摘要：某4*660MW火电厂在进行公用系统电气倒闸操作过程中，化学制水系统发生监控画面数据丢失、就地设备全部停运异常事件，热工人员现场检查发现主、备PLC控制器显示屏均报Halt故障，通过认真细致的排查发现了基建期遗留的电源回路隐患、PLC内部时钟问题等，本文介绍本次异常分析与处理过程，表明PLC控制系统设计、参数配置的严谨性及定期维护的重要性。
关键词：数据丢失；故障；电源回路；内部时钟
1 概述
某4*660MW火电厂化学制水系统采用施耐德MODICON 67160系列可编程控制器（PLC）控制，设计为双机热备，CPU、电源、网络均为冗余配置，I/O模件选用16点DI/DO模件，8点AI模件，4点AO模件, 配置中各模件备用点有15%裕量。
主要用于对该厂3套超滤、一二级反渗透、混床数据采集和处理、画面监视、参数越限报警、系统故障自诊断、程控控制等功能。
2 异常现象
2018年01月17日17:30，该厂1号机组检修主控人员按计划进行电气倒闸操作，在切换净水变电源A路至B路，断开A路投入母联过程时，辅控监盘人员发现化学制水系统PLC监视画面显示异常，数据大面积丢失，几十秒后部分状态恢复，现场排查发现设备全部停运，上位机画面设备状态与就地设备实际状态不一致。
化水PLC控制系统电源设计为双路220VAC供电，主、副两路电源先送至电源柜背部进线端子排，经过端子排中转扩展带不同负载，主要负载为CPU柜及各I/O柜CPS电源模块、现场设备双电源切换装置两大类，如下图1所示。
热工人员到现场后，检查CPU柜及各I/O柜CPS双路电源均正常供应，但主、备用CPU均报Halt报警（禁止输出），其他卡件状态未见异常，介于异常发生在电源倒闸操作时，怀疑因电源回路存在故障导致主、备CPU同时发生故障。
图1 化水PLC控制系统电源设计
对PLC控制系统电源进行切换，发现以下问题：
1）断开主电源负载空开1MZK（为CPU柜主机架左侧CPS卡1ZKA、副机架左侧CPS卡2ZKA上口总电源空开及各I/O柜左侧CPS电源），发现主机架左侧CPS卡、副机架左侧CPS卡和主机架右侧CPS卡均失电，其中主机架右侧CPS卡为异常失电，正常情况下此电源模块不应该失电；
2）断开副电源负载空开2MZK（为CPU柜主机架右侧CPS卡2ZKA、副机架右侧CPS卡2ZKA上口总电源空开及各I/O柜右侧CPS电源），发现主机架右侧CPS卡、副机架右侧CPS卡和副机架左侧CPS卡均失电，其中辅机架左侧CPS卡为异常失电，正常情况下此电源模块不应该失电；
3）分别单独断开电源空开1ZKA（主机架左侧CPS卡）、2ZKA（副机架左侧CPS卡）、1ZKB（主机架右侧CPS卡）、2ZKB（副机架右侧CPS卡）四个空开，四块CPS卡件均断电正常，证明两套热备PLC机架冗余供电CPS卡件电源空开L线接线无问题。
3 原因分析
3.1 电源回路问题分析
通过上述切换试验现象，明显发现电源回路存在异常，正常情况下，断开主电源空开，应当主、副机架左侧CPS电源模块均失电，右侧CPS正常供电；断开副电源空开，应当主、副机架右侧CPS电源模块失电，左侧CPS正常供电。
通过分析发现，四块CPS卡L线接线正常，电源回路异常原因为主机架右侧CPS卡与副机架左侧CPS卡N线存在异常。
在端子排处倒换主机架右侧CPS卡与辅机架左侧CPS卡N线后，再次进行上述试验，断开电源空开1MZK，主机架左侧CPS卡、副机架左侧CPS卡正常失电，主机架右侧CPS卡未失电；断开电源空开2MZK，主机架右侧CPS卡、副机架右侧CPS卡正常失电，副机架左侧CPS卡未失电。
试验结果证明主机架右侧CPS卡与辅机架左侧CPS卡N线确实接反。
3.2 PLC控制器Halt故障分析
查询PLC控制器CPU、网络通讯模块硬件信息，CPU型号为：140CPU67160，版本信息：PV18 OS2.5 COPRO2.5，网络通讯模块型号为：140NOE77101，版本信息：SV4.2。
施耐德PLC系统CPU出现Halt（禁止输出）故障的可能原因主要有以下几种：
1）内部逻辑中错误调用了Halt命令；
2）内部位%S78被设置、赋值为开关量1时，程序执行过程中报错，可能原因有：除法中分母为0、数据溢出等；
3）CPU内部警戒时钟溢出（Watchdog overflow）。当最长的扫描周期超过警戒时钟且维持两个周期及以上时，CPU会自动报出Halt（禁止输出）故障。
