西门子PLC系统硬件故障的分析与处理.pdf

置 麦旦 D o i l 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 6 7 1 - 1 0 4 1 ． 2 0 1 2 ． 0 5 ． 0 2 7 西门子P L C系统硬件故障的分析与处理 赵爱 军 北京高井热电厂，北京 1 0 0 0 4 1 日检修缝 臼 摘要本文介绍了在消除高井热电厂化学水处理二期西门子P L C 控制系统硬件故障过程中出现的问题及处理方法，并提出 值得借鉴的经验。在处理过程中，技术人员通过多种方法查找故障原因，最终找到问题所在 ，期间走了不少弯路。作者希 望通过本文介绍使读者在处理类似设备故障中能够明确故障原因，加快处理设备故障速度，提高消除P L C系统硬件故障的 水平。 关键词化学水处理 ；模件；控制器；冗余 中图分类号T K 3 9 文献标志码B Th e a n a l y s i s a n d t r e a t m e n t o f S i e me n s P LC h a r d wa r e f a i l u r e ZHA0 Ai - i u n Be ij i n g Ga o j i n g t h e r ma l p o we r p l a n t ， B e i j i n g 1 0 0 0 4 1 ， Ch i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r i n t r o du c e s t h e p r o b l ems a n d t r e a t me n t me t h od wh i c h h a v e a pp e ar e d du r i n g t h e e l i mi n a t i o n o f t h e b r e a k d o w n o f S i e me n s P L C c o n t r o l s y s t e m’S h a r d wa r e d u r i n g p h a s e o f c h e mi c a l wa t e r t r e a t me n t i n Ga o j i n g t h er mal p o wer p l a n t ，a n d r a i s e s S C me v a l u a ble e x p e r i e n c e s ．I n t h e pr o c e s s ， t e c h n i c i a n s f o u n d t h e p r o b l e m t h r o u g h v ar i ou s me t h o d s ， b u t t o o k s o me r o u n d a b o u t wa y ． Th e au t h o r h o p e s t h a t t h e r e a d e r s c a n c le ar t h e f au lt wh i le d e a l i n g wit h s i mi l a r e q u i p me n t f a i l u r e s in o r d e r t o e x p e d i t e t h e p r o c e s s i n g e qu i p me n t f ai l u r e r a t e a n d i mp rov e t h e l e v e l o f s o lv i n g t h e h a r d wa re f a ult o f PL C s y s t e m． Ke y wo r d s c h e mi c al wa t e r t r e a t me n t ；mo du le；c o n t rol ler ；r e du n d an c y 0 引言 化学水处理是火电厂重要的生产过程之一，能够确保 化学水处理设备的可靠运行，同时保证补给水的质量，对 火电厂 的安全经济运行起着非常重要的作用。火 电厂水处 理主要 是指 给水处理 ，也就是锅 炉用水 的处理 。化学水 处 理的目的是预防电厂和其它装置热力设备结垢、腐蚀及结 盐，电厂中水、汽系统运行质量的好坏直接关系到锅炉、 汽轮机设备及其系统是否能够安全经济运行，严重时很有 可能导致不可逆转的腐蚀故障。因此，在火电厂中，水处 理系统的正常运行对保证发电厂安全、经济运行具有十分 重要的意义 。 本文介绍了高井热电厂化学水处理二期西门子P L C 控 制系统硬件故障处理过程中出现的问题和处理方法，并提 出一些观点和建议 。 1 化学水处理方法介绍 化学水处理方法是通过离子交换器中离子交换树脂吸 收水中溶盐的离子。离子交换器在运行了一段时间之后， 交换树脂将失效，需要进行再生，即还原。