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摘要：從硬件電路、外圍器件及軟件編程等方面詳細(xì)論述了提高注聚裝置控制系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性、安全性的幾種解決措施和實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)PLC控制系統(tǒng)具有推廣應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：注聚裝置；控制系統(tǒng)；PLC；硬件；軟件；可靠性

Abstract: The paper describes in detail some measures and implementing methods of improving reliability, stability and security of injecting polymer unit control system from hardware circuit, periphery parts and software program. These methods can be extended to PLC control system.
Key words: Injecting polymer unit; Control system; PLC; Hardware;
Software; Reliability

1  概述

    三次采油作為老油田穩(wěn)產(chǎn)、上產(chǎn)、提高采收率的重要措施、已得到廣泛應(yīng)用。以勝利油田為例，自1997年勝利采油廠建成投產(chǎn)聚合物驅(qū)油先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)站以來(lái)，至今油田已有幾十個(gè)注聚站投入生產(chǎn)，為勝利油田的穩(wěn)產(chǎn)、上產(chǎn)發(fā)揮了重要作用。勝利石油管理局總機(jī)械廠三次采油裝備開(kāi)發(fā)中心作為三采地面裝備的專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)隊(duì)伍，承建了勝利油田聚合物注聚站的地面裝備、控制柜、自控系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和混配系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)節(jié)等主要工程項(xiàng)目。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和工藝流程需要，自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)注聚站實(shí)行自動(dòng)控制和自動(dòng)運(yùn)行，并在值班室配備微機(jī)監(jiān)控，可對(duì)電器設(shè)備的工作狀態(tài)、工藝流程的運(yùn)行情況實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控、實(shí)時(shí)報(bào)警，自動(dòng)化程度很高。
    由于聚合物注聚站的自動(dòng)化程度很高，所以對(duì)自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、安全性要求極嚴(yán)，因?yàn)樽钥叵到y(tǒng)一旦出現(xiàn)問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)值班員往往束手無(wú)策，對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題不能及時(shí)處理，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)冒罐、停注等重大事故，對(duì)注聚站的正常生產(chǎn)運(yùn)行及注聚效果影響很大。故采取各種措施提高自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、安全性就顯得尤其關(guān)鍵。
    聚合物注聚站的自控系統(tǒng)以PLC為核心、加以輔助電器設(shè)備組成自控系統(tǒng)的的硬件基礎(chǔ)、以PLC軟件編程組成控制核心、配備上位計(jì)算機(jī)組網(wǎng)監(jiān)控構(gòu)成整個(gè)控制系統(tǒng)。
    下面結(jié)合幾年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)從控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、安全性幾個(gè)方面加以探討。

