兩起西門子PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)干擾故障解析

1 引言

河北鋼鐵集團(tuán)宣鋼公司煉鋼廠百噸爐區(qū)始建于2001年,歷經(jīng)多年來不斷的建設(shè)、改造和升級,目前已經(jīng)建設(shè)成為一個(gè)工序完整、設(shè)備先進(jìn)、生產(chǎn)穩(wěn)定的現(xiàn)代化廠區(qū)。其主要工藝設(shè)備包括:110t轉(zhuǎn)爐2座,120t轉(zhuǎn)爐1座,8機(jī)8流連鑄機(jī)2臺,12機(jī)12流連鑄機(jī)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(fēng)機(jī)、泵站等公輔設(shè)備完備齊全。

作為世界大型PLC控制系統(tǒng)供應(yīng)商西門子自動化系列產(chǎn)品在本廠也得到了廣泛的應(yīng)用,如脫硫站、精煉爐、一次除塵風(fēng)機(jī)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(yīng)用有了更進(jìn)一步的了解,同時(shí),一些看似無關(guān)卻又有著千絲萬縷聯(lián)系的故障又使我們在其中不斷學(xué)習(xí)、成長。本文主要對發(fā)生在本廠脫硫站和一次除塵風(fēng)機(jī)中壓變頻器的兩起PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)干擾故障進(jìn)行介紹、分析,使我們對西門子自動化設(shè)備尤其是現(xiàn)在日益發(fā)展的總線技術(shù)的使用和維護(hù)有了更新的認(rèn)識。

2 故障案例

案例一:脫硫站故障解析

㈠ 設(shè)備簡介

本廠百噸爐區(qū)脫硫站建設(shè)于2004年,控制系統(tǒng)以西門子工控產(chǎn)品為主,整個(gè)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(xiàn)場總線,變頻器控制采用硬線連接方式實(shí)現(xiàn)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(shè)定鐵水重量、鐵水溫度、鐵水初始硫、鐵水終點(diǎn)硫等參數(shù)使用脫硫?qū)＜覕?shù)據(jù)庫計(jì)算得出脫硫劑量及噴吹強(qiáng)度;上料控制、噴吹控制可采用全自動操作模式,實(shí)現(xiàn)一鍵式操作。

㈡ 故障經(jīng)過

系統(tǒng)最初表現(xiàn)出來的故障為在脫硫站使用過程中,時(shí)不時(shí)發(fā)生S7-400 CPU報(bào)故障并自動將PLC狀態(tài)從運(yùn)行切換為停止,待維護(hù)人員到達(dá)現(xiàn)場后,對CPU狀態(tài)進(jìn)行重新切換為運(yùn)行后,PLC又可以重新使用。而且隨著時(shí)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(jù)此種情況,維護(hù)人員到達(dá)現(xiàn)場后,與崗位操作人員溝通,決定分步實(shí)驗(yàn),以確定設(shè)備的具體故障部位,經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn),維護(hù)人員發(fā)現(xiàn),PLC系統(tǒng)報(bào)故障的時(shí)機(jī)與脫硫站給噴槍供料時(shí)所操作的一個(gè)給料電機(jī)的動作關(guān)聯(lián)度很高。起初維護(hù)人員懷疑電機(jī)的主電源電路或電機(jī)存在問題,但簡單檢查后排除了這個(gè)可能,最后,結(jié)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(bào)故障并且停機(jī)。維護(hù)人員在經(jīng)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(hù)人員根據(jù)上述情況將連接兩個(gè)站之間的PROFIBUS-DP通訊線的路由進(jìn)行了更換,馬上故障得到了排除。

案例二:一次除塵風(fēng)機(jī)中壓變頻器故障解析

㈠ 設(shè)備簡介

本廠百噸爐區(qū)一次除塵風(fēng)機(jī)建設(shè)于2001年,為三臺風(fēng)機(jī)帶兩座轉(zhuǎn)爐,兩用一備。整個(gè)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(wǎng)脫水器—管道—插入式流量計(jì)—除塵風(fēng)機(jī)—三通閥—水封逆止閥—煤氣柜。