离子交换器包 括阳离子交换器 阳床、阴离子交换器 阴床 和混 合离子交换器 混床。在再生时，阳床以盐酸作为再生 剂，阴床以液碱 N a O H 作为再生剂，混床的再生则是通 过酸和碱同时注入 。 2 高井热电厂化学水控制系统简介 欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息 高井热电厂化学水处理系统承担着本厂6 台1 0 0 ]5 V 机组 补充水 ，是重要的辅助系统。高井热 电厂化学水控制系统 由超滤 、微滤、反渗透、一级除盐再生四个子系统组成。 此系统采用就地集中控制方式，每一个子系统都有一个P L C 主机，在化学水车间就地控制室设2 个操作员站，整个系 统通过采用T C P ／ I P 协议以太网组成一个控制系统。运行人 员通过控制网络在控制室内可以用操作员站的C R T 、键盘 ／ 鼠标对工艺过程 超滤、微滤、反渗透、一级除盐子系统 等进行监视和控制，实现对整个系统的集中控制。 化学水处理二期采用德国西门子公司P L C 控制系统， 控制系统主要分为上位机监控管理系统、下位机水处理控 制系统和就地仪表、泵、阀门等。上位机监控管理采用两 台研华6 l 0 H 工控机作为操作员站，其中一台操作员站兼顾 工程师站的所有功能。就地 电子问下位机水处理控制系 统，控制器冗余配置，型号为 7 - 4 0 0 ，通过各机架上的通 讯模件与各数采模件及控制模件保持通讯，来完成各种数 据的采集、处理、显示及对就地设备的启停控制 。 3 P L C 控制系统硬件故障及处理过程 3 ． 1 P L C 控制系统硬件故障发生情况 2 0 0 9 年1 2 月，高井热电厂化学水处理二期突发一起设 备全停故障，经重新开启后，一切恢复正常。2 0 1 0 年6 月， 此现象再次发生，系统恢复正常后设备控制系统稳定，未 发现任何异常状态，直至2 0 1 0 年8 月至9 月间，化学水二期 El C V o 1 ． 1 9 2 01 2 No 一 5 8 3 日检 维 日 设备全停故障越来越频繁 。热工人员 自2 0 1 O 年6 月开始对 P L C 控制系统硬件进行全方位检查，直至9 月底才彻底找到 原因，严重影响化学水处理二期正常运行的问题最终得以 解决 。 3 ． 2 P L C 控制系统硬件故障时的设备运行情况 发生硬件故障时，在运行人员C R T 监视画面中超滤反 洗泵A ／ B 、清水泵A ／ B ／ C 、一级高压泵A ／ B 、二级高压泵A ／ B 、 反浸透冲洗泵、中间水泵A ／ B ／ C 、除盐水泵A ／ B ／ C 、废水泵 A ／ B 以及淡水泵A ／ B ／ C 等均显示手动状态，原先运行的设备现 在均停止运行，但是监视画面中的模拟量均显示正常。 热工人员对逻辑组态中的各泵的控制逻辑进行 了分 析，发现逻辑中基本都是以顺序控制的方式对就地设备进 行 控制 ，也就 是说化学水 系统 的子系统 如一级反渗透 、二 级反渗透、E D I 、超滤等的启动和停止，都是按照一定的条 件 、顺序进行 工作 的。在 正常运行 时，若某个子系 统出现 问题，均会影响到其他子系统正常工作 。而在顺序控制逻 辑中，都是以各泵的运行状态作为判断各泵运行是否正常 的依据 ，即当某个泵 的运行状态消 失时 ，顺控逻辑 就会判 断此泵故 障，随 即停掉 该子系统 。因此若不能采集 到泵 的 自动运行信号 ，P L C 系 统逻辑则会判 断泵 为手动运行状态 ， 并显示为手动运行状态 。 3 ． 3 对P L C 系统硬件的检查和处理方法 3 ． 3 ． 1清 理和更换模件 2 0 1 0 年6 月末 ，当化 学水 二期第二 次出现设 备全停故 障后 ，首先怀疑是 由于整个直流2 4 伏供 电系 统有 问题造成 整个 系统模件 失电，进而 引发 整个系统全停 。我们首先更 换 了整个系统 的2 4 伏供 电装置 共计4 套，因为怀疑 可能 由于控制设备状态量的3 号机柜1 号机架上的三个开关量模 件S M 3 2 1 可能接触不良，于是在化学水二期设备停运时对这 三个模件进行了底板清理和模件更换。结果在2 0 1 0 年8 月至 9 月期间，此故障仍然频繁发生，说明故障原因不是供电装 置或模件原 因。 3 。 3 ． 2 切换冗余控制器 在 向西 门子公 司售 后进 行 了咨询 之 后 ，我们 了解 到 P L C 系统控制器若出现问题 ，也会造成类似情况发生。于 是热工人 员又对化学水 二期的冗余控制 器进行 了主、备切 换，问题依旧未能解决，故障仍然时有发生。 3 ． 3 ． 3更换通讯模件 西 门子 公司技术 人员提 出机架 中 的冗 余通讯模件 E T 一 2 0 0 M 若有故障，有时也会引起整个机架通讯故障，造成系 统无法检测到就地设备实际运行状态而出现类似故障。于 是热工人员又先后更换了3 号机柜1 号机架上的两个冗余E T 一 2 0 0 M 通讯模件，结果故障还是继续发生，未找到真正故障 原因 。 