因Halt状态下无法正常连接CPU进行故障诊断，且现场急于恢复设备运行，热工人员对主、副CPU进行断电、上电后，PLC恢复正常，监视画面设备状态经过核实与就地一致，恢复正常运行工况。
使用组态软件Unity Pro连接CPU程序逐页检查逻辑未调用Halt命令、%S78设置为0，因此排除了前两种可能性。
查看CPU警戒时钟默认值为：250ms，当前扫描周期为70ms，最短扫描周期22ms，最长扫描周期236ms。
因CPU重新上电启动后，所记录的扫描周期信息为当前扫描信息，无法追溯到故障瞬间的扫描周期，因而无法直接判断本次主、副CPU同时Halt原因。
但从当前的最大扫描周期236ms来看，已经非常靠近警戒时钟定值，初步结论即：化水系统CPU报出Halt（禁止输出）故障因为在电气倒闸操作时扫描周期超过警戒时钟周期并且持续了两个周期以上。
咨询施耐德技术人员，CPU扫描时间超过看门狗时间引起，造成超时发生Halt的可能性主要有：网络故障导致NOE模块占用CPU引起超时、其它位置可能导致主副CPU数据同步异常而引起的超时；且CPU冷启动后，Halt发生时诊断视图显示触发的时间和原因都会丢失。
因此推断，本次化水主、副CPU同时Halt原因可能为，副CPU在电气倒闸操作中因网络或其它异常引起运算超时，造成Halt，同时，主CPU同样因此问题发生Halt。未进行切换的原因为副CPU实际上同时或早于主CPU发生超时问题。
4 防范措施
针对本次PLC系统CPU控制器Halt异常，通过以下几个方面进行防范：
1）适当增大警戒时钟时间
虽然断电、上电冷启动CPU后没有提供故障时间点的时钟信息，但可以大致判定引起CPU故障的原因为当时扫描周期超过了250ms，适当调大警戒时钟时间（例如至500ms），可以提高系统的可靠性；
2）DO输出点自定义为保持上次值
可以根据现场工艺需求，将Halt时归“0”的指令信号，自定义为“保持上次值”。
3）升级硬件版本
该厂基建投产后近10年，所使用硬件版本较陈旧，当前施耐德最新版本NOE为6.0，CPU为4.3 OS3.13；
4）合理设计PLC控制逻辑
该厂PLC控制逻辑基建阶段设计不合理，存在一些冗杂无用程序段，经过合理删减，对逻辑进行瘦身，降低控制器运算周期；
5）增大子站保留时间
子站保留时间是PLC子站CRA模块与主站CRP模块之间通讯I/O数据（以同轴电缆方式通讯）在CPU中状态保留的一个时间判据，当子站与主站通讯断线超过设定值，则NOE卡件Error指示灯点亮报警，CPU内部数据会丢失而初始化，当通讯异常修复，数据会自动恢复，但一些开关量信号点可能发生翻转，若逻辑中设计有联锁保护，则极大可能引起联锁保护误动。该厂2013年1月7日曾发生过因此项参数设置不合理导致的辅助设备误跳闸。
旧版本CPU配置子站保持时间默认为300ms，设置偏小，存在一定隐患，增大至1200ms，如下图2；
图2 子站保持时间提示信息
6）加强PLC控制系统的定期维护
该厂PLC系统主要用于辅助控制系统，投产后常年运行、缺乏维护，不像主机DCS控制系统可以结合机组检修定期做电源网络切换试验、控制器内存卡格式化清理垃圾文件等工作，存在一定的管理缺位，目前热工人员认识到工作不足之处，已制定了可行的维护计划。
5 结论
施耐德67160双机热备CPU广泛应用于火电厂辅控系统中，通过对本起PLC控制系统异常的深入分析，查明了该厂化水控制系统电源回路存在的错误，分析出了PLC控制器Halt故障的触发原因，并指明了日常维护中的不足和防范措施。
可以看出PLC控制系统设计、参数配置是非常严谨、细致的工作，且必须做到定期维护以保证设备的可靠性。
参考文献：
[1]施耐德昆腾PLC热备系统手册[M].施耐德电气有限公司.2012.07:20页
[2] DT/T 659-2006火力发电厂分散控制系统验收测试规程[S] 5页
[3]张兵初．电厂脱硫系统PLC故障原因分析及优化改造[J]．科技视界.2013年第31期329页
论文作者:费飞飞
论文发表刊物:《电力设备》2018年第10期
论文发表时间:2018/7/26
标签：电源论文; 机架论文; 异常论文; 控制系统论文; 周期论文; 主机论文; 故障论文; 《电力设备》2018年第10期论文;