摘要：崖城氣田南山基地的ＥＳＤ系統是基于Rockwell Allen-Bradley PLC5來(lái)實(shí)現，該系統的可靠性和穩定性密切關(guān)系到南山基地的安全生產(chǎn)。近來(lái)南山ESD系統多次出現故障，該故障直接導致全廠(chǎng)區緊急關(guān)停，對安全生產(chǎn)造成了一定的影響。通過(guò)全面收集故障現象，深入分析故障現象，最終找到了原因，在不停輸的情況下，在線(xiàn)更換卡件，解決了該故障。關(guān)鍵詞：PLC；遠程I/O 鏈路；ASB 模塊；不停輸

    1 背景介紹

    中海油崖城氣田是目前國內最大的海上氣田，三亞南山基地是其陸地油氣處理基地，負責把海上送下來(lái)的油氣進(jìn)行處理和銷(xiāo)售。整個(gè)基地處理高度集成，自動(dòng)化控制程度很高。自動(dòng)化控制系統由集散控制系統（DCS），緊急關(guān)斷系統（ESD）火警系統組成。ESD系統是氣田緊急關(guān)斷系統（Emergency shut down），也是設施保護系統，是基地油氣處理設施的重要組成部分，對于氣田的安全生產(chǎn)起到至關(guān)重要的作用。按照安全獨立原則要求，獨立于DCS集散控制系統，其安全級別高于DCS。

    2010年初，南山發(fā)生生產(chǎn)關(guān)斷和緊急關(guān)斷。維修儀表人員前往中控室，上線(xiàn)ESD系統PLC 程序，發(fā)現在程序中輸入點(diǎn)從I:71/00---I:71/17；I:72/00---I:72/17；I:75/00(生產(chǎn)報警)，I:75/01(撤離)，I:75/02(緊急集合)，I:75/03(緊急關(guān)停)，---I:75/17 共3組數據48個(gè)開(kāi)關(guān)輸入點(diǎn)的值大部分為0，如一些液位開(kāi)關(guān)信號，來(lái)自倉庫火警系統關(guān)停信號。該3組數據均來(lái)自其對應的所有3塊數字輸入模塊，故產(chǎn)生了誤關(guān)停。根據生產(chǎn)恢復的需要，儀表在ESD系統PLC程序中將相關(guān)的開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)進(jìn)行了邏輯強制，操作并對相關(guān)模擬量的輸入點(diǎn)在旁通操作站進(jìn)行了旁通，按照程序進(jìn)行了記錄。至此，生產(chǎn)關(guān)斷和緊急關(guān)斷得以復位。因為，控制斷塞流捕集器和減壓站上兩個(gè)SDV-2102和SDV-2123的輸出點(diǎn)是掛在ESD系統遠程I/O機架的輸出模塊上的，當遠程I/O適配器ASB模塊與PLC處理器通訊故障時(shí)，輸出點(diǎn)無(wú)法帶電，只能到現場(chǎng)進(jìn)行操作，兩閥打開(kāi)。而銷(xiāo)售計量撬 SDV-4033能夠正常打開(kāi)，因為控制SDV-4033的輸出點(diǎn)是掛在另一個(gè)遠程I/O機架輸出模塊上的，這個(gè)遠程I/O機架和PLC 處理器通訊正常?；謴蜕a(chǎn)后，現場(chǎng)人員對有通訊問(wèn)題的遠程I/O機架進(jìn)行了斷電，然后上電的復位操作后，兩塊輸出卡上電，程序里輸入點(diǎn)的值與現場(chǎng)輸入卡的點(diǎn)的狀態(tài)一致，PLC處理器掃描到了遠程機架 I/O中的輸入輸出，遠程適配器ASB 模塊ACTIVE狀態(tài)燈由閃綠變?yōu)槌＞G，及時(shí)恢復了ESD系統。

    類(lèi)似故障現象在2008年和2009年也出現過(guò)多次，同一遠程機架 I/O不定期失效的根本原因還有待進(jìn)一步排查。

    2 故障現象收集

    2.1 故障現象一

   遠程 I/O 機架適配器ASB模塊上的三個(gè)狀態(tài)指示燈的狀態(tài)分別為：

    ACTIVE：綠色閃爍；

    ADAPTER FAULT：滅；

    I/O RACK FAUL：滅。

    查找PLC 手冊，該警報描述為：Remoteadapter not actively controlling I/O; 引起該警報可能的原因：Processor is in program or testmode; Scanner is holding adapter module in faultmode.

