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摘要：从硬件电路、外围器件及软件编程等方面详细论述了提高注聚装置控制系统可靠性、稳定性、安全性的几种解决措施和实现方法，对PLC控制系统具有推广应用价值。
关键词：注聚装置；控制系统；PLC；硬件；软件；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

    三次采油作为老油田稳产、上产、提高采收率的重要措施、已得到广泛应用。以胜利油田为例，自1997年胜利采油厂建成投产聚合物驱油先导实验站以来，至今油田已有几十个注聚站投入生产，为胜利油田的稳产、上产发挥了重要作用。胜利石油管理局总机械厂三次采油装备开发中心作为三采地面装备的专业开发队伍，承建了胜利油田聚合物注聚站的地面装备、控制柜、自控系统、监控系统和混配系统闭环调节等主要工程项目。根据设计要求和工艺流程需要，自动控制系统对整个注聚站实行自动控制和自动运行，并在值班室配备微机监控，可对电器设备的工作状态、工艺流程的运行情况实施现场监控、实时报警，自动化程度很高。
    由于聚合物注聚站的自动化程度很高，所以对自控系统的稳定性、可靠性、安全性要求极严，因为自控系统一旦出现问题，现场值班员往往束手无策，对出现的问题不能及时处理，严重时会出现冒罐、停注等重大事故，对注聚站的正常生产运行及注聚效果影响很大。故采取各种措施提高自控系统的稳定性、可靠性、安全性就显得尤其关键。
    聚合物注聚站的自控系统以PLC为核心、加以辅助电器设备组成自控系统的的硬件基础、以PLC软件编程组成控制核心、配备上位计算机组网监控构成整个控制系统。
    下面结合几年的实践经验从控制系统的稳定性、可靠性、安全性几个方面加以探讨。

2  PLC及硬件电路

    控制系统的可靠性在很大程度上依赖于硬件电路的设计、其中包括PLC的使用环境、安装、电源、输入、输出电路等。
2.1  PLC的安装环境
    PLC是专为工业控制设计的，在设计和制造过程中采用了多层次抗干扰和精选元件措施，可在恶劣的工业环境中与强电一起工作，运行的稳定性、可靠性较高。一般地说，不需采用什么特殊措施，可直接在工业环境中应用。PLC是以集成电路为基本元件的电子设备，内部处理不依赖于接点，元件的寿命几乎不用考虑，目前PLC的整机平均无故障工作时间一般可达5～10万小时。
    但工作环境过于恶劣或安装使用不当时，可靠性也会降低。PLC使用环境温度通常在0～55℃范围，应避免太阳光直接照射，安装位置应远离发热量大的器件，保证足够大的散热空间和通风条件。环境湿度一般应小于85％，以保证PLC有良好的绝缘。在含有腐蚀性气体、浓雾或粉尘的场合，需将PLC封闭安装。避免有过度的振动和冲击，如果PLC安装位置有强烈的震动源，应采取相应的减振措施。
2.2  PLC的电源与接地
    PLC本身的抗干扰能力很强。通常只需将PLC的电源与动力电源分开配线，对于电源线来的干扰，一般都有足够强的抑制能力，但是考虑到注聚站为前线生产单位，用电高峰和低峰时供电电压相差较大，电压极不稳定，所以采取交流净化稳压电源供电方式，一方面可使电源稳定；同时可减少设备与地之间的干扰，提高系统的可靠性。
    如果一个系统中含有扩展单元，则其电源必须与基本单元共用一个开关控制，也就是说，它们的上电和断电必须同时进行。
良好的接地是保证PLC安全可靠运行的重要条件，PLC系统接地的基本原则是单点接地，即将整个装配表面接到低阻抗地的参考点，这个连接应具有极低的直流电阻（<100Ω）和高频阻抗。为了抑制附加在电源及输入线、输出线的干扰，应给PLC接专用地线，并且接地点要与其他设备分开，如图1(a)所示。
    现场安装时如达不到这种条件要求，也可采用公共接地方式，如图1(b)所示。但是禁止采用如图1(c)所示的串联接地方式，因为它会使各设备间产生电位差而引入干扰。此外，接地线要足够粗，接地电阻要小，接地点应尽可能靠近PLC。
 