3 ． 3 ． 4 修改逻辑 ，监视机架 电压 8 4 EI C V o 1 ． 1 9 2 0 1 2 No ．5 器 麦用座 由于化学水二期的所有开关量点均在3 号机柜1 号机架 上的4 个D I 模件上，若D I 模件2 4 V 查询电压消失，则会导致 P L C 系统无 法监视 设备运 行状态 ，此 时逻辑会 判断 设备 故 障 ，运 行画面将显示 为手动状态 。因此 ，我们 决定对机架 底板 电压进行监视 ，以判断D I 模件2 4 V 查询 电压是否消火 。 由于化学水二期 的开关量点未进行过 历史归档 ，在 历 史趋势中无法查询所有就地设备 泵、阀门等 的运行趋 势。我们首先在机柜中各个机架上的S M 3 2 1 开关量模件备用 通道上人为加入了常闭接点信号 常为1 ，并将这些点加 入到历史数据归档中，作为机架 电压的监视点，以便在下 次故障发生后查询各机架模件运行情况。同时，用录波器 监视3 号机柜 1 号机架电压。 在9 月末最后一次化水二期系统全停故障发生后，我们 对各机架上的监视通道进行 了历史趋势查询，发现在系统故 障发生时，只有3 号机柜1 号机架的监视数据由1 变成0 ，并且 经过1 2 秒后恢复为l 。而录波器所监视的底板电压未出现异 常，说明D I 模件 的2 4 查询 电压未消失。如 图1 所示 。[二二二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 z 柜 号 机 架 l 2 秒 0 l 目 。 3 柜 号 机 架 t[ 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 柜 号 机 架 围1监视情况 由此可知 ，故障原 因出现在3 号机柜1 号机 架上 。故 障 发生后，热工人员在电子问核对3 号机柜l 号机架各模件状 态，发现此机架通讯模件E T 一 2 0 0 M 的主备状态 左备右主 与 其他机架 正好相 反 ，而其 他机 架E T 一 2 0 0 M 的主备 状态 与 P L C 系统控制器主备状态一致。通过查询西门子技术手册， 得知机架失 电后再重新上 电，无论原E T 一 2 0 0 M 的主备状态如 何 ，均会被 复归至左主右备 的原始状态 ， 由此我们可 以断 定是3 号机柜1 号机架通讯模件失电导致C P U 与D I 模件无法通 讯，而引起化学水二期设备全停故障 。 而 通讯 模件 电源 是 由机 架最 左端 的稳 压 电源 模件 提 供，因此可以断定，由于稳压电源模件出现了故障，造成 通讯模件不能正常工作，最终导致此机架上所有开关量信 号无法正常传输，造成系统全停故障。在更换了稳压电源 模件后，化学水二期系统再未发生过类似故障，问题得以 彻底解 决。 3 故障经验借鉴 在处理化学水二期设备全停故障过程中，有以下几方 面是我们热工人员需要认真总结和提高的地方。 转至P 7 9 置 麦 1 在安全区域划分上，通过防火墙实现逻辑边界控 制，实现了细粒度的安全区域划分。 2 通过分布式的结构，共享全网范围的安全信息，包 括防火墙、协议异常检测系统和基于主机的检测系统等， 扩大入侵检测范围，有利于安全信息的融合处理，有效地 解决了误报、漏报和重复报警问题，形成能体现入侵者行 为的报警线程，为响应决策提供有利支持。 3 多种类型的I D S 和防火墙进行配合，使系统具有较 好的扩展性 。 从以上特性可以看出，入侵检测与管理系统实现了对网 络入侵行为的检测，进一步处理网络安全信息，对入侵行为 进行风险评估和响应，动态、纵深地保护了网络的安全。 以后我们将实现框架中协议异常检测系统 P A D S ， 并继续完善P A D S 系统的功能，增加系统能够识别的协议类 型；扩展系统功能，增加基于主机的入侵检测能力，识别 合法用户的超权限操作，使系统具有实际使用价值。口 参考文献 [ 1 ]穆成坡，黄厚宽，田盛丰．入侵检测系统报警信息聚合与关联 日经验童逾日 技术研究综述[ J ] ．计算机研究与发展，2 0 0 6 ，4 9 1 卜8 ． [ 2 ]B a l a s u b r a m a n i y a n J S ， G a r c i a F e r n a n d e z J 0 ， I s a c o f f D ， e t a1 ． A n a r c hi t e c t u r e f o r i nt r u si o n d e t e c ti o n u si n g a u t o n o m o u s a g e n t s [ C ] ．T h e 1 4 t h A n n u a l C o m p u t e r S e c u r i t y A pp li ca t i o ns C o nf e r e nc e． P h o en i x ， A Z I E E E C o m p ut e r S o c i e t y ， 1 9 9 8 1 3 2 4． [ 3 ]D a s K u m a r ．