Analyse des défaillances du système PLC
Un automate programmable industriel (API) est principalement composé d’une unité centrale de traitement (CPU), d’interfaces d’entrée/sortie (E/S), d’une interface de communication et d’autres composants. La CPU constitue le cœur de l’API ; les E/S assurent l’interface entre l’équipement de terrain et la CPU, tandis que l’interface de communication permet la connexion avec le programmateur et l’ordinateur central. Dans un API monobloc, tous les composants sont installés dans le même boîtier. Dans un API modulaire, chaque module est conditionné séparément et relié aux autres modules par un bus. Ces modules sont montés sur un rack ou un rail.
Les pannes des systèmes de contrôle PLC se divisent en deux catégories : les pannes logicielles et les pannes matérielles. Un système PLC comprend un processeur central, un boîtier principal, des boîtiers d’extension, des modules d’E/S et les équipements réseau et externes associés. Les équipements de contrôle de production sur site incluent les ports d’E/S et les équipements de test, tels que les relais, les contacteurs, les vannes, les moteurs, etc.
1. Défaillance du logiciel de l’automate programmable
L’automate programmable possède une capacité d’autodiagnostic. En cas de dysfonctionnement d’un module, il peut déclencher une alarme et réagir conformément à la procédure prédéfinie. Le voyant d’anomalie permet de confirmer ou d’infirmer le dysfonctionnement. Si l’alimentation électrique et les voyants sont normaux, notamment le signal d’entrée, mais que le système présente un dysfonctionnement (absence de sortie ou fonctionnement chaotique), il convient, conformément au principe de maintenance « du plus simple au plus complexe », de vérifier en premier lieu l’existence d’un problème dans le programme utilisateur.
Le programme utilisateur est stocké dans la mémoire RAM de l’automate programmable et est volatile. En cas de défaillance de la batterie de secours ou de coupure de l’alimentation électrique du système, le risque de perte ou de dysfonctionnement du programme est très élevé ; de fortes interférences électromagnétiques peuvent également provoquer des erreurs de programmation.
2. Défaillance matérielle de l’automate programmable
① Le port d’E/S de l’automate programmable est défectueux.
La défaillance du module d’E/S est principalement due à l’influence de diverses interférences externes. Il est donc impératif de l’utiliser conformément aux exigences d’utilisation et de ne pas le réduire arbitrairement. Il convient ensuite d’analyser les principaux facteurs d’interférence et d’isoler ou de traiter les principales sources d’interférence.
② Défaillance du système hôte PLC
A. Le système d’alimentation électrique est défectueux. En fonctionnement continu, la dissipation de chaleur et les fluctuations de tension et de courant sont inévitables.
B. Défaillance du système de réseau de communication. La communication et le réseau sont susceptibles d’être affectés par des interférences externes, et l’environnement extérieur est l’un des principaux facteurs de défaillance des équipements de communication externes. La détérioration du bus système est principalement due à la structure enfichable de l’automate programmable. L’utilisation prolongée de modules enfichables et déconnectables peut endommager localement la carte de circuit imprimé, la plaque inférieure, l’interface de connexion et d’autres composants du bus. Sous l’effet des variations de température et d’humidité ambiantes, du vieillissement du plastique du bus, du vieillissement des pistes imprimées et de l’oxydation des points de contact, d’autres facteurs peuvent entraîner une perte de connexion au bus système.
③ Défaillance de l’équipement de contrôle sur le terrain
A, relais, contacteur. Pour réduire ces pannes, il convient d’utiliser des relais haute performance, d’améliorer les conditions d’utilisation des composants et de réduire la fréquence de remplacement. En milieu difficile, les contacts du contacteur peuvent s’enflammer ou s’oxyder, puis se déformer sous l’effet de la chaleur jusqu’à devenir inutilisables.
B, vannes ou vérins et autres équipements. Une utilisation prolongée sans entretien, les pannes mécaniques et électriques sont la principale cause de défaillance, car les pièces clés de ces équipements présentent généralement un déplacement relatif important, ou nécessitent plusieurs étapes telles qu’une conversion électrique pour effectuer la conversion de position de la vanne ou du vérin, ou l’utilisation d’un actionneur électrique pour pousser et tirer la vanne ou le vérin, des liaisons mécaniques, électriques, hydrauliques et autres légèrement mal ajustées entraîneront des erreurs ou des pannes.
En cas de dysfonctionnement de certains composants ou équipements (interrupteurs, fins de course, dispositifs de sécurité, etc.), la cause peut être l’usure, l’utilisation prolongée ou la corrosion. Le dépannage de ces pannes repose principalement sur une maintenance régulière afin de maintenir l’équipement en bon état. Concernant les fins de course, notamment celles des engins lourds, outre la maintenance régulière, il convient d’intégrer des mesures de protection supplémentaires dès la conception.
