两起西门子PROFIBUS-DP网络干扰故障解析

1 引言

河北钢铁集团宣钢公司炼钢厂百吨炉区始建于2001年,历经多年来不断的建设、改造和升级,目前已经建设成为一个工序完整、设备先进、生产稳定的现代化厂区。其主要工艺设备包括:110t转炉2座,120t转炉1座,8机8流连铸机2台,12机12流连铸机1台,110t精炼炉1座,130t精炼炉 1座,900t、600t混铁炉各1座,其他脱硫站、吹氩站、除尘风机、泵站等公辅设备完备齐全。

作为世界大型PLC控制系统供应商西门子自动化系列产品在本厂也得到了广泛的应用,如脱硫站、精炼炉、一次除尘风机中压变频器等。在多年的使用过程中,使我们对大型自动化控制系统在冶金行业中的应用有了更进一步的了解,同时,一些看似无关却又有着千丝万缕联系的故障又使我们在其中不断学习、成长。本文主要对发生在本厂脱硫站和一次除尘风机中压变频器的两起PROFIBUS-DP网络干扰故障进行介绍、分析,使我们对西门子自动化设备尤其是现在日益发展的总线技术的使用和维护有了更新的认识。

2 故障案例

案例一:脱硫站故障解析

㈠ 设备简介

本厂百吨炉区脱硫站建设于2004年,控制系统以西门子工控产品为主,整个系统由一套S7-400 主站加一套S7-300从站的PLC系统、一套MCGS HMI系统、以及两台MM440变频器组成,软件系统采用SIMATIC MANAGER管理器。其中PLC系统与HMI系统、PLC系统主站与从站通讯均采用PROFIBUS-DP现场总线,变频器控制采用硬线连接方式实现控制。控制程序采用常规STL、LAD、FBD编程语言。通过在MCGS控制画面上设定铁水重量、铁水温度、铁水初始硫、铁水终点硫等参数使用脱硫专家数据库计算得出脱硫剂量及喷吹强度;上料控制、喷吹控制可采用全自动操作模式,实现一键式操作。

㈡ 故障经过

系统最初表现出来的故障为在脱硫站使用过程中,时不时发生S7-400 CPU报故障并自动将PLC状态从运行切换为停止,待维护人员到达现场后,对CPU状态进行重新切换为运行后,PLC又可以重新使用。而且随着时间,发生该故障的频率越来越高,直至最后根本无法正常使用。根据此种情况,维护人员到达现场后,与岗位操作人员沟通,决定分步实验,以确定设备的具体故障部位,经过反复实验,维护人员发现,PLC系统报故障的时机与脱硫站给喷枪供料时所操作的一个给料电机的动作关联度很高。起初维护人员怀疑电机的主电源电路或电机存在问题,但简单检查后排除了这个可能,最后,结合SIMATIC MANAGER自带的系统检测功能显示为系统中S7-300 PLC从站丢失,致使CPU报故障并且停机。维护人员在经过对从站PLC系统的通讯模块的排除后,最终将注意力集中到了连接主站与从站的通讯电缆上,维护人员根据上述情况将连接两个站之间的PROFIBUS-DP通讯线的路由进行了更换,马上故障得到了排除。

案例二:一次除尘风机中压变频器故障解析

㈠ 设备简介

本厂百吨炉区一次除尘风机建设于2001年,为三台风机带两座转炉,两用一备。整个系统烟气处理的工艺流程为:烟气净化—余热锅炉—一文重力脱水器—R-D除尘文氏管—90o弯头脱水器—丝网脱水器—管道—插入式流量计—除尘风机—三通阀—水封逆止阀—煤气柜。

为了达到环保节能的控制要求,系统选用了功能强大、维护简便的西门子MV中压变频器,该变频器具有强大的通讯功能,在风机除尘系统中,当风机进行速度变化时,可通过可编程序控制器(PLC)方便实现。该变频器与PLC之间只需通过PROFIBUS通讯模块和一根通讯电缆即可轻松连接,减少了操作台及控制台之间大量的电缆连接及因此带来的诸多问题。但是使用通讯缆的弊端在此故障中也得以体现,那就是故障影响面较大。

