油田自控系統(tǒng)故障分析

王旭東（大慶油田第八采油廠規(guī)劃設(shè)計(jì)研究所儀表室，黑龍江 大慶163000）

1 油田自控系統(tǒng)概述

自控系統(tǒng)在油田生產(chǎn)中有著重要作用，生產(chǎn)參數(shù)監(jiān)控、報(bào)警，反沖洗自動(dòng)控制，外輸、注水泵的變頻器控制，全都依賴以PLC 為核心的自控系統(tǒng)。以PLC 為核心的自控系統(tǒng)符合油田生產(chǎn)對(duì)于穩(wěn)定性、安全性的要求，并且相對(duì)于dcs 系統(tǒng)性價(jià)比高，易于維護(hù)。

2 油田自控系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前油田自控系統(tǒng)使用的多數(shù)為西門子s7-300 系列PLC為下位機(jī)，組態(tài)王為上位組態(tài)軟件的控制方案。西門子s7-300系列PLC 作為中型PLC 性價(jià)比高、電磁兼容性強(qiáng)、抗震動(dòng)沖擊性能好等特點(diǎn)。組態(tài)王作為上位機(jī)組態(tài)軟件運(yùn)行穩(wěn)定且使用方便，與西門子s7-300搭配使用達(dá)到了對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與設(shè)備控制的作用。這個(gè)系統(tǒng)的硬件部分包括：西門子s7-300電源、CPU、各種采集、通訊模塊，工控機(jī)及通訊電纜。軟件內(nèi)容包括：CPU內(nèi)的程序，工控機(jī)系統(tǒng)及組態(tài)軟件。系統(tǒng)的軟、硬件全部工作這個(gè)系統(tǒng)才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 西門子PLC與組態(tài)王系統(tǒng)常見故障分析

3.1 通訊故障

西門子PLC通訊方式為兩種，cp5611通訊卡通過專用接頭連接通訊電纜以MPI、profeibus協(xié)議進(jìn)行通訊，以及通過網(wǎng)線以TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通訊。

故障現(xiàn)象：顯示器上數(shù)據(jù)全是“？？？”，組態(tài)王報(bào)警記錄中顯示“通訊失敗”。

故障分析：

（1) 通訊卡cp5611 損壞。cp5611 是工控機(jī)的即插即用設(shè)備，Windows xp 系統(tǒng)對(duì)于即插即用設(shè)備的兼容性不好，臨時(shí)停電，工控機(jī)死機(jī)、強(qiáng)制關(guān)機(jī)都有可能導(dǎo)致cp5611失靈。

（2)通訊電纜及接頭故障。接頭與通訊電纜的連接是人工進(jìn)行的二次連接，人工接頭內(nèi)部會(huì)因?yàn)橥獠空饎?dòng)、扭動(dòng)導(dǎo)致接觸不良、短路、屏蔽線虛接等情況。

（3)PLC通訊方式設(shè)置錯(cuò)誤，或組態(tài)王端口、物理地址設(shè)置錯(cuò)誤。

維修方案：

（1)完全卸載cp5611，在xp系統(tǒng)設(shè)備管理器中卸載cp5611，并刪除對(duì)應(yīng)的注冊(cè)表信息。然后關(guān)機(jī)后拔下cp5611卡，擦拭金手指部分后插入主板。開機(jī)后系統(tǒng)重新識(shí)別設(shè)備并自動(dòng)驅(qū)動(dòng)，重新安裝完成。

（2)拆開兩端的電纜接頭檢查是否存在異常。

（3)在step7中點(diǎn)擊“選項(xiàng)”下的“設(shè)置PG/PC接口”重新定義連接方式。在組態(tài)王中通過設(shè)備配置向?qū)Р榭丛O(shè)備類型及物理地址是否正確。

3.2 CPU故障

PLC 的CPU 是整個(gè)系統(tǒng)的大腦，CPU 以時(shí)鐘脈沖的速度循環(huán)執(zhí)行內(nèi)存卡中的程序。將定義好的輸入、輸出點(diǎn)按照控制邏輯編寫成PLC語言就是編程。CPU出現(xiàn)故障整個(gè)系統(tǒng)即癱瘓。

故障現(xiàn)象：顯示器上數(shù)據(jù)全是“？？？”，組態(tài)王報(bào)警記錄中顯示“通訊失敗”。CPU 的紅色“sf”燈常亮，黃色“stop”燈常亮，重新啟動(dòng)CPU故障依舊。

故障分析：

（1)CPU 硬件故障，外部高電壓的接入或自身電子元件損耗導(dǎo)致的故障。

（2）內(nèi)存卡損壞，內(nèi)存卡是程序存儲(chǔ)介質(zhì)，每次CPU上電會(huì)檢測內(nèi)存卡狀態(tài)，內(nèi)存卡損壞使CPU無法完成自檢進(jìn)而無法正常工作。

（3）程序錯(cuò)亂產(chǎn)生內(nèi)部中斷沖突導(dǎo)致的CPU故障。

維修方案：

在step7編程軟件中點(diǎn)擊“PLC”選項(xiàng)，選擇“診斷/設(shè)置”下的“硬件診斷”可以查看CPU無法運(yùn)行的具體原因，作為故障分析的主要依據(jù)。