D. Les sous-composants du système PLC, tels que les boîtes de jonction, les bornes de câblage, les boulons et les écrous, présentent des défauts. Ce type de défaillance est principalement dû au processus de fabrication de l’équipement lui-même, à son installation et à l’exposition prolongée à la chaleur et à la corrosion. D’après l’expérience, ce type de défaut est généralement difficile à localiser et à réparer. Par conséquent, l’installation et la maintenance de l’équipement doivent être réalisées conformément aux exigences d’installation, afin d’éviter tout risque potentiel.
E. Défaillance des capteurs et compteurs. Ce type de panne se traduit généralement par un signal anormal dans le système de contrôle. Lors de l’installation de tels équipements, la couche de blindage de la ligne de signal doit être correctement mise à la terre à une extrémité et être installée aussi loin que possible du câble d’alimentation, notamment du câble de sortie de l’onduleur, source de fortes perturbations. Un filtrage logiciel doit être mis en œuvre au sein de l’automate programmable.
Défaillance de la ligne F, alimentation, masse et bruit (interférence) sur la ligne de signal.
Analyse des cas de défaillance des systèmes PLC
1. Cas de panne matérielle d’un automate programmable
① un appareil pétrochimique Automate programmable Siemens (S7-300, CPU315-2DP) a soudainement cessé de fonctionner alors qu’il était en cours d’utilisation.
Vérification et analyse des pannes : contrôlez le voyant d’alarme, le programme et l’alimentation. Lors du contrôle de l’alarme, il s’avère que le voyant BAT du processeur est allumé. Lors du contrôle du programme, aucun mécanisme de dépannage pour les pannes de batterie n’a été trouvé. Dépannage : remplacez la batterie du processeur et gérez la panne de batterie dans le programme.
2. Une nuit, la communication entre l’automate programmable du compresseur et l’automate de commande principal a été brutalement interrompue. Le système de contrôle-commande principal a alors affiché une alarme d’interruption de communication. Les signaux des moteurs de la salle de commande du compresseur sont apparus en rouge (état d’arrêt) sur le système de contrôle-commande principal. Des signaux de débit, de pression, de température et autres, provenant également de la salle de commande du compresseur, ont été détectés, ainsi que des alarmes de seuil haut et bas. En raison de cette interruption de communication, certains verrous critiques de la salle de commande du compresseur n’ont pas pu être transmis au système de contrôle principal, entraînant l’arrêt complet de l’installation.
Inspection et analyse des pannes : Théoriquement parlant, il existe deux raisons principales à l’interruption de la communication entre l’automate programmable du compresseur et l’automate programmable de commande principal : l’une est que le logiciel n’est pas synchronisé ; l’autre est due à des défaillances matérielles telles que les cartes CP525 et les cartes CPU.
Commençons par l’aspect logiciel. L’opération de synchronisation a été effectuée sur l’automate de commande principal, et la communication a été forcée sur le 14e bit du mot de données DW13, mais sans succès. Il semble que la synchronisation de l’automate de commande principal ne soit pas en cause. La synchronisation a ensuite été effectuée sur l’automate du compresseur, en forçant la communication sur le 14e bit du mot de données MW10. La communication a alors été établie. Il est donc confirmé que l’interruption de communication entre l’automate et l’automate de commande principal du compresseur est due à une désynchronisation du programme du compresseur, elle-même causée par des interférences électromagnétiques externes.
Dépannage : Afin d’éviter la récurrence de telles pannes, le blindage de la salle de contrôle doit être renforcé et l’utilisation d’outils de communication tels que les téléphones portables est interdite dans la salle de contrôle.
③ Alarme lumineuse SF de l’automate programmable Siemens (S7-300)
Inspection et analyse des pannes : L’alarme du voyant SF indique un défaut au niveau de l’entrée. Dépannage : Vérifier le fonctionnement de chaque entrée. Lors de l’inspection, il s’avère qu’un transmetteur de température sur site ne reçoit aucun signal d’entrée ; le défaut disparaît après traitement.
④ L’extérieur d’un point d’entrée PLC n’est pas connecté (même si la ligne de connexion sur la borne d’entrée est démontée), mais le point d’entrée a en fait été connecté et le voyant d’entrée correspondant est allumé en continu. Analyse des pannes : Déterminez que les bornes adjacentes de la borne ont été connectées et qu’il y a de la limaille de fer entre les bornes d’entrée du PLC, ce qui entraîne la connexion du point d’entrée, ou que le point d’entrée a été endommagé.
Dépannage : Démontez le câblage de toutes les bornes d’entrée de l’automate programmable, constatez la présence de nombreux copeaux de fer sur le bornier d’entrée, soufflez sur les copeaux de fer présents sur les bornes, puis rebranchez le câblage ; le défaut est alors éliminé.
⑤ Système de contrôle PLC, carte d’entrée numérique SF, voyant rouge
Inspection et analyse de la panne : Après le rétablissement de l’alimentation de la carte, la panne persiste. Après le redémarrage de l’automate, le voyant de panne reste rouge. Par conséquent, après vérification des signaux reçus par la carte, un signal anormal a été constaté au niveau du commutateur. La mesure au multimètre a révélé une résistance de boucle infinie, indiquant une défaillance du commutateur de retour, détectée par la carte d’entrée numérique. Dépannage : Après le remplacement de la pièce défectueuse, le voyant de panne s’éteint.
