PLC控制器离线分析

程小欢

（华润电力焦作有限公司，河南 焦作 454450）

PLC控制器离线分析

程小欢

（华润电力焦作有限公司，河南 焦作 454450）

本文介绍了华润电力焦作有限公司水源地PLC控制器在运行中出现的离线情况，针对故障进行了原因分析，并提出了解决方案，实施后解决了水源地PLC控制器离线的故障，保证了水源地设备的安全稳定运行。

PLC；通讯；干扰

华润电力焦作有限公司水源地设备采用PLC控制，控制硬件设备包括上位机一台、控制柜一面、PLC控制器两台。正常运行时，在上位机上进行操作和监视设备，另外，上位机还具有组态功能。PLC通过网络通讯模块上的RS485接口与上位机进行数据交换，接收上位监控系统各种操作指令。现场的检测信号和数据通过输入模块传入PLC的CPU（中央处理器模块），经过CPU的逻辑运算和数学运算对数据进行分析处理，然后将控制信号送到各个输出模块，向控制对象输出控制信号。同时PLC向上位机返回各种数据，上位机对数据进行运算处理后，实现画面显示等功能。

PLC系统的稳定可靠运行是保障生产过程安全进行的基础，而PLC系统的抗干扰能力是关系到整个系统稳定可靠运行的关键因素之一。因此，无论是从控制系统硬件本身出发，还是从设计施工的角度出发，都要尽量提高系统的抗干扰能力。然而，由于PLC系统所处电磁环境较为复杂，实际运行中，PLC控制系统数据采集和通讯的稳定性往往受到电磁干扰的影响，使得设备不能够持续安全稳定运行。

1 故障现象

运行值班人员经常反映水源地设备在上位机上无法操作，对于上位机上进行的设备启停操作设备无任何反应，即无法启停设备。另外，最主要的一个现象是在上位机上改变变频器指令，变频器频率输出也没有任何变化，而变频器电流偶尔会出现跳变现象。但是，当我们进行操作试验时，一切均正常，就告知运行人员已正常，若再出现此现象要及时告知，以便查找。在相当长的一段时间内上述问题一直没有解决，期间为了保证设备的运行，若出现此故障时暂时由运行值班人员就地手动操作相关设备，这样就大大降低了工作效率，另外也增加了工作安全风险。

2 故障分析

首先，为了弄清楚PLC控制器系统有无问题，我们先把泵和阀门的指令线甩开，在上位机上操作，通过测量输出模块的输出端子，启停指令均能发出，变频器指令4～20mA信号输出也正常，说明控制系统没有问题。然后，我们怀疑是泵和变频器侧设备有问题，请求电气专业人员处理，电气专业人员经过静态试验证明电气侧设备也没有问题。最后，我们把从PLC控制器柜到电气柜的所有电缆检查了一遍，也没有发现任何问题。

通过进一步分析，我们发现每次解决问题的时候，设备都是在停运状态，而运行值班人员告知设备无法操作时，是指变频器在运行状态下的现象，即当变频器在运行时，相关设备的停指令和变频器的频率指令均无输出。后来与运行值班人员进一步了解故障现象，原来是变频器没有启动的时候，上位机上的所有操作均正常，而启动后其他操作均无法实现，这就说明是变频器启动后对系统产生的影响。为了进一步分析是哪部分存在问题，我们从以下几方面进行了排查。

（1）变频器启动后，我们将变频器的启停指令、频率指令和状态线均拆除，在上位机上操作，设备指令还是无法发出。

（2）对PLC的I/O模块进行更换，更换后问题依然存在。

（3）对PLC进行更换，更换后通过几次试验，操作均正常。

通过以上排查，最终，我们判断是由于PLC故障引起的一系列问题。但是，PLC不应该在变频器没有启动之前是正常状态，而变频器启动后存在问题。

但是，一段时间后，操作人员告知设备又无法操作，与先前现象一样，于是，我们意识到应该不是PLC问题，先前更换PLC后操作正常，真正的问题所在还是没有找到。

为了找到控制系统在静态情况下和真正运行情况下各设备的状态有什么不同，我们分别在不同模式下在上位机上对设备进行了多次操作。我们发现，在静态情况下，在上位机上操作PLC上状态指示灯会变化，而在变频器启动情况下，在上位机上操作PLC上状态指示灯不会变化。于是，我们怀疑是上位机与PLC之间的通讯有问题，在变频器启动情况下，上位机上的操作指令就没有传输到PLC上，所以PLC才不会输出任何指令。

那么，为什么在变频器启动后上位机与PLC通讯会存在问题，难道是存在干扰，干扰信号作用在通讯电缆上引起上位机与PLC通讯中断。于是，我们临时将上位机与PLC的通讯电缆进行了更换。由于是试验，我们在地面上临时敷设了一根通讯电缆。通讯电缆更换后，在静态情况下，对设备进行了多次操作，各项操作均正常。

