC控制系统故障信号采集

在对PLC控制系统故障分析之前，需要对故障信号进行有效的采集工作，确保能够采集到精度的信号，进而对故障分析提供数据支持。PLC故障信号的采集主要可以分为：数字量故障信号的采集和模拟量故障信号的采集，其故障诊断的原理如下所示：

2.1 数字量信号故障诊断的原理

PLC控制系统对数字量信号进行识别，主要是依靠其内部的数字量输入模块完成的。PLC控制设备中的各类操作按钮、限位开关、继电器触点等开关所产生的信号与PLC数字量输入模块的输入端子进行直接的连接，进而保障数字量信号能够稳定、迅速、安全的进行有效传输。在进行输入服务（输入采样或输入刷新）的整个扫描过程中，输入端子的状态值被PLC控制系统的中央处理器CPU读取，进而存储于读入状态暂存区。PLC控制系统对该数字量信号进行进一步的分析，其故障诊断过程实质上就是将数字量信号输入点的实际状态值与相应输入点的正常状态值进行对比分析，经过PLC控制系统的分析之后，若两者相差无几，则说明位于该输入点的化工设备工作正常；若两者相差较大，则说明位于该输入点的化工设备工作异常，存在故障。

2.2 模拟量信号故障诊断的原理

PLC控制系统对模拟量信号故障的诊断原理与对数字量信号故障的诊断原理大同小异，是通过PLC控制系统的模拟量输入端模块来进行故障诊断的。在PLC控制系统中的设备电压大小、压力高低、流量大小等所产生的模拟信号与PLC模拟量输入模块的输入端子进行直接连接，确保模拟量信号能够顺利的传输到中央处理器CPU中。模拟量信号由模拟量输入模块内的模数转换器（A/D）进行一定处理后，转变为数字量信号。数字量信号在进一步被读入到中央处理器CPU的输入数据存储区。PLC控制系统对模拟量信号的诊断主要是依靠中央处理器CPU，将将模拟量信号输入点的实际数字值与PLC控制系统允许的极限值进行一定的比较。通过系统全面的对比分析后，若实际值在极限值的范围内，则说明位于该输入点的化工设备的工作状态正常；若实际值不在极限值的范围内，则说明位于该输入点的化工设备出现故障。

3 硬件方面常见故障及处理对策

3.1 继电器和按钮故障及处理对策

PLC控制系统通常是采用继电器或者按钮，与其他触控装置进行有效的连接，但是这些连接方式大部分是依靠弹簧的压力来确保连接的，由于弹簧具自身有一定的局限性，经过长时间或者高频率的使用，弹簧压力有可能降低，进而导致弹簧连接方式的失效，影响PLC控制系统的正常运行。

为了降低继电器和按钮连接方式失效的概率，进而提高PLC控制系统的稳定性，可以从以下几方面进行改善：

（1）建立继电器等装置的定期检查维护制度，安排专人定期对所有的依靠弹簧进行连接的装置进行系统全面的检查，对于检查出的故障和问题，要及时的予以维修或者更换处理，进而确保所有连接方式的有效性；

（2）对继电器的连接单元进行全方位的检测，尤其是在使用过程中容易损坏的元器件，更要经常性的进行检查和维护。PLC自身硬件导致的故障，例如，PLC卡件自身损坏无法正常工作、I/O接口接触不良、CPU原件烧毁等故障，可以采用：CPU卡、I/O卡、通信卡双冗余方式；三个PLC运行在三选二方式；三选二PLC(如ESD)等进行有效的处理。

3.2 仪表故障及处理对策

（1）压力测量仪的故障

在PLC控制系统中的压力测量仪故障主要包括：导压管堵塞、内膜片磨损以及变形等问题。这些故障的发生原因与测量仪的工作原理有着直接的关系，压力测量仪进行压力测量的原理是，压力测量仪内部的敏感元件在外部压力的作用下发生一定程度的形变，在敏感元件中，通过一定的转换，将压力信号变为电信号，在传递给外部的接收仪器。压力测量仪的精确程度受到其压力接触点的影响，只有压力接触点能够进行良好的接触，才能确保敏感元件感受到因压力所带来的形变。

（2）温度控制仪器的故障

温度控制仪器的故障主要包括：线路短路、接线腐蚀等。温度控制仪器按照温度测量原理的不同，可以分为：双金属温度计测量仪、热电偶测量仪、热电阻测量仪等。由于测量原理的不同，在工作过程中所受到的影响亦不同，因外界不良因素所造成的故障也不尽相同。由于不同故障的处理方式不同，因此要对温度控制器的故障进行有效的区分，进而采取有效的对应处理措施。在温度控制仪器故障类型的区分工作过程中，可以采用断开热电偶，进而对温度测量仪器的内部结构进行全面的检查。