⑥ La carte d’entrée analogique du système de commande PLC du granulateur a reçu le signal de terrain sur le DCS, indiquant l’infini
Inspection et analyse des pannes : L’analyse suggère que le câble de communication reliant le transmetteur de pression de terrain au boîtier de jonction est défectueux. Le câble est donc remplacé, mais le problème persiste. Après une inspection et une analyse minutieuses de la boucle complète, trois points potentiels sont identifiés : le transmetteur de pression lui-même, le câble de communication et la pince. Ces points sont écartés. Lors du démontage de la carte, un petit circuit intégré interne s’avère brûlé. Solution : Remplacer la carte.
⑦ Sur les deux automates programmables de secours, un seul peut fonctionner, l’autre restant toujours à l’arrêt.
Inspection et analyse des pannes : Coupez l’alimentation de l’ensemble de l’armoire de commande, puis démarrez simultanément deux automates programmables (ou un seul). Après consultation des données, il s’avère que les blocs fonctionnels OB70 et OB72 sont à l’origine des pannes de redondance. Sans ces deux blocs fonctionnels, la redondance du système est perdue et un seul automate peut fonctionner. Dépannage : Une fois les deux blocs fonctionnels insérés, le système de commande retrouve son fonctionnement normal.
2. Instance de défaut logiciel PLC
Un système de contrôle PLC qui a été arrêté pendant un certain temps ne peut pas être redémarré après sa mise sous tension.
Inspection et traitement des pannes : si le personnel de maintenance pense que le programme est erroné après l’inspection, il est naturel d’insérer la carte EPROM dans l’automate, de nettoyer le programme copié, de redémarrer après l’opération. Si la panne persiste, comme le programme n’est pas volumineux, on lit le programme sur l’EPROM un par un, et les instructions du manuel s’avèrent exactement les mêmes après vérification. La copie répétée est alors considérée comme une panne matérielle de l’automate.
Le programme de sauvegarde est appelé par le PG et comparé au programme stocké sur l’EPROM. Le résultat montre que la table des commandes est identique, mais que l’adresse de stockage du programme a changé. Après l’envoi du programme de sauvegarde à l’automate programmable, le dispositif fonctionne normalement. On constate que le programme sur l’EPROM comporte également une erreur ; un effacement suivi d’une réécriture résout le problème.
La probabilité d’une panne matérielle ou logicielle de l’automate programmable est très faible. Lors de la vérification, concentrez-vous sur les composants électriques périphériques. Les pannes d’automate sont généralement dues à des défaillances des signaux d’interface périphériques. Tant que certaines fonctions de contrôle de l’automate fonctionnent correctement, il n’y a pas lieu de suspecter un problème de programme. Si le programme d’exécution produit une sortie et que l’interface de l’automate ne produit aucune sortie, il s’agit d’un défaut du circuit d’interface. Les pannes matérielles sont plus fréquentes que les pannes logicielles et sont généralement causées par un signal externe inadéquat ou une défaillance d’un composant d’exécution, plutôt que par un problème du système lui-même.
La panne peut être déterminée en fonction de l’état des entrées et sorties de l’automate programmable. Les signaux d’entrée et de sortie de l’automate transitent par le canal d’E/S ; certaines pannes se reflètent sur ce canal. L’observation de l’état de l’interface d’E/S permet parfois d’identifier la cause de la défaillance.
L’automate programmable (PLC) possède une fonction d’autodiagnostic qui vérifie les pannes à partir des informations d’alarme, identifie la cause et détermine l’emplacement de la panne. Il s’agit également de la méthode de base pour diagnostiquer et résoudre les pannes de l’automate. Il faut d’abord déterminer si la panne est globale ou locale. Si l’ordinateur central affiche un dysfonctionnement de plusieurs composants de contrôle et génère de nombreuses alarmes, il convient de vérifier le module CPU, le module mémoire, le module de communication, l’alimentation et les autres composants essentiels.
L’expérience montre que la plupart des pannes des systèmes de contrôle PLC sont détectées par le programme PLC. Les actions du système de contrôle PLC s’exécutent dans un ordre précis ; en observant le processus de fonctionnement du système, en comparant la situation anormale à la situation normale, la plupart des anomalies peuvent être identifiées et la cause de la panne déterminée.
Certains défauts peuvent être directement affichés à l’écran sous forme de motifs d’alarme, tandis que d’autres, bien que comportant des informations d’alarme, ne reflètent pas directement la cause de l’alarme ; certains défauts ne produisent aucune information d’alarme, mais certaines actions ne sont pas exécutées ; dans les deux cas ci-dessus, le suivi du fonctionnement du programme PLC est un moyen efficace de vérifier le défaut.
