1 引言

河北鋼鐵集團宣鋼公司煉鋼廠百噸爐區(qū)始建于2001年,歷經多年來不斷的建設、改造和升級,目前已經建設成為一個工序完整、設備先進、生產穩(wěn)定的現代化廠區(qū)。其主要工藝設備包括:110t轉爐2座,120t轉爐1座,8機8流連鑄機2臺,12機12流連鑄機1臺,110t精煉爐1座,130t精煉爐 1座,900t、600t混鐵爐各1座,其他脫硫站、吹氬站、除塵風機、泵站等公輔設備完備齊全。

作為世界大型PLC控制系統(tǒng)供應商西門子自動化系列產品在本廠也得到了廣泛的應用,如脫硫站、精煉爐、一次除塵風機中壓變頻器等。在多年的使用過程中,使我們對大型自動化控制系統(tǒng)在冶金行業(yè)中的應用有了更進一步的了解,同時,一些看似無關卻又有著千絲萬縷聯系的故障又使我們在其中不斷學習、成長。本文主要對發(fā)生在本廠脫硫站和一次除塵風機中壓變頻器的兩起PROFIBUS-DP網絡干擾故障進行介紹、分析,使我們對西門子自動化設備尤其是現在日益發(fā)展的總線技術的使用和維護有了更新的認識。

2 故障案例

案例一:脫硫站故障解析

㈠ 設備簡介

本廠百噸爐區(qū)脫硫站建設于2004年,控制系統(tǒng)以西門子工控產品為主,整個系統(tǒng)由一套S7-400 主站加一套S7-300從站的PLC系統(tǒng)、一套MCGS HMI系統(tǒng)、以及兩臺MM440變頻器組成,軟件系統(tǒng)采用SIMATIC MANAGER管理器。其中PLC系統(tǒng)與HMI系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)主站與從站通訊均采用PROFIBUS-DP現場總線,變頻器控制采用硬線連接方式實現控制。控制程序采用常規(guī)STL、LAD、FBD編程語言。通過在MCGS控制畫面上設定鐵水重量、鐵水溫度、鐵水初始硫、鐵水終點硫等參數使用脫硫專家數據庫計算得出脫硫劑量及噴吹強度;上料控制、噴吹控制可采用全自動操作模式,實現一鍵式操作。

㈡ 故障經過

系統(tǒng)最初表現出來的故障為在脫硫站使用過程中,時不時發(fā)生S7-400 CPU報故障并自動將PLC狀態(tài)從運行切換為停止,待維護人員到達現場后,對CPU狀態(tài)進行重新切換為運行后,PLC又可以重新使用。而且隨著時間,發(fā)生該故障的頻率越來越高,直至最后根本無法正常使用。根據此種情況,維護人員到達現場后,與崗位操作人員溝通,決定分步實驗,以確定設備的具體故障部位,經過反復實驗,維護人員發(fā)現,PLC系統(tǒng)報故障的時機與脫硫站給噴槍供料時所操作的一個給料電機的動作關聯度很高。起初維護人員懷疑電機的主電源電路或電機存在問題,但簡單檢查后排除了這個可能,最后,結合SIMATIC MANAGER自帶的系統(tǒng)檢測功能顯示為系統(tǒng)中S7-300 PLC從站丟失,致使CPU報故障并且停機。維護人員在經過對從站PLC系統(tǒng)的通訊模塊的排除后,最終將注意力集中到了連接主站與從站的通訊電纜上,維護人員根據上述情況將連接兩個站之間的PROFIBUS-DP通訊線的路由進行了更換,馬上故障得到了排除。

案例二:一次除塵風機中壓變頻器故障解析

㈠ 設備簡介

本廠百噸爐區(qū)一次除塵風機建設于2001年,為三臺風機帶兩座轉爐,兩用一備。整個系統(tǒng)煙氣處理的工藝流程為:煙氣凈化—余熱鍋爐—一文重力脫水器—R-D除塵文氏管—90o彎頭脫水器—絲網脫水器—管道—插入式流量計—除塵風機—三通閥—水封逆止閥—煤氣柜。

為了達到環(huán)保節(jié)能的控制要求,系統(tǒng)選用了功能強大、維護簡便的西門子MV中壓變頻器,該變頻器具有強大的通訊功能,在風機除塵系統(tǒng)中,當風機進行速度變化時,可通過可編程序控制器(PLC)方便實現。該變頻器與PLC之間只需通過PROFIBUS通訊模塊和一根通訊電纜即可輕松連接,減少了操作臺及控制臺之間大量的電纜連接及因此帶來的諸多問題。但是使用通訊纜的弊端在此故障中也得以體現,那就是故障影響面較大。