（3）液位测量仪的故障

液位测量仪按照测量原理的不同可以分为：音叉振动式、浮力式、压力式、超声波、声呐波，磁翻板、雷达等，常见的主要有浮力液位测量仪、超声波液位测量仪等。液位测量仪的故障类型主要有：液位波动大、测量值不稳定等，不同液位测量仪的故障原因也不同，在进行故障分析时，要针对不同类型的液位测量仪进行有针对性的分析，故障的确认方法主要是用视镜观察法来检查液位测量仪的工作状况，对于眼睛观察到的故障，在采用仪器进行更进一步的分析。

（4）流量测量仪的故障

流量测量仪是用来测量管道或明沟中的液体、气体或蒸汽等流体流量的工业自动化仪表，其的故障类型主要有读数不稳定，波动较大和测量数值较真实值有较大的偏差。流量测量仪根据测量原理的不同可以分为：转子流量计、节流式流量计、细缝流量计、容积流量计、电磁流量计、超声波流量计等。由于流量测量仪的种类繁多，其对应的故障原因也是千差万别，但是造成故障的原因一般主要有：仪表雷诺数偏差、工艺密度、测量温度、外界压力等。由测量仪表工作原理的原因导致仪表故障的类型主要有：压管泄露、管线震动等故障。为了提高流量测量仪工作时的稳定性，避免各类故障的发生，要对所有的回路接线端采取有效的保护措施，确保接线端的连接稳固可靠。

（5）各类仪表故障的处理对策

在PLC控制系统中所使用的仪表控制装置数量众多，所产生的故障类型也是千差万别，在处理故障前要结合实际情况进行有效的分析，进而提出具有针对性的有效处理对策。但是对于通常的一般故障处理方法，还是有一系列统一的处理对策可供参考。

1）从细节出发，对故障进行分析

对各类仪表的检修维护要根据仪表的工作原理不同采取有针对性的措施，这样才能快速的确定仪表出现故障的部位。因此，仪表的操作和检查人员要对仪表有一个系统全面的了解，对仪表的生产、加工全过程要进行深入的了解，同时还要对各类仪表的性能、参数予以明确。在对仪表全面了解的基础上，才能在故障分析过程中针对不同仪表的特点，对其故障原因进行相关的分析。其中，最重要的检测部位就是仪表与被测介质接触的位置，同时，信号的传输回路、传递回路等也要进行详细的检查。

2）仪表设备的定期检查

仪表控制系统的故障原因分析可以采用分布式控制系统进行检查和判别，特别是在仪表的现场检查过程中，充分的运用该检查方法能得到良好的检查效果。这一检测技术具有检测时间短、检测精度高、检测范围广等特点，在检测的同时还能及时的记录有关监测数据，进而为以后的故障检查工作提供数据支持。

3）做好日常的维护保养工作

对仪表进行良好的维护保养，可以确保仪表能够进行良好的工作，避免各类故障的出现。化工企业应建立仪表的日常维护保养工作制度，并安排专人监督工作制度的顺利实施，确保该工作制度能够得以顺利的推行。在对仪表的日常检查保养过程中，要做好仪表的校验和清理工作，并对老旧、破损的零部件进行及时的更换，进而确保仪表能够进行正常的工作。

4）对仪表进行有针对性的故障控制

为了快速的排除仪表故障，恢复仪表的工作能力，在仪表的故障检修过程中，要针对各类仪表不同的工作特点，采取有针对性的故障检查方法。例如，在对加热系统的控制装置进行故障分析时就要明确控制系统的工作条件。仪表控制系统的超温装置工作温度差不得超过5℃，一旦超过这个温差限度，系统就会自动停止运行。当系统出现这种情况后，再恢复运行时就会出现停炉的故障。

4 PLC通讯系统故障及处理对策

化工装置PLC控制系统自身具有非常好的稳定性，在整个控制系统的运行过程中发生故障的概率比较低，主要的故障原因在于PLC控制系统与其他自动化控制模块进行通讯的过程中。例如，DCS连锁信号如果没有进行正确的传输会导致PLC控制系统失灵，因通讯中断导致整个控制系统无法进行正常的工作。

对于PLC通讯系统故障的处理对策，可以从以下几方面进行考虑：

（1）在进行PLC控制系统的设计过程中，要尽可能的减少通讯口传递连锁信号模式的次数，减少了传递次数，也就降低了通讯出现故障的概率；

（2）采用单一的PLC控制系统来完成控制系统内部的通讯功能，降低整个通讯系统的复杂程度，也就是从根本上降低出现故障的概率；

（3）在对PLC硬件进行设计的时候，要采用PLC与DCS系统进行直接连接，提高整个通讯系统的有效性；

（4）采取有效的处理措施，对模拟信号进行一定的隔离，进而确保通讯线路的单一性，减少不同线路之间的相互干扰，提高通讯的有效性。

5 干扰故障及处理对策

5.1 雷电造成的干扰及对策

在PLC控制系统中的变送器、调节阀限位开关，一般都是安装在塔顶或者较高的位置，在雷雨天气的使用过程中，容易受到来自雷电方面的干扰，导致其不能进行正常的工作，给整个PLC控制系统带来不小的影响。

