门机变频器通讯故障的处理

一、概述          PLC(Programmable Logic Controller)作为新一代代工业控制计算机，因其具有体积小、功能强、通用性好、实用性强、硬件配套齐全、用户程序编程简单易学及维护方便等优点而广泛应用于工业领域。PLC 控制系统的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和经济运行，系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运 行的关键。自动化系统中所使用的各种类型PLC，有的是集中安装在 控 制室，有的是分散安装在生产现场的各单机设备上，虽然它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中,但PLC是专门为工业生产环境而设计的控制装置，具有高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力,因此一般不需要采取什么特殊措施就可以直接在工业环境使用, 但如果环境过于恶劣，如强磁场、强腐蚀、高粉尘、剧烈的冲击和振动，将不能保证PLC 正常、安全地运行。要提高PLC 控制系统可靠性，一方面要求PLC 生产厂家提高设备的抗干扰能力;另一方面，要求工程设计、材料选购,安装施工和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。因此,研究PLC 控制系统的抗干扰措施具有十分重要的现实的意义。          在现代化工厂企业,尤其象港口码头起重机械居多的行业, PLC控制变频器,获得良好的控制效果,满足生产工艺,已是主流。但在工控过程中,各种干扰也是客观存在,不容小觊的,港口生产多是起吊大型,重型货物(种),而港口起重机械又都是位能性负载控制,对人,机,货的安全要求甚于其他行业,在各种可造成安全事故的隐患,如人为因素,(技术不熟练)。机械因素,(机械老化)。环境因素(六级风停止作业……)。都有了良多的对策,而 PLC和变频器本身就是新的技术, PLC加变频器的控制模式是,一种新的工艺模式, 作为新生事物,肯定有超出理论范畴的新问题出现,在学习和使用PLC和变频器的过程中知道防各种电磁干扰的重要性,就要求工控人员随机,动态监测,及时发现故障,及时找出原因,及时针对性排除故障,保障生产安全及时顺利进行。本文针对一次因干扰引起的故障排除作详细分析。

二、案例及分析        2008年6月15日,六号门机报告故障:不来钩,(码头行业术语,起升工况没有下降),到现场继续向操作司机询问,无论选择开关打在单机还是双机,均是抽芯(码头行业术语:开闭)动作。操作面板故障指示灯显亮,PLC机架上sys红灯闪烁,支持制动接触器不动作,支持制动器没打开,此时考虑到PLC和变频器的稳定性,没有往此方面想。 只是考虑外围电器故障,于是查找外围电器。因该机故障,调度指令,将该机移出作业位置,换另一台门机到该位置作业,移动门机时才发现行走也不动作,门机行走是非工作性机构,和起升是共用变频器,起升和行走不能也不会同时工作,所以当时行走故障没有暴露,也就没有成为判断故障的一个参考信息。这时,根据门机的电控原理:门机四大机构,旋转,起升,行走,变幅,只有旋转根据港口作业特点,没有用变频器控制电机,是用的常规电器控制,即切电阻获得所需转速,因此旋转不存在通讯干扰问题,其他三大机构都用了变频器控制电机。可能存在通讯干扰问题,于是将四大机构都试一遍和分析的一样,旋转动作正常,变幅,行走,起升三大用变频器控制的机构都有故障,变幅,行走不动作,起升动作紊乱,初步判定是通讯引起的故障,于是从一开始报的起升故障入手,调出程序分析,  

图一 从图一看到m00027没有闭合,进一步查找，见图二，

图二

       至此,可以判定上述故障时因为通讯干扰引起。于是针对会引起通讯干扰和影响PLC 控制系统可靠性的主要因素及分析处理。PLC 装置本身是非常可靠的，而PLC 控制系统的干扰主要是外部环节和硬件配置不当所引起的。一是电源侧的工频干扰，如过压欠压、停电、浪涌下陷、降出、尖峰电压、射频干扰，它沿电源侵到PLC 装置，使系统工作不正常;二是传输线路中的静电或磁场耦合干扰，静电耦合是通过信号线与电源线之间的寄生电容，磁场耦合发生在很长的布线中的线间的寄生互感上;三是PLC 控制系统的接地系统不当引起的干扰。 PLC 控制系统中电磁场干扰来自空间的辐射干扰:空间的辐射电磁场主要是由电力网路、电气设备的启动、断开瞬间、雷电、雷达、高频感应加热设备等产生的电磁场对线路、导线、壳体上的辐射、吸收与调制，其分布极为复杂。若PLC 系统置于所射频场内，就会受到辐射干扰，其影响主要通过两条路径;一是直接对PLC 内部的辐射，由电路感应产生干扰;二是对PLC 通信网络的辐射，由通信线路的感应引入干扰。辐射干扰与现场动力设备布置及设备所产生的电磁场大小，特别是频率有关，一般通过设置屏蔽电缆和PLC 局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。 来自系统外引线的干扰主要通过电源和信号线引入，通常称为传导干扰。 来自电源的干扰实践证明，因电源引入的干扰造成PLC 控制系统故障的情况很多，为了抑制电网大容量设备起停引起的电网电压波动及工频干扰，一般采用隔离变压器和交流稳压器，并且进行滤波，所有屏蔽层均要良好接地,PLC 系统的正常供电电源均由电网供电，但由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上产生感应电压和电流。尤其是电网内部的变化，如开关操作浪涌、大型电力设备启停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，会通过输电线路传到电源原边。 来自信号线引入的干扰与PLC 控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信息之外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径;一是通过现场变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视;二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这是很严重的。由信号引入干扰会引起I/O 信号工作异常和信号检测精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动和死机。PLC 控制系统因信号引入干扰引起系统故障的情况也很多。         基于上述分析,我们当时能做的就是从接地入手。接地是提高电子设备电磁兼容性(EMC)的有效手段之一。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰;而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使P L C 系统将无法正常工作。         PLC 控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系统混乱对PLC 系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层必须一点接地，如果电缆屏蔽层两端A、B都接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层，当发生异常状态如雷击时，地线电流将更大。此外，屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内也会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。若系统地与其它接地处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布，影响PLC 内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC 工作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、程序紊乱或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降，引起对信号测控的严重失真和误动作。反映到外部电控就是动作紊乱,如本文所要分析处理的故障一样。在上述理论指导下将所有强,弱电接地都作了详细,细致的检查,维护,再次试机,故障现象如开始时一样依然存在。剩下可考虑到的就是通讯电缆不是优质产品,是可能产生干扰源的一个故障点,在不借助外援,不借助大型设备, 利用手头现有资料和设备的情况下,更换较为方便,投入不大, 换这根通讯电缆是可选的方案。于是更换了一根好的(进口的)紫色通讯电缆,这时通电试机,六号门机三大变频控制机构运行正常、良好。

三、结论         这次由于通讯电缆质量引起的通讯干扰造成的故障,用理论指导实际,圆满地解决了。这个故障的解决,对港口装卸生产效率有积极的意义,无法量化的效益,从生产上不应有此类故障的发生而耽误生产,从工控技术角度知道了该故障产生的机理和处理的对策,在之前人们认识到电磁干扰的存在和防电磁干扰的重要,大多是从安装工艺上着眼着手,忽视了材料,通过这次故障意识到在防电磁干扰这块对材料的要求同样重要。同时对该码头其他几台门机作了相应处理,杜绝了同样事故的发生而引起的安全隐患,从经济效益上避免了该型故障的突发而引起的人、机、货的伤害和损失。 （作者单位：南京港龙潭散货作业区）