    正常的狀態(tài)應分別為：

    ACTIVE：常綠；

    ADAPTER FAULT：滅；

    I/O RACK FAUL：滅，如圖1所示。

                
                                         圖1 ASB remote I/O adapter 模塊

    2.2 故障現象二

    通過(guò)檢查遠程I/O機架輸出卡輸入卡件狀態(tài)，發(fā)現說(shuō)明其對應的來(lái)自現場(chǎng)的變送器模擬信號，液位開(kāi)關(guān)，壓力開(kāi)關(guān)，手動(dòng)按鈕，SDV的限位開(kāi)關(guān)，來(lái)自倉庫火警系統 PLC關(guān)停警報信號在卡件上的顯示燈均正常，為閉合帶電狀態(tài)。但是在PLC 程序數據文件中，發(fā)現其對應的值卻為0，正常應為1。說(shuō)明現場(chǎng)的設備本身均為正常，只是PLC處理器無(wú)法掃描到這些遠程I/O，在程序數據表里值為0。

    2.3 故障現象三

    通過(guò)檢查遠程I/O機架輸出卡上的輸出點(diǎn)對應的紅色狀態(tài)燈全部為滅的狀態(tài)，說(shuō)明沒(méi)有電壓信號輸出到閥門(mén)和馬達。但是在程序數據表中發(fā)現這些輸出點(diǎn)對應的值為1。說(shuō)明遠程I/O機架輸出卡無(wú)法通過(guò)remoteI/O 鏈路通訊電纜接收到處理器中這些狀態(tài)為“1“的輸出指令，如圖2所示.
      
                             
                                          圖2 故障時(shí)的遠程I/O機架輸入輸出卡

    2.4 故障現象四

    在PLC程序中發(fā)現：channel status的1B口的Rack7和Rack10顯示F， F即表示該 Rack為fault。有故障的遠程I/O機架均為Rack7和Rack10。1B口為remote I/O scanner通信口，連接的為remote I/O 適配器。并發(fā)現Rack7和Rack10有很多的retries，其他的rack均為0 個(gè)retries，如圖3所示。
     
                    
                          圖3 故障時(shí)在FPS 程序中顯示的scanner channel的狀態(tài)

    2.5 故障現象五

    恢復生產(chǎn)后，PLC 處理器上的CH1的1B通信口的狀態(tài)燈為“綠色閃爍” 。正常應該為常綠。1B通信口是用來(lái)連接remote scanner 和remote I/O adapter 的，如果出現“綠色閃爍” ，說(shuō)明at least one remote adapter is faulted or failed。hhhhhhhh可能的原因：power off at remote rack or communication cablebroken。在做好相關(guān)的旁通和邏輯強制后，對故障遠程I/O 機架進(jìn)行斷電然后上電的復位操作后，以上的故障現象立即消失，ESD系統工作正常。

    根據以上的5個(gè)最直觀(guān)的現象，現在可以得出的結論是：故障遠程I/O 機架的輸入和輸出卡是完全正常的。問(wèn)題就在于PLC處理器掃描不到故障遠程I/O 機架致使處理器和該遠程I/O 機架無(wú)法通訊，導致了緊急關(guān)?！，F在要做的工作就是查找，故障遠程I/O 機架間接性出現故障的根本原因。

    3 故障分析

   可能處理器和故障遠程I/O 機架 remote I/O鏈路通信出現了故障。有可能是受到了一些噪聲干擾，比如大功率的馬達或者電焊機突然啟動(dòng)或者通信電纜信號屏蔽線(xiàn)損壞等。這個(gè)可能性還是存在的。驗證該可能性是否存在，只要調查當天發(fā)生故障時(shí)該區域進(jìn)行的相關(guān)作業(yè)就可以。通過(guò)檢查歷史作業(yè)記錄，發(fā)現發(fā)生故障時(shí)并沒(méi)有類(lèi)似的操作。并且故障時(shí)，發(fā)現Rack10和Rack11 remoteI/O 工作正常。因為所有的rack是前后串接，所以就說(shuō)明通信電纜是沒(méi)有問(wèn)題的。至于終端電阻，標準配置為82歐姆，與處理器掃描器處的終端電阻相等。終端電阻大小選擇與通信波特率、通信距離以及處理器的版本系列號等因素有關(guān)。終端電阻是為了消除在通信電纜中的信號反射，保證信號的通訊質(zhì)量。在remote I/O鏈路通信過(guò)程中，有兩種原因導致信號反射：阻抗不連續和阻抗不匹配。阻抗不連續，信號在傳輸線(xiàn)末端突然遇到電纜阻抗很小甚至沒(méi)有，信號在這個(gè)地方就會(huì )引起反射。這種信號反射的原理，與光從一種媒質(zhì)進(jìn)入另一種媒質(zhì)要引起反射是相似的。消除這種反射的方法，就必須在電纜的末端跨接一個(gè)與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻，使電纜的阻抗連續。由于信號在電纜上的傳輸是雙向的，因此，在通訊電纜的另一端可跨接一個(gè)同樣大小的終端電阻。引起信號反射的另個(gè)原因是數據收發(fā)器與傳輸電纜之間的阻抗不匹配。這種原因引起的反射，主要表現在通訊線(xiàn)路處在空閑方式時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )數據混亂。要減弱反射信號對通訊線(xiàn)路的影響，可以通過(guò)在兩端跨接兩個(gè)匹配的終端電阻來(lái)消除。前兩次出現故障時(shí)，均是更換了終端電阻，給故障機架進(jìn)行斷電，然后上電復位后上述故障現象消失。作為一個(gè)功率為0.5W的金屬鍍膜的電阻，才更換4個(gè)月左右的時(shí)間就會(huì )壞，這種可能性還是很小的，并且為什么2008年之前十幾年了沒(méi)有壞，最近今年卻連續“壞了”3次。所以從某種程度上來(lái)說(shuō)，這三次故障和終端電阻沒(méi)有什么直接的關(guān)系。還存在更深一層次我們沒(méi)有發(fā)現的根本原因。每次更換終端電阻不能解決根本問(wèn)題。