图1  PLC的接地

2.3  PLC的输入设备
    开关量输入信号，常用的有按钮、选择开关、行程开关、限位开关、接触器或继电器的常开、常闭触点等，其器件质量的优劣、接线方式以及是否牢固可靠是影响控制系统可靠性的重要因素。器件触点接触要保持在良好状态，接线要牢固可靠。设计时，应尽量选用可靠性高的元器件。
    模拟量输入信号常用的有4～20mA、0～20mA直流电流信号；0～5V、0～10V直流电压信号。电源为直流24V。
    在布线时，PLC的交流线与直流线应分开走线。开关量与模拟量的输入/输出线也要分开敷设，后者最好使用屏蔽线。此外PLC基本单元与扩展单元之间的传送信号易受干扰，其传送电缆不能与别的线敷设在同一管道内。输入/输出线与系统动力线更要分开布线，并保持一定距离。
    PLC的开关量和模拟量输入信号，由于噪声、干扰、开关的误动作、模拟信号误差等因素的影响，会形成输入信号的错误，严重时将引起程序判断失误，造成误动作。所以应选择可靠性高的电路设计并在软件编程时采取措施来抑制错误信息，提高系统的可靠性。例1以一个简单的起、停控制说明，如图2、图3所示。图2(a)、(b)所示的电路及对应的梯形图程序图3(a)、(b)都可以实现SB1启动按钮按下，输出动作；SB2停止按钮按下，输出断开的功能。假设输出断开为安全状态，从可靠性角度分析，图3(b)的可靠性比图3(a)要高。因为SB1、SB2都有发生故障的可能，但是最常见的现象是输入电路开路，当采用图3(b)电路时，不论SB1、SB2开关本身、还是接线开路，输出都为安全状态，保证系统的安全可靠。

 
图2  PLC输入接线
 
图3  梯形图程序

    当按钮作为输入信号时，则不可避免产生抖动；输入信号是接触器或继电器触点时，有时会产生瞬间跳动，容易引起误动作，影响可靠性。例2为消除抖动的梯形图程序，如图4所示。定时时间可根据实际情况和系统要求来确定，这样可保证触点可靠闭合或断开后执行输出。X0为启动信号，X1为停止信号，Y0为输出信号，T0为定时器，K1为定时时间。

 
图4  梯形图程序

    对于模拟量信号可采取连续多次采样，采样时间根据A/D转化时间和该信号的变化频率而定，多个数据放在不同的数据区中，经比较后取平均值作为当前信号输入值。这样可有效的滤除干扰引起的瞬间跳变值，另外必须将屏蔽电缆的屏蔽层可靠接地，也可起到减少干扰的作用，提高系统可靠性。
2.4  PLC的输出电路
    对于开关量输出来说，PLC的输出有继电器输出、晶闸管输出、晶体管输出三种形式，具体选用那种形式的输出应根据负载要求来决定。选择不当会降低系统可靠性，严重时可能导致系统不能正常工作。如晶闸管输出只能用于交流负载，晶体管输出只能用于直流负载。此外，PLC的输出端子带负载能力是有限的，如果超过了规定的最大限值，必须外接继电器或接触器，才能正常工作。PLC输出电流的额定值是与负载性质有关的。额定负载电流还与温度有关，当工作环境温度高时，额定负载电流相应减小。如PLC输出驱动的负载为感性元件时，对于直流负载，通常是在线圈两端并联二极管；对于交流负载，是在负载两端并联阻容吸收电路。采取以上的保护措施是为了防止感性元件在输入或输出断开时，产生很高的感应电势或浪涌电流对PLC端子及内部电路的冲击，以保护PLC，提高可靠性。
    当输入信号源为晶体管，或是光电开关输出类型时；当输出元件为双向晶闸管，或是晶体管输出，而外部负载又很小时，会因为这类输出元件在关断时有较大的漏电流，使输入电路和外部负载电路不能彻底关断，导致输入和输出电路信号的错误。为此，应在这类输入输出端并联旁路电阻，以减小PLC输入电流和外部负载上的电流，保证动作的可靠性。
    为了防止或减少外部配线的干扰，交流输入、输出信号与直流输入、输出应分别使用各自的电缆；对于集成电路或晶体管设备的输入、输出信号线、必须使用屏蔽电缆，屏蔽电缆在输入、输出侧悬空，而在控制侧接地，其处理方式如图5所示。

