厦门岳航计算机有限公司

设计可编程控制系统时的故障防范 
在现代化的工业生产中，大量采用了可编程序控制系统，可编程序控制器能在恶劣的工作环境下正常工作，但其构成的控制系统由于设计、安装、干扰等因素有时会出现故障。有些问题是在系统设计时考虑不周造成的。根据实践中的经验和教训，本文阐述可编程序控制系统设计时应注意的问题。
    1、一个系统中使用的成熟技术至少应占到75%以上
    “成熟技术”一是经过一定的生产实践考验的可编程控制器产品或类似设计，或者确定能在未来的生产实践中，经得起考验；二是设计工作人员对于需要使用的技术要有经验或有掌握它的能力。设计与配置一个可编程序控制系统选用的技术与设计方案切实可行。因为一个生产过程控制系统，一旦做出来，要长久使用下去，难以找到机会反复修改。设计的硬件系统和编程软件，其中某些缺欠，可能一直隐藏在已完成的系统中。若遇到发生破坏作用的条件，后果难以预料。
    2、系统的硬件结构和网络要简明而清晰
    硬件结构不要追求繁琐，网络组态不要追求交叉因素太多，要力求使用可编程序控制器自身配置的组网能力。在组成I/O机箱配套的模板时，建议型号简单，力求一致，模板密度不宜过大。使用的结线点不宜过多，从目前机箱的制造和配线工艺来看，输入与输出配线密度不能太高。
    3、控制系统的功能和管理系统的功能应严格划分界限
    由于可编程序控制器组成的过程控制系统中的实时性要求很高，而网络通信是允许暂时失去通信联系，过后自己能重新恢复，但是在重新恢复之前这一间隔时间可编程序控制器会处于失控。另外，在用多个可编程序控制器系统组成一个大系统时，对于主控制的关键命令，除了使用可编程序控制器自身的网络通信传送它的信息外，**有使用它的I/O点做成的硬件联锁，特别是两者之间“急停”的处理；虽然两个系统都在自身的通信扫描中互相变换着“停止”或“急停”命令，但因一方在急停故障时已经停止运行，另一方并未收到已停止的信息而照常运行，其后果难测。可编程序控制器控制系统关键的“急停”应先切除执行机构的电源，然后将其信号送入可编程序控制器，这样可取得设备安全保护的时间。
    4、可编程序控制器的程序要简明且可读
    用户软件的编写是“平铺直叙”，用户软件可看成是一个有序的“黑盒子”系列，每个“黑盒子”按照结构化语言划分，可分为几种典型的语句。每个语句方式、手法可能十分单调，但一定要明确。在设计与编写这些语句时，若使用不易推理的逻辑关系太多，或者语句因素太多，特殊条件太多，就会使人阅读这些语句时十分难懂。因此，一个可编程控制器的用户软件的可读性，即编写的软件能为大多数人读懂，能理解可编程控制器在执行这个语句时，“发生了什么”是十分重要的。每一段程序力求功能单一而流畅，这是软件在使用和维护时的重要条件。
    5、可编程序控制系统在硬件和软件上的预置，有运行检测的关键监视条件
    可编程序控制系统配置了彩色图形工作站/屏幕监视，但从价格及反映现场状态的时间来看，屏幕监视尚不方便。关键的故障，或者在关键的机械设备附近，可配置一些指示灯，它们可以用数字量输出做成，用来监视程序的正常运行，或用来调试程序，在指示灯旁配以功能标牌，可帮助操作人员确认可编程序控制系统的正常运行和及时反映故障。
    6、设计大中型可编程序控制系统时不要耗尽它的硬件和软件资源
    对于设计的新系统，硬件上至少要保留15%左右的冗余，在软件编制时，同样要估计用户软件对计算机资源的需要与用量。尤其对中间继电器，计数器/定时器的使用，要留有余地。因为在调试和运行后，软件总会被修改、补充，甚至重新编制。已编制的软件让人无法修改和完善，在工程上是不实际的。
    7、合理地配置可编程序控制器系统的冗余
    可编程序控制系统可能做出多种方式的冗余，中央处理器的双机热备、冷备冗余是常见的方式。另外，双系统冗余，即中央处理器和全部的输入、输出、组网通信完全冗余，其价格和实用性虽然在许多工程项目中难以被人接受，但在有毒、有害的化工生产环境这种冗余很有必要。在设计系统中，要使配置冗余方式较为经济而又实用，力求使故障缩小在本设备身上。不要因某一设备发生故障，引起工艺流程中相关设备运行或状态受到冲击。
    以上阐述的几个方面，是在可编程序控制系统总体方案设计时，要格外重视的问题，只有在设计系统时，考虑周到，系统投入运行之后，设计人员才能少些遗憾。

恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的，例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时缺水时，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。