2  PLC及硬件電路

    控制系統(tǒng)的可靠性在很大程度上依賴(lài)于硬件電路的設(shè)計(jì)、其中包括PLC的使用環(huán)境、安裝、電源、輸入、輸出電路等。
2.1  PLC的安裝環(huán)境
    PLC是專(zhuān)為工業(yè)控制設(shè)計(jì)的，在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中采用了多層次抗干擾和精選元件措施，可在惡劣的工業(yè)環(huán)境中與強(qiáng)電一起工作，運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性較高。一般地說(shuō)，不需采用什么特殊措施，可直接在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用。PLC是以集成電路為基本元件的電子設(shè)備，內(nèi)部處理不依賴(lài)于接點(diǎn)，元件的壽命幾乎不用考慮，目前PLC的整機(jī)平均無(wú)故障工作時(shí)間一般可達(dá)5～10萬(wàn)小時(shí)。
    但工作環(huán)境過(guò)于惡劣或安裝使用不當(dāng)時(shí)，可靠性也會(huì)降低。PLC使用環(huán)境溫度通常在0～55℃范圍，應(yīng)避免太陽(yáng)光直接照射，安裝位置應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱量大的器件，保證足夠大的散熱空間和通風(fēng)條件。環(huán)境濕度一般應(yīng)小于85％，以保證PLC有良好的絕緣。在含有腐蝕性氣體、濃霧或粉塵的場(chǎng)合，需將PLC封閉安裝。避免有過(guò)度的振動(dòng)和沖擊，如果PLC安裝位置有強(qiáng)烈的震動(dòng)源，應(yīng)采取相應(yīng)的減振措施。
2.2  PLC的電源與接地
    PLC本身的抗干擾能力很強(qiáng)。通常只需將PLC的電源與動(dòng)力電源分開(kāi)配線，對(duì)于電源線來(lái)的干擾，一般都有足夠強(qiáng)的抑制能力，但是考慮到注聚站為前線生產(chǎn)單位，用電高峰和低峰時(shí)供電電壓相差較大，電壓極不穩(wěn)定，所以采取交流凈化穩(wěn)壓電源供電方式，一方面可使電源穩(wěn)定；同時(shí)可減少設(shè)備與地之間的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。
    如果一個(gè)系統(tǒng)中含有擴(kuò)展單元，則其電源必須與基本單元共用一個(gè)開(kāi)關(guān)控制，也就是說(shuō)，它們的上電和斷電必須同時(shí)進(jìn)行。
良好的接地是保證PLC安全可靠運(yùn)行的重要條件，PLC系統(tǒng)接地的基本原則是單點(diǎn)接地，即將整個(gè)裝配表面接到低阻抗地的參考點(diǎn)，這個(gè)連接應(yīng)具有極低的直流電阻（<100Ω）和高頻阻抗。為了抑制附加在電源及輸入線、輸出線的干擾，應(yīng)給PLC接專(zhuān)用地線，并且接地點(diǎn)要與其他設(shè)備分開(kāi)，如圖1(a)所示。
    現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)如達(dá)不到這種條件要求，也可采用公共接地方式，如圖1(b)所示。但是禁止采用如圖1(c)所示的串聯(lián)接地方式，因?yàn)樗鼤?huì)使各設(shè)備間產(chǎn)生電位差而引入干擾。此外，接地線要足夠粗，接地電阻要小，接地點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近PLC。
 

圖1  PLC的接地

2.3  PLC的輸入設(shè)備
    開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)，常用的有按鈕、選擇開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)、接觸器或繼電器的常開(kāi)、常閉觸點(diǎn)等，其器件質(zhì)量的優(yōu)劣、接線方式以及是否牢固可靠是影響控制系統(tǒng)可靠性的重要因素。器件觸點(diǎn)接觸要保持在良好狀態(tài)，接線要牢固可靠。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量選用可靠性高的元器件。
    模擬量輸入信號(hào)常用的有4～20mA、0～20mA直流電流信號(hào)；0～5V、0～10V直流電壓信號(hào)。電源為直流24V。
    在布線時(shí)，PLC的交流線與直流線應(yīng)分開(kāi)走線。開(kāi)關(guān)量與模擬量的輸入/輸出線也要分開(kāi)敷設(shè)，后者最好使用屏蔽線。此外PLC基本單元與擴(kuò)展單元之間的傳送信號(hào)易受干擾，其傳送電纜不能與別的線敷設(shè)在同一管道內(nèi)。輸入/輸出線與系統(tǒng)動(dòng)力線更要分開(kāi)布線，并保持一定距離。
    PLC的開(kāi)關(guān)量和模擬量輸入信號(hào)，由于噪聲、干擾、開(kāi)關(guān)的誤動(dòng)作、模擬信號(hào)誤差等因素的影響，會(huì)形成輸入信號(hào)的錯(cuò)誤，嚴(yán)重時(shí)將引起程序判斷失誤，造成誤動(dòng)作。所以應(yīng)選擇可靠性高的電路設(shè)計(jì)并在軟件編程時(shí)采取措施來(lái)抑制錯(cuò)誤信息，提高系統(tǒng)的可靠性。例1以一個(gè)簡(jiǎn)單的起、停控制說(shuō)明，如圖2、圖3所示。圖2(a)、(b)所示的電路及對(duì)應(yīng)的梯形圖程序圖3(a)、(b)都可以實(shí)現(xiàn)SB1啟動(dòng)按鈕按下，輸出動(dòng)作；SB2停止按鈕按下，輸出斷開(kāi)的功能。假設(shè)輸出斷開(kāi)為安全狀態(tài)，從可靠性角度分析，圖3(b)的可靠性比圖3(a)要高。因?yàn)镾B1、SB2都有發(fā)生故障的可能，但是最常見(jiàn)的現(xiàn)象是輸入電路開(kāi)路，當(dāng)采用圖3(b)電路時(shí)，不論SB1、SB2開(kāi)關(guān)本身、還是接線開(kāi)路，輸出都為安全狀態(tài)，保證系統(tǒng)的安全可靠。