为了避免来自雷电的干扰，在PLC设计时要结合实际情况，选择封闭式电缆桥架的方式，通过焊接螺丝、电线等与地面保持有效的连接，进而实现避免遭受雷电影响的目的。还可以采用穿线管，将变送器保护箱与螺丝之间进行有效的焊接连接，进而增强其抵抗雷电影响的能力。

5.2 静电造成的干扰及对策

在PLC控制系统中的静电影响也是不容忽视的，虽然静电的电量较小，但是随着其不断的积累，I/O端子现场的电缆上的静电会变得很高，进而导致PLC输入口误导通而引发故障。

在对静电影响的防范措施上，可以在PLC输入端口接入一个容量够大的电容，对电缆上的静电进行有效的储存和放电，从而减轻静电对PLC控制系统的干扰，确保控制系统能够正常运行。此外，工作人员在现场进行各类操作时，要按照规定穿静电服，避免化纤类衣服等给控制系统造成的静电危害。尤其是在机房工作的过程中，一定要按照机房的工作规章制度进行，机房重地，闲杂人等避免入内，从而确保整个PLC系统免受静电带来的各种不利影响。

5.3 2 2 0 V交流电压对P L C 2 4 V l O/回路干扰及对策

由于PLC控制系统中多数采用24V电压进行供电，在现场的控制过程中，其开关信号容易受到来自较高电压（例如220V和380V）的影响。尤其是在PLC控制系统的总线上，一旦与高压线路并行时，来自高压线路的影响会导致PLC开关线路导通，进而造成PLC控制系统发生故障。

为了避免来自较高电压的影响，在现场PLC施工中可以结合施工的实际情况采取以下的措施：

（1）在进行PLC控制系统的电缆桥架设计时，要按照相关规定的要求，将4-20mA模拟量信号线、PLC 24V I/O开关信号线、220V AC电源线或信号线采取有效的隔离手段，将以上的各类线缆分别放入分线槽中进行敷设，从而避免PLC控制系统遭受来自高电压的不利影响。

（2）在PLC I/O端子上，根据工作的实际要求，接入50-100μF的电容，通过电容存储和释放大的交流电信号，减轻交流电给整个PLC控制系统带来的不利影响。

（3）在PLC控制系统中，根据实际的需求，可以采用220V AC输入卡件，进而提高导通门坎的所能承受的最高电压，增强其抗干扰的能力，进而确保整个PLC控制系统能够正常的运行。

（4）PLC I/O开关量回路供电电源可以采用隔离加净化电源，采取双重的保护措施，确保PLC控制系统免受来自高电压的影响。

（5）在进入PLC I/O开关量输入卡之前，设置一个继电器进行有效的隔离防范，由于继电器抵抗干扰的能力较PLC卡更强，在PLC控制系统运行过程中，可以对干扰信号进行有效的阻断，从而确保PLC控制系统稳定的运行。

（6）常开触点转变为常闭触点，在化工企业的正常生产过程中，触点常开整个系统正常运行，触点闭合整个系统停止运行。这种类型的触点在工作过程中，极易受到外界因素的干扰，抵抗干扰的能力较低。在PLC控制系统的设计时，可将常开触点转变为常闭触点，在正常生产是，触点保持闭合状态，触点由闭合状态变为常开状态，则停止运行。

5.4 软件受到的干扰及对策

在PLC控制系统中来自软件方面的干扰也不容忽视，尤其是一些PLC控制系统的软开关，由于其所带来的干扰，可能影响整个PLC控制系统的正常运行。

为了减轻PLC控制系统软件受到的干扰，可以采取以下的应对措施：软开关频蔽法，例如，PLC控制系统受到总信号A的误动作影响而导致故障，而能够引起系统故障的B路线信号却没有动作。通过一定的技术分析，B路信号任意一路出现故障后会导致A路故障，但是B路信号在正常的情况下，A路信号应该也能进行正常的工作。若出现A路信号故障后，则应该是出现了干扰信号，通过增加一个用B路信号的常开触点串联与A信号常开纯点并联，则能够起到对干扰信号的屏蔽作用。

6 结语

总而言之，化工装置PLC控制系统的结构十分复杂，容易受到周围恶劣工作环境的影响，而出现各种类型的故障，导致整个PLC控制系统不能进行正常的控制工作。本文对PLC控制系统可能出现的故障进行了系统全面的分析，并针对故障的原因提出了具有针对性的改进对策，对从事PLC控制系统维护管理的工作人员具有一定的指导意义，提高其PLC控制系统的管理水平，进而促进PLC控制系统的稳定运行，从而确保化工企业的安全生产。

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