将变频器启动后，对设备进行了多次操作，各项操作也都正常。这就说明了上位机与PLC的通讯电缆存在问题，于是，我们查看通讯电缆的走向，发现在电缆沟内，通讯电缆与6kV动力电缆平行紧靠敷设，此6kV动力电缆正是变频器的动力电缆。变频器没有启动情况下，动力电缆中无电流通过，就不会产生磁场，也就不会对通讯电缆造成干扰，上位机与PLC通讯正常。当变频器启动后，动力电缆中就会有电流通过，也就会产生较大的磁场，通讯电缆受到强磁场的干扰，造成上位机与PLC通讯中断，PLC控制器离线，因此，设备就无法操作。

为什么先前对PLC更换后，上述问题会消失。通过分析，我们认为是由于新的PLC 抗干扰能力较强，在刚开始时，各项工作都正常，但只是暂时的。运行一段时间后，PLC抗干扰性能下降，问题又暴露出来了。

对于变频器电流出现跳变现象，通过分析，我们认为是由于PLC控制设备中有变频器，而变频器工作时会产生较强的电磁干扰，而变频器电流的电缆与变频器的动力电缆也敷设在一起。因此，在正常的运行中，变频器电流由于干扰出现了跳变现象。

这是一起由于通讯电缆选用和敷设不符合规范引起的PLC控制器离线，造成整个控制系统故障的事件。另外，其他模拟量信号出现跳变现象也是由于这些信号电缆均与动力电缆敷设在一起造成的。

3 措施分析

PLC控制器作为一种应用于工业控的制的自动装置，其本身具有一定抗干扰能力，比较适应工业现场环境。但是，若PLC控制器所在现场干扰太强，也会造成PLC控制器不能正常工作。此时，就需要采取一定的防干扰措施来保证PLC控制器的正常工作。

3.1 电缆选用

PLC控制器系统中的电缆有通讯电缆和控制电缆之分，对于不同的信号应选用不同的电缆。对于控制、信号的电缆选用，考虑到电磁干扰的影响，应选用金属屏蔽型的控制信号电缆，一方面减少了噪声干扰，另一方面也增强了电缆的机械强度；然而，对于PLC控制器的通讯电缆的选用就需要根据具体的通信速率、传输距离、布线环境、敷设方式配置不同的型号规格。现场查看，发现PLC控制器与上位机的通讯电缆选用的是型号为KVVP的信号控制电缆，这与PLC控制器中其他控制信号选用的电缆是一样的，没有区别对待。然而，KVVP的信号控制电缆是不能满足PLC通信要求的，在没有干扰的情况下，控制系统可以正常工作，当有干扰存在的时候控制系统就无法正常工作。通过查找相关规定和PLC相关资料，最终我们将现有的KVVP信号控制电缆更换为铠装型双绞屏蔽电缆。

3.2 电缆铺设

按照发电厂设计施工规范规定，电气动力电缆和控制信号电缆需分层敷设，并有足够的距离。但是，在实际的电缆敷设施工过程中，由于空间条件限制，动力电缆和控制信号电缆有时会敷设在一起，这样动力电缆运行时产生强磁场就会对控制信号电缆产生干扰。不同类型电缆敷设在一起后，整改起来比较困难，因此在电缆敷设时应尽量按照相关规定敷设。

目前，我厂PLC控制柜与变频器、水泵的电气开关在一个房间内，电气设备的动力电缆与PLC的控制电缆也是在一个电缆通道内敷设，不符合规定。为了彻底解决电缆混放的问题，通过现场实际查看，PLC通讯电缆可以改变敷设路径进行重新敷设。因此，我们将通讯电缆重新敷设，彻底使电气动力电缆与通讯电缆分开布置。

3.3 屏蔽接地

按照发电厂设计施工有关标准，信号电缆屏蔽线应单端接地（PLC柜侧接地），实际查看信号电缆接地情况，发现信号电缆屏蔽层接地良好，但还存在变频器电流偶尔跳变的现象。由于受空间条件限制，重新敷设电缆已无法实现，我们决定在PLC机柜接线端子处加滤波电容器，对变频器电流中的高压信号进行滤波处理（原理图参见图1）。变频器电流4～20mA信号通过屏蔽电缆送到PLC的模拟量输入卡，加装滤波电容器后，大大减轻了干扰对PLC控制系统的影响，变频器电流跳变现象消失。

图1 原理图

3.4 软件措施

在PLC控制系统中，除提高整个系统的抗干扰能力外，还可以考虑利用其具有诊断功能的特点，充分发挥软件自身优势，在上位机将PLC状态进行指示，对于PLC当前状态可以实时监视，当PLC出现离线时进行报警。这样就可以及时发现错误，能够准确判断故障，及时采取措施处理故障。

4 结语

通过本次对水源地PLC控制系统电缆和电缆屏蔽的处理，解决了PLC控制器离线的问题。引起PLC控制系统故障的原因很多，有些情况下导致故障的原因较难发现，特别是在处理由于外部干扰引起的故障时，故障原因不易查找。因此，在处理问题时，要做到与操作人员沟通到位，获取准确信息。从根本上分析查找出故障的原因，并采取有效措施，避免问题反复出现，以达到彻底解决问题的目的。

[1]《火力发电厂热工自动化系统检修运行维护规程》DL/T 774-2015．

[2]宋伯生 ．PLC 编程实用指南[M]．北京 : 机械工业出版社 , 2006．

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1671-0711（2017）10（上）-0123-03