選礦廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)常見故障及維護(hù)分析

摘 要：隨著現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)的快速發(fā)展，自動(dòng)化控制系統(tǒng)在其中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。在選礦廠中，隨著自動(dòng)化水平的不斷提高以及生產(chǎn)過程控制技術(shù)的不斷成熟，要求自動(dòng)化控制系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性。對(duì)此，文章對(duì)ControlLogix控制系統(tǒng)和西門子S7-300 PLC的常見故障及出力對(duì)策進(jìn)行了分析，希望能夠?yàn)檫x礦廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)工作的開展提供一些參考。

關(guān)鍵詞：選礦；自動(dòng)化系統(tǒng)；故障；維護(hù)

1 控制器運(yùn)行緩慢

1.1 故障原因

系統(tǒng)采用美國(guó)A-B公司的CompactLogix1769作為PLC控制器，并外加1.5M內(nèi)存進(jìn)行擴(kuò)展。該控制器最大支持同時(shí)建立250個(gè)通訊連接，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)本地框架和遠(yuǎn)程框架中的I/O模塊的控制和組態(tài)。控制器的最大控制能力可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字量12800或者模擬量400點(diǎn)控制。碎礦控制系統(tǒng)能夠達(dá)到模擬量152點(diǎn)的控制能力?？刂破髟谶\(yùn)行過程中內(nèi)存占用率為40%左右，可以說系統(tǒng)仍然存在較為豐富的可用資源。而從實(shí)際運(yùn)行效果來看，控制器運(yùn)行速度非常緩慢，導(dǎo)致這一問題的原因主要是控制器提供了對(duì)生產(chǎn)和使用的連接方法進(jìn)行標(biāo)簽共享的功能，需要對(duì)生產(chǎn)標(biāo)簽和使用標(biāo)簽同時(shí)進(jìn)行連接。生產(chǎn)標(biāo)簽的數(shù)量在127個(gè)以下，使用標(biāo)簽的數(shù)量在250個(gè)以下，每個(gè)生產(chǎn)標(biāo)簽和使用標(biāo)簽的控制器都需要同時(shí)占用一個(gè)連接。而系統(tǒng)在使用過程中，未對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行及時(shí)的整理和修改，導(dǎo)致大量過期無(wú)用的標(biāo)簽被下載到CPU中，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)CPU的處理效率。

1.2 解決措施

在ControlLogix程序中，系統(tǒng)具有對(duì)各類標(biāo)簽進(jìn)行強(qiáng)制分類的功能。通過檢查發(fā)現(xiàn)其中存在15%長(zhǎng)期未被使用的標(biāo)簽。對(duì)此，通過對(duì)這些標(biāo)簽進(jìn)行刪除，并下載到PLC控制器，程序的上傳下載速度明顯提升，程序掃描響應(yīng)時(shí)間也有之前的3019μs降至1815μs，PLC內(nèi)存消耗也下降了大約10%左右。

2 MES數(shù)據(jù)中斷故障

2.1 故障原因

選礦過程控制級(jí)為分布式結(jié)構(gòu)，一共設(shè)置了控制站13個(gè)，分別對(duì)不同的工藝階段進(jìn)行控制，另外，還在控制中心以及辦公樓分別設(shè)置了監(jiān)控系統(tǒng)。所有控制站均通過現(xiàn)場(chǎng)冗余以網(wǎng)絡(luò)互連的方式控制各個(gè)控制站。通過網(wǎng)關(guān)將控制網(wǎng)和廠級(jí)信息網(wǎng)連接起來，同時(shí)將底層的生產(chǎn)信息和設(shè)備信息上傳到MES系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)在服務(wù)器中的互連。以太網(wǎng)屬于廠級(jí)信息網(wǎng)，由交換機(jī)實(shí)現(xiàn)與主干網(wǎng)絡(luò)的相互連接。通過以太網(wǎng)將各科室部門的子網(wǎng)絡(luò)連接起來，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)有效監(jiān)督管理。但是在以太網(wǎng)發(fā)生通訊故障之后，由于Ethernet網(wǎng)采用CSMA/CD作為主要數(shù)據(jù)訪問方式，如果發(fā)生訪問沖突，就會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)在傳輸過程中出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)管理層出現(xiàn)“失控監(jiān)控”的狀態(tài)，嚴(yán)重影響對(duì)生產(chǎn)過程的有效監(jiān)管。近一段時(shí)間以來，選礦廠以太網(wǎng)磨礦長(zhǎng)期占用100%的CPU資源，網(wǎng)絡(luò)頻繁發(fā)生中斷故障，導(dǎo)致控制設(shè)備的狀態(tài)信息無(wú)法正常向MES系統(tǒng)發(fā)送。