在旧加压设备中，恒压供水一般采用起动或停止加压站的水泵和调节出口阀开度来实现。控制系统是采用继电接触器控制线路，这种系统线路复杂，维护困难，操作麻烦，工人要24小时值班看守，劳动强度大。所以有必要对之进行改造，提高自动化水平。

本文介绍的用于某自来水加压站快速起动恒压供水监控系统，采用松下电工生产的FP₃型可编程序控制器（PLC）进行控制，用研华工控机进行监控，自动化程度高，整个工作程序自动完成，能清楚地显示各个设备的实时状态，并自动调节水压。

本系统还设有多种保护，如水压超限报警、阀门故障报警、水位超限报警并处理、水泵电机电流过流报警并处理等。

2.     系统结构及控制要求

      恒压供水系统由主供水回路、备用回路、2个清水池及泵房组成，如图1所示。

其中泵房装有1^# ~ 6^#共6台150kW泵机。另外还有多个（V₁ ~ V₂₃）电动闸阀控制各供水回路和水流量。

要求该恒压供水系统具有如下基本操作功能。

 

 

（1） 当市政自来水压力高于设定压力21.56×10⁴Pa时，直接由市自来水供水

（2） 当市自来水低于设定压力，但不低于下压力7.84×10⁴Pa时，采用直抽水加压供水方案。即逐步起动2台泵机向管网充压。当检测到市自来水高于设定压力时，再转换成市自来水直接供水。

（3） 当自来水压力持续低于2.94× 10⁴Pa或出现确切负压信号时，应立即转换成抽池水加压，但此时应保证水池水位高于**限水位的条件。

（4） 当采用直抽水或抽池水加压供水时，应能自动调节其总出口水压为给定值，调节误差小于等于± 10%。

 

3.     PLC控制系统设计

恒压供水系统的检测点以及控制量较多，是一个规模较大的测控系统。根据其特点，我们选用了松下电工的FP₃可编程序控制器作为控制装置。该控制器与其它可编程序控制器相比，具有一些明显的优点，如FP₃采用了模块化设计，可根据实际需要灵活组装，使用方便，I/O分配采用自由编程方式；容量大，程序量只受扫描周期限制，而扫描周期可在一定范围内自行更改；具有A/D、D/A、脉冲输出、位置控制等高级单元，可实现“共享存储器”；另外还有一些特殊的功能。

恒压供水PLC系统的结构如图1虚框内所示。系统包括一个电源单元、一个CPU单元、一个上位机联结单元，还有I/O 单元和A/D单元。上位机采用研华工控机ABB公司组态软件，上位机联结单元通过C?/FONT>NET适配器与之通讯。工控机对整个系统进行监控，显示器显示了整个加压系统结构、各个阀门与水泵的实时状态、读出各个水压及流量、阀门的开度、水池水位等参数，并有各种报警实时显示和故障记录。

系统既有模拟量输入，也有开关量输入。模拟量通过A/D模块输入，共27个通道。I/O各有96个点。

 

 

4. PLC的软件设计

      根据恒压供水操作要求，PLC控制系统要随时监控市自来水以及供水口的情况来决定是否要起动水泵，或是采用直抽水充压方案还是采用抽水池水充压的方案。控制系统的程序较复杂。

在控制过程中，供水口的水压自动调节是一个重要和较有特色的设计部分之一，在此着重介绍实现自动恒压功能的软件设计。

由于供水系统管道长、管径大，阀门的开、关、管网充压都较慢，故系统是一个大滞后系统。同时因为是在旧设备的基础上进行改造，要利用现有的设备，故并未采用调速调压，而是采用下述多种方法对水压进行调节。首先采用分段调节法，把水压偏差分为四段，即10%、20%、30%、40%，当检测到偏差较小时，输出的控制量（蝶阀的增量）较小，且操作周期亦较大；当偏差较大时，则输出的控制量较大而操作周期较小，使其快速减小偏差而又避免过大超调。另外，在偏差小于等于±10%时，再加上模糊控制，根据D e_k=e_k-e_k-1的值来确定是否调节蝶阀开度，使误差进一步减少，保证其小于等于± 10%的误差要求。当调节阀门开度仍不能使偏差进入允许范围时，用起动或停止1台或1台以上水泵的方法来调节水压。通过这样多种调节水压方法相结合，可使出水口水压得到满意的调节效果。

自动调压子程序框图如图2所示。

4.     结论

      本文所设计的PLC恒压供水监控系统已成功地应用于某工业区，运行结果表明，该系统完全满足其设计要求，具有操作方便、可靠性强、数据完整、监控及时等突出优点，并大大地减轻了操作工人的劳动强度、缩短了操作时间，受到了操作人员、维护人员、管理人员的好评。该监控系统的成功设计，也为类似系统的旧设备改造提供了可取的经验。