為了達(dá)到環(huán)保節(jié)能的控制要求,系統(tǒng)選用了功能強(qiáng)大、維護(hù)簡便的西門子MV中壓變頻器,該變頻器具有強(qiáng)大的通訊功能,在風(fēng)機(jī)除塵系統(tǒng)中,當(dāng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行速度變化時(shí),可通過可編程序控制器(PLC)方便實(shí)現(xiàn)。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(xiàn),那就是故障影響面較大。

㈡ 故障經(jīng)過

此故障主要集中在一次除塵風(fēng)機(jī)的2#風(fēng)機(jī)變頻器,故障具體表現(xiàn)為風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行過程中,中壓變頻器報(bào)故障,并且每次所報(bào)的故障數(shù)量還比較多,一般都有五、六個(gè)之多,且故障類型復(fù)雜,有開關(guān)量檢測、模擬量檢測、通訊檢測方面等,鑒于此,維護(hù)人員判斷故障部位應(yīng)在系統(tǒng)中的公共元器件上,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷,維護(hù)人員對中壓變頻器控制柜內(nèi)的兩個(gè)24伏電源進(jìn)行了更換,但故障仍沒有消除。就在此處理過程中,又報(bào)出了中壓變頻器的一個(gè)操作面板通訊故障,維護(hù)人員對操作面板的通訊線進(jìn)行了檢查、處理,故障得到了排除。最后,經(jīng)過長時(shí)間的跟蹤觀察,故障集中在一個(gè)ET200模塊機(jī)架和它檢測的兩個(gè)溫度上,并且也捕捉到了報(bào)故障時(shí)的狀態(tài),ET200與中壓變頻器的控制通訊板確實(shí)通訊有中斷,所以才導(dǎo)致了會報(bào)出通訊故障,所以維護(hù)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(jīng)過幾天的觀察,故障現(xiàn)象消失了。

3 故障分析

經(jīng)過對兩起故障的現(xiàn)象、解決辦法、成因進(jìn)行分析,我們可以確定這是兩起典型的由于干擾導(dǎo)致通訊中斷,從而影響整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的故障。但是在處理故障的整個(gè)過程中,比較困擾維護(hù)人員的問題是,這兩套系統(tǒng)都是運(yùn)行了比較長時(shí)間的系統(tǒng),且最近在維護(hù)過程中,運(yùn)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(gè)問題,還是讓我們先弄明白幾個(gè)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(shè)備五花八門,所以干擾源也是千奇百怪,但大致總結(jié)起來,干擾的類型有以下幾種:

3.1.1 電源干擾

在很多時(shí)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(jī)的情況很多,控制系統(tǒng)一般由電網(wǎng)直接供電,由于電網(wǎng)通常覆蓋面廣,網(wǎng)內(nèi)設(shè)備眾多,尤其是在電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境及負(fù)荷發(fā)生變化時(shí),如大型開關(guān)操作、大型設(shè)備啟停、交直流傳動裝置引起的諧波等,都會對電網(wǎng)產(chǎn)生直接影響,并通過電網(wǎng)傳輸?shù)狡髽I(yè)用電設(shè)備的進(jìn)線端,導(dǎo)致電源質(zhì)量大副下降,嚴(yán)重時(shí)還可以導(dǎo)致用電設(shè)備受到損害,所以在企業(yè)自動化設(shè)備的進(jìn)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?yàn)檠b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(xiàn)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(fù)荷電氣設(shè)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(chǎn)生迅速的變化,從而對線路信號的傳輸產(chǎn)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(guān)量信號的工作異常,通訊數(shù)據(jù)的中斷,嚴(yán)重時(shí)會因?yàn)楦黝愋盘柕牟环€(wěn)定而導(dǎo)致通訊中斷、站點(diǎn)丟失甚至系統(tǒng)癱瘓,再甚者會對系統(tǒng)硬件產(chǎn)生不可恢復(fù)的傷害。