（1）西門子CPU 自身配備獨(dú)立的電源模塊，電源模塊損壞導(dǎo)致的CPU硬件損壞只能返廠維修。

（2）內(nèi)存卡損壞后無法上傳程序到工控機(jī)。格式化內(nèi)存卡的方法是：接通電源將CPU面板上模式開關(guān)打到mres并保持直到stop 等保持常亮（約9 秒），stop 燈出現(xiàn)慢閃后兩秒內(nèi)迅速開關(guān)，使其回到stop 再迅速按回到mres 位置，此時(shí)，stop 燈快速閃爍表示正在格式化。保持開關(guān)在mres 位置，直到stop 燈常亮，格式化完成。格式化是將內(nèi)存卡恢復(fù)到出廠狀態(tài)，重新下載程序，將開關(guān)撥至run后觀察運(yùn)行是否正常。

（3）程序錯(cuò)亂報(bào)錯(cuò)時(shí)，格式化內(nèi)存卡無法恢復(fù)，因?yàn)镃PU內(nèi)部內(nèi)存（rom）中依舊存在錯(cuò)亂程序。

刪除內(nèi)部內(nèi)存程序方法：保持通訊暢通的情況下，在step7編程軟件中選擇“在線”按鈕，標(biāo)題欄變成閃爍的綠色，在左側(cè)站點(diǎn)欄中選中對(duì)應(yīng)站點(diǎn)下的“程序”分支，右側(cè)窗口中會(huì)顯示內(nèi)存（rom）中的所有程序塊和數(shù)據(jù)塊，全部選中后刪除。點(diǎn)擊“離線”按鈕轉(zhuǎn)為離線狀態(tài)重新下載程序即可。

3.3 擴(kuò)展模塊故障

如果說CPU是PLC系統(tǒng)的大腦，那么擴(kuò)展模塊就是系統(tǒng)的眼睛與手，PLC系統(tǒng)通過輸入擴(kuò)展模塊進(jìn)行采集來自一次表的電流、脈沖、rs485、開關(guān)量等外部信號(hào)，通過輸出擴(kuò)展模塊進(jìn)行輸出電流、開關(guān)量信號(hào)控制變頻器、繼電器、交流接觸器等。

故障現(xiàn)象：顯示器上部分?jǐn)?shù)據(jù)是“死數(shù)”，CPU的紅色“sf”燈常亮，CPU正常運(yùn)行。故障模塊紅色“sf”燈常亮。

故障分析：

（1）擴(kuò)展模塊所需24VDC 并非西門子電源模塊提供，而是由外部24V開關(guān)電源額外提供，開關(guān)電源損壞會(huì)導(dǎo)致模塊供電不正常。

（2）前連接器未插到位或某點(diǎn)位虛接，為了方便接線，s7-300 模塊的前連接器可以拆卸，由于震動(dòng)原因可能導(dǎo)致前連接器與模塊接觸不良。

（3）量程卡所插方向與HWconfi（g西門子硬件組態(tài)）中的量程設(shè)置不符。A（I模擬量輸入）模塊中有一類是可拆卸的量程卡，例如訂貨號(hào)為7KF02的AI模塊。根據(jù)需要將量程卡裝入對(duì)應(yīng)量程后還需要在step7軟件中對(duì)量程進(jìn)行設(shè)置，軟件、硬件對(duì)應(yīng)一致后模塊才能正常運(yùn)行。

（4）擴(kuò)展模塊某一輸入點(diǎn)由于雷擊、過電流等問題導(dǎo)致?lián)p壞。

維修方案：

（1）用萬用表檢測開關(guān)電源輸入、輸出是否正常。

（2）檢查前連接器安裝是否到位，各點(diǎn)位接線牢固程度。

（3）檢查故障模塊量程卡，油田現(xiàn)場溫度、壓力變送器信號(hào)為4-20mA，采用兩線制方式傳輸，經(jīng)過防雷柵進(jìn)入安全柵，安全柵輸出信號(hào)是無源信號(hào)。在PLC量程設(shè)置中，電流信號(hào)有兩線制（2DMU）、四線制（4DMU）兩種模式選項(xiàng)。雖然現(xiàn)場連接方式是兩線制但經(jīng)由安全柵隔離后信號(hào)轉(zhuǎn)為無源信號(hào)，故選擇量程的信號(hào)類型時(shí)選擇四線制（4DMU）。

（4）通過信號(hào)源對(duì)該端口輸入標(biāo)準(zhǔn)4-20mA信號(hào)，通過程序在線功能對(duì)輸入通道PIW數(shù)值進(jìn)行觀察。

4 結(jié)語

西門子S7-300系列PLC是目前油田使用的一種自控系統(tǒng)，通過對(duì)其常見故障的分析，可以快速、有效的查找并解決故障，提高生產(chǎn)效率，保障油田生產(chǎn)平穩(wěn)有序進(jìn)行。