2.2 解決措施

首先，通過拔除以太網(wǎng)通信模塊，發(fā)現(xiàn)CPU的占用率仍然沒有變化，依然為100%。然后切斷整個(gè)網(wǎng)關(guān)機(jī)架的供電，CPU占用率仍然處于100%。最后將計(jì)量上傳計(jì)算機(jī)與MES系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)連接切斷，Ethernet模塊的CPU占用率迅速恢復(fù)正常水平，以太網(wǎng)的通信業(yè)恢復(fù)正常，MES數(shù)據(jù)傳輸恢復(fù)正常。通過這樣的方式發(fā)現(xiàn)計(jì)量上傳計(jì)算機(jī)發(fā)生軟件故障，主要可能由病毒引起，通過對(duì)計(jì)量上傳計(jì)算機(jī)進(jìn)行殺毒和軟件重裝之后解決故障。對(duì)此，建議定期殺毒或者直接通過獨(dú)立的PLC系統(tǒng)進(jìn)行控制，能夠有效類似故障的再次發(fā)生。

3 ControlNet網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度慢

3.1 故障原因

ControlNet網(wǎng)絡(luò)是基于OSI參考模型底層要求建立的一種新型通信網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行具有較高時(shí)間要求的控制信息的有效傳輸[2]。ControlNet網(wǎng)絡(luò)通過時(shí)間存取算法對(duì)信息的傳送進(jìn)行控制，即通過并行時(shí)間域多路存取算法，在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)雙薪間隔之間調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)的信息傳送機(jī)會(huì)。通過網(wǎng)絡(luò)刷新時(shí)間組態(tài)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)刷新間隔的重復(fù)頻率。網(wǎng)絡(luò)刷新時(shí)間為預(yù)定信息、未定信息以及維護(hù)信息傳送的時(shí)間總和。ControlNet網(wǎng)絡(luò)中包括本地網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)獨(dú)立的子網(wǎng)絡(luò)。兩個(gè)子網(wǎng)絡(luò)通過獨(dú)立的CNBR模塊分別與CPU框架連接起來。其中，本地網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)框架相距較近，可以利用阻抗為75Ω的同軸電纜相互連接；而在遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)中，一共只有三個(gè)框架，而且相互之間的距離較大，因此，通過光纜相互連接。三臺(tái)上網(wǎng)機(jī)均通過本地網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行掛載。從控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來看，網(wǎng)絡(luò)硬件的規(guī)劃不但能夠有效分配數(shù)據(jù)流量，提高系統(tǒng)性能，同時(shí)還有利于網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)。因此，可以排除網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的問題，將網(wǎng)絡(luò)速度緩慢的原因定位在網(wǎng)絡(luò)組態(tài)參數(shù)設(shè)置方面。