 
圖2  PLC輸入接線
 
圖3  梯形圖程序

    當(dāng)按鈕作為輸入信號(hào)時(shí)，則不可避免產(chǎn)生抖動(dòng)；輸入信號(hào)是接觸器或繼電器觸點(diǎn)時(shí)，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生瞬間跳動(dòng)，容易引起誤動(dòng)作，影響可靠性。例2為消除抖動(dòng)的梯形圖程序，如圖4所示。定時(shí)時(shí)間可根據(jù)實(shí)際情況和系統(tǒng)要求來(lái)確定，這樣可保證觸點(diǎn)可靠閉合或斷開(kāi)后執(zhí)行輸出。X0為啟動(dòng)信號(hào)，X1為停止信號(hào)，Y0為輸出信號(hào)，T0為定時(shí)器，K1為定時(shí)時(shí)間。

 
圖4  梯形圖程序

    對(duì)于模擬量信號(hào)可采取連續(xù)多次采樣，采樣時(shí)間根據(jù)A/D轉(zhuǎn)化時(shí)間和該信號(hào)的變化頻率而定，多個(gè)數(shù)據(jù)放在不同的數(shù)據(jù)區(qū)中，經(jīng)比較后取平均值作為當(dāng)前信號(hào)輸入值。這樣可有效的濾除干擾引起的瞬間跳變值，另外必須將屏蔽電纜的屏蔽層可靠接地，也可起到減少干擾的作用，提高系統(tǒng)可靠性。
2.4  PLC的輸出電路
    對(duì)于開(kāi)關(guān)量輸出來(lái)說(shuō)，PLC的輸出有繼電器輸出、晶閘管輸出、晶體管輸出三種形式，具體選用那種形式的輸出應(yīng)根據(jù)負(fù)載要求來(lái)決定。選擇不當(dāng)會(huì)降低系統(tǒng)可靠性，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。如晶閘管輸出只能用于交流負(fù)載，晶體管輸出只能用于直流負(fù)載。此外，PLC的輸出端子帶負(fù)載能力是有限的，如果超過(guò)了規(guī)定的最大限值，必須外接繼電器或接觸器，才能正常工作。PLC輸出電流的額定值是與負(fù)載性質(zhì)有關(guān)的。額定負(fù)載電流還與溫度有關(guān)，當(dāng)工作環(huán)境溫度高時(shí)，額定負(fù)載電流相應(yīng)減小。如PLC輸出驅(qū)動(dòng)的負(fù)載為感性元件時(shí)，對(duì)于直流負(fù)載，通常是在線圈兩端并聯(lián)二極管；對(duì)于交流負(fù)載，是在負(fù)載兩端并聯(lián)阻容吸收電路。采取以上的保護(hù)措施是為了防止感性元件在輸入或輸出斷開(kāi)時(shí)，產(chǎn)生很高的感應(yīng)電勢(shì)或浪涌電流對(duì)PLC端子及內(nèi)部電路的沖擊，以保護(hù)PLC，提高可靠性。
    當(dāng)輸入信號(hào)源為晶體管，或是光電開(kāi)關(guān)輸出類(lèi)型時(shí)；當(dāng)輸出元件為雙向晶閘管，或是晶體管輸出，而外部負(fù)載又很小時(shí)，會(huì)因?yàn)檫@類(lèi)輸出元件在關(guān)斷時(shí)有較大的漏電流，使輸入電路和外部負(fù)載電路不能徹底關(guān)斷，導(dǎo)致輸入和輸出電路信號(hào)的錯(cuò)誤。為此，應(yīng)在這類(lèi)輸入輸出端并聯(lián)旁路電阻，以減小PLC輸入電流和外部負(fù)載上的電流，保證動(dòng)作的可靠性。
    為了防止或減少外部配線的干擾，交流輸入、輸出信號(hào)與直流輸入、輸出應(yīng)分別使用各自的電纜；對(duì)于集成電路或晶體管設(shè)備的輸入、輸出信號(hào)線、必須使用屏蔽電纜，屏蔽電纜在輸入、輸出側(cè)懸空，而在控制側(cè)接地，其處理方式如圖5所示。