P r o t o c o l a n o m a l Y d e t e c t i o n f o r n e t w o r k b a s e d i n t r u s i o n d e t e c t i o n[ 刚． G S E C P r a c t i c a l A s s i g n m e n t V e r s i o n i ． 2 f ， 2 0 01 ． 1 4 ]W a r r e n d e r C ， F o r r e s t S ， P e a r l m u t t e r B ． D e t e c t i n g i n t r u s i o n s u s i n g s y s t e m c a l l s a l t e r n a t i v e d a t a m o d e l s [ C ] ．P r o c o f 1 9 9 9 I E E E S y m p os i u m on S ec ur i t y a n d P ri v a c y． P i s c a t a w a y ， N J I E E E ， 1 9 9 9 1 3 3 1 4 5 ． [ 5 ]国家核安全局． H A F 1 0 2 ， 核动力厂设计安全规定 [ S ] ，北京 2 0 0 4 ． 作者简介 赵静 1 9 8 0 一 ，女，工学博士 ，从事计算机科学技术研 究谷鹏飞，男，工学硕士，从事核 电仪控系统设计；孙永滨，男， 研究员级高工，从事核 电仪控系统设计。 收稿 日期 2 0 1 2 - 0 6 一 1 0 接P 8 4 3 ． 1历史库中数据类型多样 由于历史库中数据类型单一，使我们在故障发生后不能 够通过历史趋势进行客观的分析判断，从而造成要因确认不 准确，导致多次故障处理失败。因此，历史库中所包含的数 据类型应该尽可能多，为故障发生后的分析工作提供方便。 3 。 2硬件分散布置 在对一个新工程进行设备组态时，尽量避免将反映设备 运行状态的信号全部集中在同一个模件或是同一个机架上， 应遵循硬件分散布置的原则，以免当某个模件故障或是机架 通讯故障时，引发整个系统故障，无形中扩大了故障范围。 3 ． 3 处理问题细致全面 在初期进行P L C 控制器主备切换后 ，再次发生故障 时，热工人员没有及时发现3 号机柜1 号机架通讯模件主备 状态与其他通讯模件主备状态相异的现象，也反应了热工 人员处理问题查找原因不够细致全面。 3 ． 4 及时处理发现的小问题 在初期发生故障时，就发现历史归档库中没有开关量 点，无法查询就地设备的运行状态，但是没有及时将数据 追加入历史库，为以后的故障处理带来不便。 4结束语 在消除化学水二期设备全停故障过程中，由于模件故障 呈现间歇性现象，正如在历史趋势中显示的，D I 信号所反映 的设备运行状态中断了1 2 秒又恢复了，时间极短，系统很快 欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息 就恢复正常，导致每次查找原因时系统均处于正常状态，而 正常状态时又无法查找原因。因此，经历了数月之久才最终 找到问题所在，虽然故障呈现间歇性现象，给查找故障原因 带来不小的麻烦，但是在整个故障处理期间，由于对西门子 P L C 系统知识掌握的局限性，从一开始我们就把问题扩大化 了，导致故障处理过程中走了不少弯路 。 通过这次故障的处理可知，在实际运行中，P L C 设备硬件 故障呈现多样化现象，需要我们不断掌握相关专业知识并总 结经验，采取合理的监测手段，采用正确的处理方法，快速 发现问题并解决问题，提高消除P L C 系统硬件故障的水平。口 参考文献 [ 1 ]张春生， 李岩， 赵继阳．电厂化学水处理D C S 的应用与研究[ J ] ． 应用能源技术．2 0 1 1 ， 5 1 5 ． [ 2 ]张华．P L C 技术在火电厂化学水处理程控系统中的应用 [ J ] ．中 国科技信息2 0 1 0 ， 1 7 1 0 5 - 1 0 6 ． [ 3 ]张春生．D C S 控制系统在电厂化学水处理过程中的应用和研究 [ D ] ．华北电力大学，2 0 1 i ． [ 4 ]孙慧， 王强．电厂化学水处理P L C 系统的实现 [ J ] ．自动化应用 ． 2 0 1 0 ， 8 3 2 3 4 ． [ 5 3胥力 ．P L C 在化学水处理系统中的应用 [ J ] ．科技信息．2 0 1 1 ， 3 3 6 3 3 6 4 ． 作者简介赵爱军 1 9 7 0 - ，男，助理工程师，从事热工仪表及控制系 统的研究。 收稿 日期2 0 1 2 - 0 6 2 1 日 C VO I ． 1 9 2 0 1 2 No ． 5 7 9