㈡ 故障经过

此故障主要集中在一次除尘风机的2#风机变频器,故障具体表现为风机在正常运行过程中,中压变频器报故障,并且每次所报的故障数量还比较多,一般都有五、六个之多,且故障类型复杂,有开关量检测、模拟量检测、通讯检测方面等,鉴于此,维护人员判断故障部位应在系统中的公共元器件上,根据经验判断,维护人员对中压变频器控制柜内的两个24伏电源进行了更换,但故障仍没有消除。就在此处理过程中,又报出了中压变频器的一个操作面板通讯故障,维护人员对操作面板的通讯线进行了检查、处理,故障得到了排除。最后,经过长时间的跟踪观察,故障集中在一个ET200模块机架和它检测的两个温度上,并且也捕捉到了报故障时的状态,ET200与中压变频器的控制通讯板确实通讯有中断,所以才导致了会报出通讯故障,所以维护人员还是先更比较容易处理的换 PROFIBUS-DP通讯电缆,更换之后,经过几天的观察,故障现象消失了。

3 故障分析

经过对两起故障的现象、解决办法、成因进行分析,我们可以确定这是两起典型的由于干扰导致通讯中断,从而影响整个系统正常运行的故障。但是在处理故障的整个过程中,比较困扰维护人员的问题是,这两套系统都是运行了比较长时间的系统,且最近在维护过程中,运行环境等客观因素并未发生什么变化,怎么就会突然受到干扰呢?要想明白这个问题,还是让我们先弄明白几个问题。

3.1 干扰的类型

我们使用的系统各式各样,我们受干扰的设备五花八门,所以干扰源也是千奇百怪,但大致总结起来,干扰的类型有以下几种:

3.1.1 电源干扰

在很多时候,由于电源引入的干扰而造成PLC控制系统故障甚至停机的情况很多,控制系统一般由电网直接供电,由于电网通常覆盖面广,网内设备众多,尤其是在电网运行环境及负荷发生变化时,如大型开关操作、大型设备启停、交直流传动装置引起的谐波等,都会对电网产生直接影响,并通过电网传输到企业用电设备的进线端,导致电源质量大副下降,严重时还可以导致用电设备受到损害,所以在企业自动化设备的进线电源处一般都要加装隔离装置或净化装置,但起到的效果因为装置的性能不同差别也很大[1]。[!--empirenews.page--]

3.1.2 信号干扰

在冶金行业的现场布线施工过程中,往往存在高压大电流线路与信号线、通讯线相距很近,大负荷电气设备的启停频繁等情况,此种情况极易引起信号线与通讯线周围磁场产生迅速的变化,从而对线路信号的传输产生干扰。由此引入系统的干扰,会引起模拟量信号的不稳定,开关量信号的工作异常,通讯数据的中断,严重时会因为各类信号的不稳定而导致通讯中断、站点丢失甚至系统瘫痪,再甚者会对系统硬件产生不可恢复的伤害。

3.1.3 负载干扰

在控制系统中,往往具有很多具备储能特性的负载,由于没有加装信号隔离装置或者浪涌吸收器,当控制触点切换时就将产生高于电源电压数倍甚至数十倍的反电动势,这会对系统中的相关设备产生较大的冲击。

3.1.4 接地干扰

PLC控制盘柜与大地之间存在着电位差,规范而良好的接地系统可以减少由于这种电位差而引起的干扰电流。混入信号线与通讯线缆的干扰,可通过接地线引入大地,从而减少干扰的影响。不合格的地线和不规范的接地方式通常是引起接地干扰的重要原因。

3.2 干扰的解决办法

产生干扰的原因虽然很多,成因也很复杂,但处理起来也不是没有办法,要想把一套设备建好,用好,维护好,恐怕我们还要从防治干扰的角度做好以下这几方面的工作:

3.2.1 设备选型要规范

在设备选型时,一定要首选抗干扰能力强的产品,生产厂家信誉高、技术力量雄厚的企业。

3.2.2 采用高质量的电源,有效抑制高频谐波

采用高质量的电源是抑制电网干扰的一种极其有效的方法。现在常用的UPS和净化电源装置都具有很强的干扰隔离性能,所以根据现场情况加装必要的电源隔离装置可以有效的抑制电网干扰,尤其是对高频谐波。

3.2.3 规范施工

在设备安装调试阶段,规范施工,避免动力电缆与信号线(包括通讯线缆)在同一桥架内或同一层内混合铺设、对重要部件及线缆进行屏蔽接地处理,滤波处理,加装隔离装置等都能有效的抑制干扰的产生。

3.2.4 正确规范的安装、使用地线

接地是提高电子设备电磁兼容性的有效手段之一。正确规范的接地,既能抑制电磁干扰的影响,又能抑制设备向外发出干扰。

3.2.5 必要时加装信号中继器

现在个别大的自动化设备提供商,为了保证系统设备的高效运行,纷纷研发出了适合系统的信号中继器,也有叫信号放大器的,可以有效的保证信号传输质量,提高系统运行的稳定性。

4 解决方案

根据以上分析,基本可以判断出脱硫站控制系统的干扰源自于控制系统S7-400主站PLC与从站PLC连接的通讯电缆与喷镁罐给料电机的电机线铺设不规范,距离较近,所以会发生给料电机动作就会出现通讯中断,CPU报故障的现象。一次除尘风机中压变频器则是连接中压变频器与ET200模块的通讯缆连接不规范,屏蔽接地不牢固所致,所以会出现系统在运行过程中,通讯电缆受干扰而丢失子站报故障的现象。

针对这种情况,我们现场的维护人员对两套系统的通讯电缆进行了彻底的检查,并将通讯电缆严格按照抗干扰的标准进行了重新的接引、安装,处理之后至今,两套系统运行稳定,再没发生类似故障。

5 大型控制系统日常抗干扰维护注意事项

随着大型自动化控制系统的不断普及,尤其是总线技术的飞跃发展,随之而来的要求我们现场的维护人员的技术能力越来越高,尤其是在系统抗干扰性能方面,所以从加强日常维护方面提一些注意事项,希望可以帮助大家开阔思路,有助于我们作好各类系统的维护工作:

5.1 在设备安装、调试阶段,就要抓好系统硬件的施工规范,这是一个系统的基础,而且往往随着时间的推移,这个先天的优势会越发突出;

5.2 在设备选型过程中,一定选择产品信誉好,质量过硬,技术力量雄厚的企业。不盲目追求高等级、高规格、高价格的产品,但也不要一味追求经济性,降低了系统的各项性能;

5.3 重视供电系统在系统中的作用,尤其是在大型工矿企业中,供电质量的优劣可以对系统很多元件产生潜移默化的影响;

5.4 在日常维护过程中,一定要严把周期,定期为你的设备做相关检查、清理、整理等工作,尤其是在设备运行环境不佳的企业中,不要怕麻烦,你为你的设备付出多少,它就给你回报多少;

5.5 在维护中不断学习,不断总结,问题总有新的,但一名聪明的维护人员总可以不断的从新的问题中学习到新的知识,不断提高自己的技术水平。

6 结束语

现在,大型自动化控制系统逐渐在进行着从“集中控制”到“分散控制”再到“现场控制”的演变,从“点对点”的数据传输方式到“总线”方式的数据传输的演变。近些年来,现场总线技术在各行各业的应用中得到了空前的发展,但是随之而来的就是一根简单的数据线、通讯电缆对于一个系统来说显得更加重要,所以在实际应用过程中,我们要根据现场情况,准确判断出干扰类型、干扰源,以最快速度排除故障,并且有效做好预防措施,这样才能有效抑制干扰,保证我们所驾御的这些大型自动化设备正常、可靠的运行。

参考文献:

[1] 李宏武.UPS故障分析[J].自动化应用,2012,(7),4-5.

[2] 西门子公司.S7-300可编程控制器硬件和安装手册[Z].2007:157-169.

[3] 西门子公司.S7-200可编程控制器系统手册[Z].2003:20-23.