    如果故障遠程I/O 機架適配器ASB模塊自身不穩定，會(huì )造成這種故障。ASB 模塊本身就是介于故障遠程I/O 機架與處理器之間。以串行方式接收來(lái)自處理器的數據和向處理器發(fā)送數據；支持半槽、單槽，二槽I/O尋址，掃描機架里的槽位信息?；谇懊嬖敿毩信e的5個(gè)故障信息，都足以說(shuō)明是該適配器 ASB 模塊出現了故障。該5種故障現象與ASB 模塊的功能是完全匹配的。第5個(gè)故障現象就說(shuō)明了問(wèn)題在于其中某一個(gè)remote I/O，否則我們還會(huì )花更多的精力和時(shí)間去排除鏈路上的其他設備，或者處理器或者UPS電源等；現場(chǎng)的輸入信號均為1，但是輸入卡的信號無(wú)法發(fā)送到處理器，導致程序中對應的輸入點(diǎn)為0；程序中通過(guò)邏輯運行的輸出值與現場(chǎng)輸出卡對應的輸出點(diǎn)的狀態(tài)不相匹配，如程序中輸出為1，現場(chǎng)輸出卡卻為0；更直觀(guān)的是捕捉到了ASB模塊的故障診斷燈出現了綠色閃爍這一現象，說(shuō)明問(wèn)題的確是出在A(yíng)SB 模塊；第4個(gè)故障現象也說(shuō)明了就是該Rack7和Rack10出現了fault，三次故障時(shí)均有該警報出現在程序中；綜合對以上5個(gè)故障信息的分析，基本上我們可以得出故障就位于已經(jīng)使用了十幾年的適配器 ASB 模塊上。至于A(yíng)SB 模塊的故障是何引起，我們調查了這三次故障的共同歷史背景信息，大概判斷可能是由于室內工況溫度較高，導致ASB模塊某些電子元件受高溫老化，工作穩定性下降。目前室內冷凝器工作正常，溫度控制恢復正常。

    4 故障解決方案

    故障原因確定后，接下來(lái)的工作就是解決該故障?？紤]到之前室內工況溫度較高，并且ESD 系統的重要性以及不影響生產(chǎn)的前提下在線(xiàn)更換ESD系統卡件的復雜性，現場(chǎng)計劃更換ASB 適配器模塊，同時(shí)一起更換已經(jīng)使用超過(guò)17年的機箱和電源模塊，確保ESD系統工作的高度可靠性和穩定性。由于A(yíng)B產(chǎn)品不支持熱插拔作業(yè)，所以該工作必須在遠程I/O機架完全斷電的前提下才能進(jìn)行；并且現有的新的ASB 適配器模塊均是E系列版本，在線(xiàn)使用的是D系列版本。換上新的機箱和ASB模塊，不能確定處理器能夠掃描到rack7和rack10。不同版本的硬件開(kāi)關(guān)組態(tài)又有不同的標準，如果硬件開(kāi)關(guān)組態(tài)不正確，將會(huì )導致ESD 系統無(wú)法工作。  
          
                    
            
                                圖4  機架背板開(kāi)關(guān)組態(tài)設置方法  

    鑒于以上3點(diǎn)考慮，得出該項工作有3個(gè)最大的技術(shù)難點(diǎn)：

     （1）保證整個(gè)機箱斷電后，生產(chǎn)和設備運行不能受到影響。因為斷電后，會(huì )導致此機箱內所有I/O置0，從而導致全廠(chǎng)區關(guān)停。

    （2）由于A(yíng)SB模塊系列版本號升級后，其中硬件開(kāi)關(guān)組態(tài)標準發(fā)生了變化。機箱母板和ASB 模塊等的硬件開(kāi)關(guān)設置比較復雜。