3.1.3 負(fù)載干擾

在控制系統(tǒng)中,往往具有很多具備儲能特性的負(fù)載,由于沒有加裝信號隔離裝置或者浪涌吸收器,當(dāng)控制觸點(diǎn)切換時(shí)就將產(chǎn)生高于電源電壓數(shù)倍甚至數(shù)十倍的反電動勢,這會對系統(tǒng)中的相關(guān)設(shè)備產(chǎn)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(chǎn)生干擾的原因雖然很多,成因也很復(fù)雜,但處理起來也不是沒有辦法,要想把一套設(shè)備建好,用好,維護(hù)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(shè)備選型要規(guī)范

在設(shè)備選型時(shí),一定要首選抗干擾能力強(qiáng)的產(chǎn)品,生產(chǎn)廠家信譽(yù)高、技術(shù)力量雄厚的企業(yè)。

3.2.2 采用高質(zhì)量的電源,有效抑制高頻諧波

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

3.2.3 規(guī)范施工

在設(shè)備安裝調(diào)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(nèi)或同一層內(nèi)混合鋪設(shè)、對重要部件及線纜進(jìn)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(chǎn)生。

3.2.4 正確規(guī)范的安裝、使用地線

接地是提高電子設(shè)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(shè)備向外發(fā)出干擾。

3.2.5 必要時(shí)加裝信號中繼器

現(xiàn)在個(gè)別大的自動化設(shè)備提供商,為了保證系統(tǒng)設(shè)備的高效運(yùn)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(zhì)量,提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4 解決方案

根據(jù)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(jī)的電機(jī)線鋪設(shè)不規(guī)范,距離較近,所以會發(fā)生給料電機(jī)動作就會出現(xiàn)通訊中斷,CPU報(bào)故障的現(xiàn)象。一次除塵風(fēng)機(jī)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(xiàn)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中,通訊電纜受干擾而丟失子站報(bào)故障的現(xiàn)象。

針對這種情況,我們現(xiàn)場的維護(hù)人員對兩套系統(tǒng)的通訊電纜進(jìn)行了徹底的檢查,并將通訊電纜嚴(yán)格按照抗干擾的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了重新的接引、安裝,處理之后至今,兩套系統(tǒng)運(yùn)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(hù)注意事項(xiàng)

隨著大型自動化控制系統(tǒng)的不斷普及,尤其是總線技術(shù)的飛躍發(fā)展,隨之而來的要求我們現(xiàn)場的維護(hù)人員的技術(shù)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(qiáng)日常維護(hù)方面提一些注意事項(xiàng),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(hù)工作:

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

5.2 在設(shè)備選型過程中,一定選擇產(chǎn)品信譽(yù)好,質(zhì)量過硬,技術(shù)力量雄厚的企業(yè)。不盲目追求高等級、高規(guī)格、高價(jià)格的產(chǎn)品,但也不要一味追求經(jīng)濟(jì)性,降低了系統(tǒng)的各項(xiàng)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(zhì)量的優(yōu)劣可以對系統(tǒng)很多元件產(chǎn)生潛移默化的影響;

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

5.5 在維護(hù)中不斷學(xué)習(xí),不斷總結(jié),問題總有新的,但一名聰明的維護(hù)人員總可以不斷的從新的問題中學(xué)習(xí)到新的知識,不斷提高自己的技術(shù)水平。

6 結(jié)束語

現(xiàn)在,大型自動化控制系統(tǒng)逐漸在進(jìn)行著從“集中控制”到“分散控制”再到“現(xiàn)場控制”的演變,從“點(diǎn)對點(diǎn)”的數(shù)據(jù)傳輸方式到“總線”方式的數(shù)據(jù)傳輸?shù)难葑?。近些年?現(xiàn)場總線技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)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(shù)據(jù)線、通訊電纜對于一個(gè)系統(tǒng)來說顯得更加重要,所以在實(shí)際應(yīng)用過程中,我們要根據(jù)現(xiàn)場情況,準(zhǔn)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(yù)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(shè)備正常、可靠的運(yùn)行。

參考文獻(xiàn):

[1] 李宏武.UPS故障分析[J].自動化應(yīng)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.