㈡ 故障經過

此故障主要集中在一次除塵風機的2#風機變頻器,故障具體表現為風機在正常運行過程中,中壓變頻器報故障,并且每次所報的故障數量還比較多,一般都有五、六個之多,且故障類型復雜,有開關量檢測、模擬量檢測、通訊檢測方面等,鑒于此,維護人員判斷故障部位應在系統(tǒng)中的公共元器件上,根據經驗判斷,維護人員對中壓變頻器控制柜內的兩個24伏電源進行了更換,但故障仍沒有消除。就在此處理過程中,又報出了中壓變頻器的一個操作面板通訊故障,維護人員對操作面板的通訊線進行了檢查、處理,故障得到了排除。最后,經過長時間的跟蹤觀察,故障集中在一個ET200模塊機架和它檢測的兩個溫度上,并且也捕捉到了報故障時的狀態(tài),ET200與中壓變頻器的控制通訊板確實通訊有中斷,所以才導致了會報出通訊故障,所以維護人員還是先更比較容易處理的換 PROFIBUS-DP通訊電纜,更換之后,經過幾天的觀察,故障現象消失了。

3 故障分析

經過對兩起故障的現象、解決辦法、成因進行分析,我們可以確定這是兩起典型的由于干擾導致通訊中斷,從而影響整個系統(tǒng)正常運行的故障。但是在處理故障的整個過程中,比較困擾維護人員的問題是,這兩套系統(tǒng)都是運行了比較長時間的系統(tǒng),且最近在維護過程中,運行環(huán)境等客觀因素并未發(fā)生什么變化,怎么就會突然受到干擾呢?要想明白這個問題,還是讓我們先弄明白幾個問題。

3.1 干擾的類型

我們使用的系統(tǒng)各式各樣,我們受干擾的設備五花八門,所以干擾源也是千奇百怪,但大致總結起來,干擾的類型有以下幾種:

3.1.1 電源干擾

在很多時候,由于電源引入的干擾而造成PLC控制系統(tǒng)故障甚至停機的情況很多,控制系統(tǒng)一般由電網直接供電,由于電網通常覆蓋面廣,網內設備眾多,尤其是在電網運行環(huán)境及負荷發(fā)生變化時,如大型開關操作、大型設備啟停、交直流傳動裝置引起的諧波等,都會對電網產生直接影響,并通過電網傳輸到企業(yè)用電設備的進線端,導致電源質量大副下降,嚴重時還可以導致用電設備受到損害,所以在企業(yè)自動化設備的進線電源處一般都要加裝隔離裝置或凈化裝置,但起到的效果因為裝置的性能不同差別也很大[1]。[!--empirenews.page--]

3.1.2 信號干擾

在冶金行業(yè)的現場布線施工過程中,往往存在高壓大電流線路與信號線、通訊線相距很近,大負荷電氣設備的啟停頻繁等情況,此種情況極易引起信號線與通訊線周圍磁場產生迅速的變化,從而對線路信號的傳輸產生干擾。由此引入系統(tǒng)的干擾,會引起模擬量信號的不穩(wěn)定,開關量信號的工作異常,通訊數據的中斷,嚴重時會因為各類信號的不穩(wěn)定而導致通訊中斷、站點丟失甚至系統(tǒng)癱瘓,再甚者會對系統(tǒng)硬件產生不可恢復的傷害。

3.1.3 負載干擾

在控制系統(tǒng)中,往往具有很多具備儲能特性的負載,由于沒有加裝信號隔離裝置或者浪涌吸收器,當控制觸點切換時就將產生高于電源電壓數倍甚至數十倍的反電動勢,這會對系統(tǒng)中的相關設備產生較大的沖擊。

3.1.4 接地干擾

PLC控制盤柜與大地之間存在著電位差,規(guī)范而良好的接地系統(tǒng)可以減少由于這種電位差而引起的干擾電流?；烊胄盘柧€與通訊線纜的干擾,可通過接地線引入大地,從而減少干擾的影響。不合格的地線和不規(guī)范的接地方式通常是引起接地干擾的重要原因。

3.2 干擾的解決辦法

產生干擾的原因雖然很多,成因也很復雜,但處理起來也不是沒有辦法,要想把一套設備建好,用好,維護好,恐怕我們還要從防治干擾的角度做好以下這幾方面的工作:

3.2.1 設備選型要規(guī)范

在設備選型時,一定要首選抗干擾能力強的產品,生產廠家信譽高、技術力量雄厚的企業(yè)。

3.2.2 采用高質量的電源,有效抑制高頻諧波

采用高質量的電源是抑制電網干擾的一種極其有效的方法?，F在常用的UPS和凈化電源裝置都具有很強的干擾隔離性能,所以根據現場情況加裝必要的電源隔離裝置可以有效的抑制電網干擾,尤其是對高頻諧波。

