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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論述了提高注聚裝置控制系統可靠性、穩定性、安全性的幾種解決措施和實現方法，對PLC控制系統具有推廣應用價值。
關鍵詞：注聚裝置；控制系統；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產、上產、提高采收率的重要措施、已得到廣泛應用。以勝利油田為例，自1997年勝利采油廠建成投產聚合物驅油先導實驗站以來，至今油田已有幾十個注聚站投入生產，為勝利油田的穩產、上產發揮了重要作用。勝利石油管理局總機械廠三次采油裝備開發中心作為三采地面裝備的專業開發隊伍，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、監控系統和混配系統閉環調節等主要工程項目。根據設計要求和工藝流程需要，自動控制系統對整個注聚站實行自動控制和自動運行，并在值班室配備微機監控，可對電器設備的工作狀態、工藝流程的運行情況實施現場監控、實時報警，自動化程度很高。
    由于聚合物注聚站的自動化程度很高，所以對自控系統的穩定性、可靠性、安全性要求極嚴，因為自控系統一旦出現問題，現場值班員往往束手無策，對出現的問題不能及時處理，嚴重時會出現冒罐、停注等重大事故，對注聚站的正常生產運行及注聚效果影響很大。故采取各種措施提高自控系統的穩定性、可靠性、安全性就顯得尤其關鍵。
    聚合物注聚站的自控系統以PLC為核心、加以輔助電器設備組成自控系統的的硬件基礎、以PLC軟件編程組成控制核心、配備上位計算機組網監控構成整個控制系統。
    下面結合幾年的實踐經驗從控制系統的穩定性、可靠性、安全性幾個方面加以探討。

2  PLC及硬件電路

    控制系統的可靠性在很大程度上依賴于硬件電路的設計、其中包括PLC的使用環境、安裝、電源、輸入、輸出電路等。
2.1  PLC的安裝環境
    PLC是專為工業控制設計的，在設計和制造過程中采用了多層次抗干擾和精選元件措施，可在惡劣的工業環境中與強電一起工作，運行的穩定性、可靠性較高。一般地說，不需采用什么特殊措施，可直接在工業環境中應用。PLC是以集成電路為基本元件的電子設備，內部處理不依賴于接點，元件的壽命幾乎不用考慮，目前PLC的整機平均無故障工作時間一般可達5～10萬小時。
    但工作環境過于惡劣或安裝使用不當時，可靠性也會降低。PLC使用環境溫度通常在0～55℃范圍，應避免太陽光直接照射，安裝位置應遠離發熱量大的器件，保證足夠大的散熱空間和通風條件。環境濕度一般應小于85％，以保證PLC有良好的絕緣。在含有腐蝕性氣體、濃霧或粉塵的場合，需將PLC封閉安裝。避免有過度的振動和沖擊，如果PLC安裝位置有強烈的震動源，應采取相應的減振措施。
2.2  PLC的電源與接地
    PLC本身的抗干擾能力很強。通常只需將PLC的電源與動力電源分開配線，對于電源線來的干擾，一般都有足夠強的抑制能力，但是考慮到注聚站為前線生產單位，用電高峰和低峰時供電電壓相差較大，電壓極不穩定，所以采取交流凈化穩壓電源供電方式，一方面可使電源穩定；同時可減少設備與地之間的干擾，提高系統的可靠性。
    如果一個系統中含有擴展單元，則其電源必須與基本單元共用一個開關控制，也就是說，它們的上電和斷電必須同時進行。
良好的接地是保證PLC安全可靠運行的重要條件，PLC系統接地的基本原則是單點接地，即將整個裝配表面接到低阻抗地的參考點，這個連接應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，應給PLC接專用地線，并且接地點要與其他設備分開，如圖1(a)所示。
    現場安裝時如達不到這種條件要求，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)所示的串聯接地方式，因為它會使各設備間產生電位差而引入干擾。此外，接地線要足夠粗，接地電阻要小，接地點應盡可能靠近PLC。
 

圖1  PLC的接地

2.3  PLC的輸入設備
    開關量輸入信號，常用的有按鈕、選擇開關、行程開關、限位開關、接觸器或繼電器的常開、常閉觸點等，其器件質量的優劣、接線方式以及是否牢固可靠是影響控制系統可靠性的重要因素。器件觸點接觸要保持在良好狀態，接線要牢固可靠。設計時，應盡量選用可靠性高的元器件。
    模擬量輸入信號常用的有4～20mA、0～20mA直流電流信號；0～5V、0～10V直流電壓信號。電源為直流24V。
    在布線時，PLC的交流線與直流線應分開走線。開關量與模擬量的輸入/輸出線也要分開敷設，后者最好使用屏蔽線。此外PLC基本單元與擴展單元之間的傳送信號易受干擾，其傳送電纜不能與別的線敷設在同一管道內。輸入/輸出線與系統動力線更要分開布線，并保持一定距離。
    PLC的開關量和模擬量輸入信號，由于噪聲、干擾、開關的誤動作、模擬信號誤差等因素的影響，會形成輸入信號的錯誤，嚴重時將引起程序判斷失誤，造成誤動作。所以應選擇可靠性高的電路設計并在軟件編程時采取措施來抑制錯誤信息，提高系統的可靠性。例1以一個簡單的起、停控制說明，如圖2、圖3所示。圖2(a)、(b)所示的電路及對應的梯形圖程序圖3(a)、(b)都可以實現SB1啟動按鈕按下，輸出動作；SB2停止按鈕按下，輸出斷開的功能。假設輸出斷開為安全狀態，從可靠性角度分析，圖3(b)的可靠性比圖3(a)要高。因為SB1、SB2都有發生故障的可能，但是最常見的現象是輸入電路開路，當采用圖3(b)電路時，不論SB1、SB2開關本身、還是接線開路，輸出都為安全狀態，保證系統的安全可靠。