 
圖5  屏蔽電纜的處理

3  利用軟件編程提高系統(tǒng)工作可靠性

    PLC內(nèi)部具有豐富的軟元件，如定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、輔助繼電器等，利用它們來(lái)設(shè)計(jì)一些程序，可有效的提高控制系統(tǒng)的可靠性、安全性，例如為了確保PLC動(dòng)作的可靠，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)需要和可能使用動(dòng)作優(yōu)先程序，其基本形式有下圖6(a)、(b)兩種。

 
圖6  停止優(yōu)先梯形圖程序

    圖6(a)中，停止信號(hào)X1=1時(shí)，無(wú)論啟動(dòng)信號(hào)狀態(tài)如何，輸出Y0被停止；當(dāng)停止信號(hào)X1=0，啟動(dòng)信號(hào)X0=1時(shí)，Y0有輸出，并實(shí)現(xiàn)自鎖。X0與X1同時(shí)為1時(shí)，停止信號(hào)有效，所以叫停止優(yōu)先式。圖6(b)中，當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)X0=1時(shí)，無(wú)論停止信號(hào)狀態(tài)如何，輸出Y0被啟動(dòng)，X1=0時(shí)，實(shí)現(xiàn)自鎖；當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)X0=0，停止信號(hào)X1=1時(shí)，Y0被停止輸出。X0與X1同時(shí)為1時(shí)，啟動(dòng)信號(hào)有效，所以叫啟動(dòng)優(yōu)先式。
    硬件是基礎(chǔ)，軟件是核心。PLC功能強(qiáng)大，軟件豐富。PLC程序設(shè)計(jì)的好壞，直接影響控制系統(tǒng)的性能和可靠性，完善的程序不但要滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)工藝流程和系統(tǒng)控制的要求，而且還要根據(jù)需要選用軟件編程的方法進(jìn)行信號(hào)相容性檢查，其中包括：開(kāi)關(guān)信號(hào)之間的狀態(tài)是否矛盾，模擬值的變化范圍是否正常，開(kāi)關(guān)量和模擬量信號(hào)是否一致，以及各個(gè)信號(hào)的時(shí)序是否正確等。采取時(shí)間故障檢測(cè)法、邏輯錯(cuò)誤檢測(cè)法、聯(lián)鎖控制等方法，充分利用PLC的軟、硬件資源精心設(shè)計(jì)電路和編寫(xiě)程序，就能極大的提高系統(tǒng)的可靠性。

4  外圍電路和執(zhí)行器件

    通過(guò)幾年的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)證明，PLC本身的可靠性很高，故障率極低。而繼電器、接觸器、電磁閥等執(zhí)行器件的故障率相對(duì)較高，這些元件本身發(fā)生故障時(shí)，PLC不會(huì)自動(dòng)停機(jī)，直到故障造成了后果時(shí)才會(huì)被發(fā)現(xiàn)，對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響很大。所以，一方面必須選用高質(zhì)量的元器件來(lái)提高可靠性，另一方面，要充分考慮到故障發(fā)生的可能性，在電路設(shè)計(jì)和軟件編程時(shí)對(duì)故障率較高的外圍器件的工作狀態(tài)進(jìn)行反饋和檢測(cè)，當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，根據(jù)故障部位的重要性和對(duì)控制系統(tǒng)的影響，及時(shí)采取給出報(bào)警信息、自動(dòng)停機(jī)等措施，避免造成嚴(yán)重后果。同時(shí)，變頻器在近幾年中已大量被采用，變頻器對(duì)模擬量信號(hào)的干擾十分嚴(yán)重，在同一環(huán)境中使用時(shí)，應(yīng)對(duì)變頻器單獨(dú)接地，合理布線，避免或減小干擾的影響，提高系統(tǒng)控制的可靠性。

5  結(jié)論

    影響控制系統(tǒng)可靠性的因素多種多樣，因此在實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)PLC的技術(shù)條件、被控負(fù)載的性質(zhì)和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，要充分考慮到各種因素的影響，在電路設(shè)計(jì)和軟件編程中采取相應(yīng)的技術(shù)措施，并在實(shí)踐中不斷改進(jìn)、不斷提高、不斷完善。是確保PLC控制系統(tǒng)可以長(zhǎng)期、穩(wěn)定、可靠工作的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

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