3.2.3 規(guī)范施工

在設備安裝調試階段,規(guī)范施工,避免動力電纜與信號線(包括通訊線纜)在同一橋架內或同一層內混合鋪設、對重要部件及線纜進行屏蔽接地處理,濾波處理,加裝隔離裝置等都能有效的抑制干擾的產生。

3.2.4 正確規(guī)范的安裝、使用地線

接地是提高電子設備電磁兼容性的有效手段之一。正確規(guī)范的接地,既能抑制電磁干擾的影響,又能抑制設備向外發(fā)出干擾。

3.2.5 必要時加裝信號中繼器

現在個別大的自動化設備提供商,為了保證系統(tǒng)設備的高效運行,紛紛研發(fā)出了適合系統(tǒng)的信號中繼器,也有叫信號放大器的,可以有效的保證信號傳輸質量,提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

4 解決方案

根據以上分析,基本可以判斷出脫硫站控制系統(tǒng)的干擾源自于控制系統(tǒng)S7-400主站PLC與從站PLC連接的通訊電纜與噴鎂罐給料電機的電機線鋪設不規(guī)范,距離較近,所以會發(fā)生給料電機動作就會出現通訊中斷,CPU報故障的現象。一次除塵風機中壓變頻器則是連接中壓變頻器與ET200模塊的通訊纜連接不規(guī)范,屏蔽接地不牢固所致,所以會出現系統(tǒng)在運行過程中,通訊電纜受干擾而丟失子站報故障的現象。

針對這種情況,我們現場的維護人員對兩套系統(tǒng)的通訊電纜進行了徹底的檢查,并將通訊電纜嚴格按照抗干擾的標準進行了重新的接引、安裝,處理之后至今,兩套系統(tǒng)運行穩(wěn)定,再沒發(fā)生類似故障。

5 大型控制系統(tǒng)日?？垢蓴_維護注意事項

隨著大型自動化控制系統(tǒng)的不斷普及,尤其是總線技術的飛躍發(fā)展,隨之而來的要求我們現場的維護人員的技術能力越來越高,尤其是在系統(tǒng)抗干擾性能方面,所以從加強日常維護方面提一些注意事項,希望可以幫助大家開闊思路,有助于我們作好各類系統(tǒng)的維護工作:

5.1 在設備安裝、調試階段,就要抓好系統(tǒng)硬件的施工規(guī)范,這是一個系統(tǒng)的基礎,而且往往隨著時間的推移,這個先天的優(yōu)勢會越發(fā)突出;

5.2 在設備選型過程中,一定選擇產品信譽好,質量過硬,技術力量雄厚的企業(yè)。不盲目追求高等級、高規(guī)格、高價格的產品,但也不要一味追求經濟性,降低了系統(tǒng)的各項性能;

5.3 重視供電系統(tǒng)在系統(tǒng)中的作用,尤其是在大型工礦企業(yè)中,供電質量的優(yōu)劣可以對系統(tǒng)很多元件產生潛移默化的影響;

5.4 在日常維護過程中,一定要嚴把周期,定期為你的設備做相關檢查、清理、整理等工作,尤其是在設備運行環(huán)境不佳的企業(yè)中,不要怕麻煩,你為你的設備付出多少,它就給你回報多少;

5.5 在維護中不斷學習,不斷總結,問題總有新的,但一名聰明的維護人員總可以不斷的從新的問題中學習到新的知識,不斷提高自己的技術水平。

6 結束語

現在,大型自動化控制系統(tǒng)逐漸在進行著從“集中控制”到“分散控制”再到“現場控制”的演變,從“點對點”的數據傳輸方式到“總線”方式的數據傳輸的演變。近些年來,現場總線技術在各行各業(yè)的應用中得到了空前的發(fā)展,但是隨之而來的就是一根簡單的數據線、通訊電纜對于一個系統(tǒng)來說顯得更加重要,所以在實際應用過程中,我們要根據現場情況,準確判斷出干擾類型、干擾源,以最快速度排除故障,并且有效做好預防措施,這樣才能有效抑制干擾,保證我們所駕御的這些大型自動化設備正常、可靠的運行。

參考文獻:

[1] 李宏武.UPS故障分析[J].自動化應用,2012,(7),4-5.

[2] 西門子公司.S7-300可編程控制器硬件和安裝手冊[Z].2007:157-169.

[3] 西門子公司.S7-200可編程控制器系統(tǒng)手冊[Z].2003:20-23.