 
图5  屏蔽电缆的处理

3  利用软件编程提高系统工作可靠性

    PLC内部具有丰富的软元件，如定时器、计数器、辅助继电器等，利用它们来设计一些程序，可有效的提高控制系统的可靠性、安全性，例如为了确保PLC动作的可靠，在软件设计时根据需要和可能使用动作优先程序，其基本形式有下图6(a)、(b)两种。

 
图6  停止优先梯形图程序

    图6(a)中，停止信号X1=1时，无论启动信号状态如何，输出Y0被停止；当停止信号X1=0，启动信号X0=1时，Y0有输出，并实现自锁。X0与X1同时为1时，停止信号有效，所以叫停止优先式。图6(b)中，当启动信号X0=1时，无论停止信号状态如何，输出Y0被启动，X1=0时，实现自锁；当启动信号X0=0，停止信号X1=1时，Y0被停止输出。X0与X1同时为1时，启动信号有效，所以叫启动优先式。
    硬件是基础，软件是核心。PLC功能强大，软件丰富。PLC程序设计的好坏，直接影响控制系统的性能和可靠性，完善的程序不但要满足现场工艺流程和系统控制的要求，而且还要根据需要选用软件编程的方法进行信号相容性检查，其中包括：开关信号之间的状态是否矛盾，模拟值的变化范围是否正常，开关量和模拟量信号是否一致，以及各个信号的时序是否正确等。采取时间故障检测法、逻辑错误检测法、联锁控制等方法，充分利用PLC的软、硬件资源精心设计电路和编写程序，就能极大的提高系统的可靠性。

4  外围电路和执行器件

    通过几年的现场经验证明，PLC本身的可靠性很高，故障率极低。而继电器、接触器、电磁阀等执行器件的故障率相对较高，这些元件本身发生故障时，PLC不会自动停机，直到故障造成了后果时才会被发现，对系统可靠性的影响很大。所以，一方面必须选用高质量的元器件来提高可靠性，另一方面，要充分考虑到故障发生的可能性，在电路设计和软件编程时对故障率较高的外围器件的工作状态进行反馈和检测，当有故障发生时，根据故障部位的重要性和对控制系统的影响，及时采取给出报警信息、自动停机等措施，避免造成严重后果。同时，变频器在近几年中已大量被采用，变频器对模拟量信号的干扰十分严重，在同一环境中使用时，应对变频器单独接地，合理布线，避免或减小干扰的影响，提高系统控制的可靠性。

5  结论

    影响控制系统可靠性的因素多种多样，因此在实际应用中，针对PLC的技术条件、被控负载的性质和现场环境，要充分考虑到各种因素的影响，在电路设计和软件编程中采取相应的技术措施，并在实践中不断改进、不断提高、不断完善。是确保PLC控制系统可以长期、稳定、可靠工作的一个重要环节。

参考文献:
[1] 汪晓光,孙晓瑛,王艳丹. 可编程控制器原理及应用[M]. 机械工业出版社,1994.
[2] 常斗南,李金利,张学武. 可编程序控制器原理、应用、实验[M]. 机械工业出版社,1998.