 
圖2  PLC輸入接線
 
圖3  梯形圖程序

    當按鈕作為輸入信號時，則不可避免產生抖動；輸入信號是接觸器或繼電器觸點時，有時會產生瞬間跳動，容易引起誤動作，影響可靠性。例2為消除抖動的梯形圖程序，如圖4所示。定時時間可根據實際情況和系統要求來確定，這樣可保證觸點可靠閉合或斷開后執行輸出。X0為啟動信號，X1為停止信號，Y0為輸出信號，T0為定時器，K1為定時時間。

 
圖4  梯形圖程序

    對于模擬量信號可采取連續多次采樣，采樣時間根據A/D轉化時間和該信號的變化頻率而定，多個數據放在不同的數據區中，經比較后取平均值作為當前信號輸入值。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，提高系統可靠性。
2.4  PLC的輸出電路
    對于開關量輸出來說，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根據負載要求來決定。選擇不當會降低系統可靠性，嚴重時可能導致系統不能正常工作。如晶閘管輸出只能用于交流負載，晶體管輸出只能用于直流負載。此外，PLC的輸出端子帶負載能力是有限的，如果超過了規定的最大限值，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載性質有關的。額定負載電流還與溫度有關，當工作環境溫度高時，額定負載電流相應減小。如PLC輸出驅動的負載為感性元件時，對于直流負載，通常是在線圈兩端并聯二極管；對于交流負載，是在負載兩端并聯阻容吸收電路。采取以上的保護措施是為了防止感性元件在輸入或輸出斷開時，產生很高的感應電勢或浪涌電流對PLC端子及內部電路的沖擊，以保護PLC，提高可靠性。
    當輸入信號源為晶體管，或是光電開關輸出類型時；當輸出元件為雙向晶閘管，或是晶體管輸出，而外部負載又很小時，會因為這類輸出元件在關斷時有較大的漏電流，使輸入電路和外部負載電路不能徹底關斷，導致輸入和輸出電路信號的錯誤。為此，應在這類輸入輸出端并聯旁路電阻，以減小PLC輸入電流和外部負載上的電流，保證動作的可靠性。
    為了防止或減少外部配線的干擾，交流輸入、輸出信號與直流輸入、輸出應分別使用各自的電纜；對于集成電路或晶體管設備的輸入、輸出信號線、必須使用屏蔽電纜，屏蔽電纜在輸入、輸出側懸空，而在控制側接地，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工作可靠性

    PLC內部具有豐富的軟元件，如定時器、計數器、輔助繼電器等，利用它們來設計一些程序，可有效的提高控制系統的可靠性、安全性，例如為了確保PLC動作的可靠，在軟件設計時根據需要和可能使用動作優先程序，其基本形式有下圖6(a)、(b)兩種。

 
圖6  停止優先梯形圖程序

    圖6(a)中，停止信號X1=1時，無論啟動信號狀態如何，輸出Y0被停止；當停止信號X1=0，啟動信號X0=1時，Y0有輸出，并實現自鎖。X0與X1同時為1時，停止信號有效，所以叫停止優先式。圖6(b)中，當啟動信號X0=1時，無論停止信號狀態如何，輸出Y0被啟動，X1=0時，實現自鎖；當啟動信號X0=0，停止信號X1=1時，Y0被停止輸出。X0與X1同時為1時，啟動信號有效，所以叫啟動優先式。
    硬件是基礎，軟件是核心。PLC功能強大，軟件豐富。PLC程序設計的好壞，直接影響控制系統的性能和可靠性，完善的程序不但要滿足現場工藝流程和系統控制的要求，而且還要根據需要選用軟件編程的方法進行信號相容性檢查，其中包括：開關信號之間的狀態是否矛盾，模擬值的變化范圍是否正常，開關量和模擬量信號是否一致，以及各個信號的時序是否正確等。采取時間故障檢測法、邏輯錯誤檢測法、聯鎖控制等方法，充分利用PLC的軟、硬件資源精心設計電路和編寫程序，就能極大的提高系統的可靠性。

4  外圍電路和執行器件

    通過幾年的現場經驗證明，PLC本身的可靠性很高，故障率極低。而繼電器、接觸器、電磁閥等執行器件的故障率相對較高，這些元件本身發生故障時，PLC不會自動停機，直到故障造成了后果時才會被發現，對系統可靠性的影響很大。所以，一方面必須選用高質量的元器件來提高可靠性，另一方面，要充分考慮到故障發生的可能性，在電路設計和軟件編程時對故障率較高的外圍器件的工作狀態進行反饋和檢測，當有故障發生時，根據故障部位的重要性和對控制系統的影響，及時采取給出報警信息、自動停機等措施，避免造成嚴重后果。同時，變頻器在近幾年中已大量被采用，變頻器對模擬量信號的干擾十分嚴重，在同一環境中使用時，應對變頻器單獨接地，合理布線，避免或減小干擾的影響，提高系統控制的可靠性。

5  結論

    影響控制系統可靠性的因素多種多樣，因此在實際應用中，針對PLC的技術條件、被控負載的性質和現場環境，要充分考慮到各種因素的影響，在電路設計和軟件編程中采取相應的技術措施，并在實踐中不斷改進、不斷提高、不斷完善。是確保PLC控制系統可以長期、穩定、可靠工作的一個重要環節。

參考文獻:
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