兩起西門子PROFIBUS-DP網(wǎng)絡干擾故障解析

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(jīng)多年來不斷的建設、改造和升級,目前已經(jīng)建設成為一個工序完整、設備先進、生產(chǎn)穩(wěn)定的現(xiàn)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(chǎn)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(lián)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(wǎng)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(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)場總線,變頻器控制采用硬線連接方式實現(xiàn)控制?？刂瞥绦虿捎贸Ｒ?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(shù)使用脫硫專家數(shù)據(jù)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(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(xiàn)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(jù)此種情況,維護人員到達現(xiàn)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(jīng)過反復實驗,維護人員發(fā)現(xiàn),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(lián)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(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,維護人員根據(jù)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(wǎng)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(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機的2#風機變頻器,故障具體表現(xiàn)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(shù)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(jù)經(jīng)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(jīng)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(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(wǎng)直接供電,由于電網(wǎng)通常覆蓋面廣,網(wǎng)內設備眾多,尤其是在電網(wǎng)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(wǎng)產(chǎn)生直接影響,并通過電網(wǎng)傳輸?shù)狡髽I(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]。