    （3）如果換上去新的ASB模塊，出現處理器無(wú)法掃描到這張卡件的情況，就必須得在PLC程序中將其模式切換到PROGRAM來(lái)進(jìn)行AUTO CONFIGURE，這樣就會(huì )出現整個(gè)ESD系統輸出置0，全廠(chǎng)區關(guān)停。這個(gè)風(fēng)險我們必須考慮并準備有控制措施。

    針對以上3個(gè)技術(shù)難題，我們的解決方案是：

     （1） 為了保證生產(chǎn)的穩定和連續，對于輸入信號，我們可以在PLC 程序中進(jìn)行邏輯強制和旁通，對于輸出信號，由于失電，對于比較重要的關(guān)斷閥，可以在現場(chǎng)進(jìn)行手動(dòng)強制打開(kāi)；對于比較重要的需要一直運轉的馬達聯(lián)鎖信號，可以在MCC開(kāi)關(guān)柜里面將繼電器進(jìn)行臨時(shí)跳接。對于消防泵，由于失電，可能會(huì )誤啟動(dòng)，可以將其中切換到OFF狀態(tài)，現場(chǎng)守候。為了保證不遺漏任何一個(gè)輸入輸出點(diǎn)，打印出來(lái)所有I/O點(diǎn)，核對每一個(gè)點(diǎn)并和操作一起檢查其旁通、邏輯強制等措施。同時(shí)，由于該區域保護系統已經(jīng)臨時(shí)失效，需要有專(zhuān)門(mén)人員進(jìn)行巡檢，并隨時(shí)與中控溝通。

    （2） 嚴格按照AB 手冊對其進(jìn)行硬件開(kāi)關(guān)組態(tài)設置。其設置方法如圖4圖5所示。其中圖4為機架背板開(kāi)關(guān)組態(tài)設置方法，圖5為ASB模塊S1&S2開(kāi)關(guān)組態(tài)設置方法。

    （3）通過(guò)認真研究AB手冊以及和Rockwell 廠(chǎng)家溝通，最終確認，如果是增加或者減少一個(gè)機箱的話(huà)，的確要在PROGRAM的模式下進(jìn)行AUTO CONFIGURE，將會(huì )導致整個(gè)ESD系統關(guān)停。我們本次作業(yè)時(shí)更換ASB模塊，沒(méi)有改變其在remote I/O通訊鏈路上的rack地址，也沒(méi)有增加或減少機架，不需AUTOCONFIGURE。在驗證該結論的過(guò)程中，所投入的精力最多，也是當時(shí)最難確定的。

    最終落實(shí)以上3個(gè)技術(shù)方案后，于2010年3月30日在連續生產(chǎn)的前提下，成功地對更換了故障遠程I/O機架的機箱，ASB和電源模塊。至今，ESD系統工作正常，沒(méi)有出現類(lèi)似故障。
  
              

                                 圖5 ASB模塊S1&S2開(kāi)關(guān)組態(tài)設置方法  

    5 結論
   
     ESD系統再沒(méi)有出現類(lèi)似故障，說(shuō)明故障得到徹底解決，也證明只要有正確的方法，深入細致的故障診斷和充分的準備，在不停輸的情況下可以做到在線(xiàn)更換AB PLC-5 遠程I/O 機箱卡件。

    參考文獻：

    [1] Cat. No 1771-ASB Series D Remote I/O Adapter Module User Manual,ALLEN-BRADLEY[Z].ROCKWELL INTERNATIOANL COMPANY, 1995

     [2] Cat. No 1771-ASB Series E Remote I/O Adapter Module User Manual,ALLEN-BRADLEY[Z].ROCKWELL INTERNATIOANL COMPANY, 2000

     [3] PLC-5 Family Programmable Controllers Hardware Installation Manual,ALLEN-BRADLEY[Z].ROCKWELL INTERNATIOANL COMPANY, 2000

     [4] Data Highway/ Data Highway Plus/ Data Highway II Cable InstallationManual, ALLEN-BRADLEY[Z].ROCKWELL INTERNATIOANLCOMPANY, 1994

     黃若平(1982-)

     男，湖北荊州人，本科，2005年畢業(yè)于長(cháng)江大學(xué)自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，工學(xué)學(xué)士學(xué)位，現任中海油崖城氣田高級儀表師，主要從事于作業(yè)公司儀表和控制系統的現場(chǎng)技術(shù)工作。

     王回綏（1984-）男，甘肅靜寧人，本科，現任中海油崖城氣田中級儀表師，主要從事于作業(yè)公司儀表和控制系統的現場(chǎng)技術(shù)工作。  

     摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第十一期