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ControlLogix控制系统故障分析及处理

供稿:653A294E-B5E1-4E23-9DC7-BFE7D2FF483E 2004/11/18 14:46:00

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1、概述
  长兴发电有限公司一期工程2╳300MW机组输灰输渣程控系统采用美国AB公司的ControlLogix控制系统。PLC控制器采用32位总线的Logix5555,基本内存750K,扩展内存1.5M,通过SRM热备模块实现双CPU间的互为备用。控制系统各框架通过连接模块CNBR组成双通道冗余(ControlNet)网络,网络传输速率可达5M/秒。画面监控软件为ifix2.6中文版,采用OPC通讯方式通过上位机内置的1784-KTCX网卡连接到控制网上。该系统自2002年底投入运行以来,一直存在着较多问题,对正常生产带来了很大的影响和危害。主要表现在:控制器及网络响应速度慢,程序下载或上装时间长;通讯模块负荷率偏高,网络使用效率较低;网络经常中断,上位机扫描不到I/O点,出现大量“COMM”报警点,致使内存溢出而死机等。现就主要的几个问题及解决办法介绍如下:2、控制器运行缓慢
2.1原因分析
  作为AB公司的第三代控制产品Logix5555,不仅可以控制和组态本地框架内的I/O模块,还可以控制和组态网络上任何远程框架上的I/O模块,控制能力可达数字量128000点或模拟量4000点。输灰程控系统数字量为1552点,模拟量138点;控制器内存已使用619K,尚有66.2%的内存空闲。应该说系统硬件的可利用资源较为富裕。
  但在实际运行中,控制器运行速度缓慢,这是因为控制器采用生产(广播)和使用(接收)的连接方法来共享标签。生产和使用标签都需要进行连接,生产者(生产标签数)≤127个;客户(使用标签数)≤250个;每个生产者生产的标签本身占用一个连接,而且客户使用此标签的控制器也要占用一个连接。一个控制器所支持的整个标签组为:生产者标签数+客户标签数≤250。当生产者生产的标签数增加时,客户可使用的标签数则会相应减少。
  输灰程控系统程序经过几次大的修改,未能及时更新整理标签,造成CPU程序存在很多无用的标签,不仅占用了控制器的标签连接数,而且消耗控制器资源来处理无用标签的寻找与连接,使CPU处理速度减慢。2.2 解决方法
  在ControlLogix程序中,系统具有对未使用标签、生产者标签、客户标签、模块标签、已强制标签进行分类的功能,检查发现有近15%的标签一直未被使用过。对程序中无用标签进行删除并下载至PLC控制器,程序下载和上装速度明显加快,程序扫描时间由3019微秒降至1815微秒;PLC内存消耗也减少了近10%(559K)。3、CNBR模块CPU负荷率偏高,网络效率较低
  ControlLogix 系统中,PLC控制器专门负责数据处理,而数据采集、发送、缓冲和数据模式转换由CNBR模块完成。输灰程控系统中各CNBR模块CPU使用率一般都在30%以上,其中控制器框架内的CNBR模块CPU负荷率高达70%以上,当操作较多或在事故状态下,CPU长时间处满负荷运行。3.1 模块数据交换工作原理
  ControlLogix 控制系统的I/O数据交换采用生产者/用户方式,I/O模块不再是被动的数据承受者,而是主动的数据产生者,它们按照定义的刷新时间发送或接受数据。在控制器中,程序扫描和I/O扫描是分别进行的,I/O数据暂存在定义的数据缓冲区,程序扫描则引用缓冲区的数据。I/O数据的刷新时间完全地独立于程序扫描时间,它取决于模块信息传递方式。
  I/O模块的类型和框架位置决定了控制器数据缓冲区与I/O模块之间传递的信息方式。对处于本地框架模块:数字量输入模块可使用COS(change-of-state)方式,也可以指定为RPI(Requested-Packet-Interval)方式;模拟量输入模块则可采用实时采样(RTS)方式;对于输出模块(包括数字量和模拟量),在控制器发送数据后模块几乎可以立即接收到数据。
  对处于远程框架的模块,通过1756-CNBR模块将同一机架上的I/O模块的数据合并,构成了逻辑机架优化连接。该信息传递方式下,控制器与通讯模块之间建立单一连接,然后通讯模块与每个I/O模块建立连接,通讯模块以一定的方式采集来自同一框架的输入模块的数据存入CNBR数据缓冲区,再转换成控制器能接受的数据格式,打包后一起通过网络发送至控制器,数据经控制器处理后,发送至CNBR数据缓冲区再输出至相应模块。3.2 原因分析
  根据模块数据交换工作原理,数据交换效率在很大程度上取决于控制器数据缓冲区、CNBR模块和I/O模块的刷新时间设置值即RPI值。RPI (请求信息包间隔)是一种循环数据交换,用以指定控制器数据缓冲区与模块之间数据的交换速率,时间范围从200微秒到750毫秒。RPI值越小,控制器与各个模块数据的交换速度越快,消耗控制器资源及网络通讯模块CNBR的资源也就越多。对于本系统而言,有14个1756-CNBR通讯模块,近二千点的I/O点,CNBR和数字量模块的RPI值为5ms,模拟量输入模块为100ms,模拟量输出模块为25ms,由于开关量和模拟量无快速数据交换要求,设置值偏小,使CNBR负荷率上升。3.3 解决方法
  根据系统节点数、模块数、I/O点数以及硬件配置情况,在满足工艺要求的基础上,选用适当的RPI值。经过多次的试验,最后把所有的CNBR模块和数字量模块的RPI时间改为40ms,模拟量模块的RPI时间改为320ms。参数修改下载运行后,各CNBR模块的CPU负荷率明显下降,如下表所示:


4、ControlNet网络响应速度慢
4.1 系统 ControlNet网络结构


  如上图所示,ControlNet控制网络由两个互为独立的子网组成,即本地网和远程网。两个网络分别通过独立的CNBR模块接至CPU框架。本地网各框架间距离较近,采用75Ω同轴电缆连接;远程网有三个框架,距离超过1000M,采用光缆连接。三台上位机挂在本地网。4.2 网络速度缓慢原因分析
从上述网络拓朴结构分析,网络硬件的规划不仅有效的分配了数据流量,提高系统性能,而且有利于网络的维护,因此造成网络速度缓慢的原因应该在网络组态的参数设置上。
ControlNet网是一种符合开放系统互连(OSI)参考模型底层要求的新型通信网络,最重要的功能是传送对时间有苛刻要求的控制信息(即I/O状态和控制互锁),它通过时间限制存取算法来控制,即用并行时间域多路多路存取(CTDMA)方法,在每个网络刷新间隔(NUI)内调节节点的传送信息机会。通过网络刷新时间(NUT)来组态NUI重复的频繁程度。完整的NUT是预定信息、末预定信息和维护信息传送时间的总和。因此改善带宽利用率,就必须尽可能的减少用户预定节点数来减少预定信息量,提高NUT预定部分传送数据能力;通过合理设置NUT值来控制网络数据流量,同时使组态内的网络介质配置与系统实际情况相符合,以提高网络性能。4.3 解决对策
  根据原因分析,首先对系统各节点地址从01开始按顺序重新安排地址,使用户最大预定节点号由原来的30减小到14;适当增加NUT值(由5ms增加到10ms),减少NUI重复性,降低网络数据流量;修改网络介质配置,根据二个网络实际情况(一个为同轴电缆网,一个为光纤与同轴电缆混合网)分别进行详细配置。上述优化需用Rsnetworx For ControlNet软件对ControlNet网络进行重新组态并下载。优化结果如下:

5、结语
  通过上述性能优化操作,系统运行安全稳定,上述故障未再出现过。总体上来说,ControlLogix系统是一种先进的PLC控制系统,使用是简单而方便的,但整个控制系统硬件配置、网络组态和数据流的规划却是不可忽视的问题,在有大量数据交换的系统中显得尤其重要。参考文献
[1] 浙江大学罗克韦尔自动化技术中心编. 可编程控制器系统[M]. 浙江大学出版社,1999
[2] Logix5555 Controller User,s Manual. Rockwell International Corporation 作者简介:吴光富 (1972- ),男,工程师,毕业于华北电力大学,现就职于浙江长兴发电有限公司设备管理部,从事热工自动化工作。

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