3.2 解決措施

根據(jù)前面的分析可以看出，要想提高帶寬的利用率，需要盡量減少用戶節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，以減少用戶預(yù)訂信息的總量，從而提高網(wǎng)絡(luò)刷新時(shí)間中預(yù)定信息傳送時(shí)間的消耗；通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)刷新時(shí)間的值進(jìn)行合理設(shè)置實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量的控制，同時(shí)使組態(tài)中的網(wǎng)絡(luò)截至配置符合系統(tǒng)的實(shí)際情況，從而提高網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度，具體按照下面的步驟進(jìn)行：首先，對(duì)系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)地址從01開始按照順序重新進(jìn)行排列，使用戶最大預(yù)定節(jié)點(diǎn)號(hào)從原來的30下降到14；其次，將網(wǎng)絡(luò)刷新時(shí)間的值適當(dāng)調(diào)高（從5ms增加到10ms），并適當(dāng)降低每個(gè)網(wǎng)絡(luò)間隔時(shí)間的值，降低網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量；最后，根據(jù)兩個(gè)子網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)重新配置網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)參數(shù)。在實(shí)際優(yōu)化過程中，需要通過Rsnetworx For ConrolNet軟件重新組態(tài)下載ControlNet網(wǎng)絡(luò)，從最終優(yōu)化的運(yùn)行參數(shù)來看，Peak.Scheduled的值比Avg.Scheduled的值更高，優(yōu)化結(jié)果良好。

4 處理器程序丟失

4.1 原因分析

選礦PLC控制系統(tǒng)采用西門子公司的S7-300PLC系統(tǒng)[3]。在使用過程中，系統(tǒng)共有十三個(gè)站點(diǎn)，工程師站和操作員站通過iFix組態(tài)軟件和STEP7編程軟件，實(shí)現(xiàn)建立磨礦過程控制模型，開發(fā)相應(yīng)的磨礦過程控制程序，實(shí)現(xiàn)磨礦分級(jí)控制的作用；其中有兩個(gè)控制站出現(xiàn)了處理器丟失故障，導(dǎo)致設(shè)備全部被迫停止運(yùn)行。選礦控制系統(tǒng)是通過對(duì)原有電氣設(shè)備改造之后形成的，各個(gè)控制站的安裝位置在很大程度上會(huì)受到電磁站分布位置的影響。大部分控制站均采用了與低壓柜分離安裝的方式進(jìn)行安裝，只有發(fā)生故障的兩個(gè)控制站采用非分離方式安裝。因此，這兩個(gè)控制站的低壓側(cè)中的變頻器對(duì)控制站設(shè)備產(chǎn)生了強(qiáng)烈的電池干擾，導(dǎo)致控制站處理器程序丟失。對(duì)其具體原因進(jìn)行分析，主要總結(jié)了兩個(gè)方面的原因，具體如下：第一，電磁信號(hào)干擾。PLC控制系統(tǒng)接地電阻過大，接地電阻螺絲發(fā)生松動(dòng)或者銹蝕，同時(shí)還可能是PLC控制系統(tǒng)周圍存在會(huì)產(chǎn)生高頻電磁輻射的設(shè)備，影響PLC的正常工作；第二，內(nèi)存儲(chǔ)器板開關(guān)接觸不良。PLC主控器內(nèi)存儲(chǔ)器板開關(guān)、DIP開關(guān)電池通斷開關(guān)、定時(shí)器開關(guān)、內(nèi)存容量選擇開關(guān)等開關(guān)接觸不良時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致處理器程序丟失。

4.2 解決措施

從上面的分析可以看出，第一種故障現(xiàn)象主要為外界電磁干擾，針對(duì)這一原因進(jìn)行分析，在其它控制站中也存在大量的變頻器，而處理器程序并未出現(xiàn)丟失問題，這主要是由于PLC控制站和低壓柜之間分開安裝，電磁干擾較少；而第二種故障原因則需要加強(qiáng)日常維護(hù)檢修工作，避免出現(xiàn)開關(guān)接觸不良的情況。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過文章的分析可以看出，隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。在選礦廠中，自動(dòng)化控制系統(tǒng)涉及到各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的控制，其穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)保證生產(chǎn)安全、生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率具有重要作用。因此，需要加強(qiáng)日常巡檢維修工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)存在的問題，確保自動(dòng)化控制系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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[3]謝瓊澤.選礦廠自動(dòng)化系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)[J].金屬材料與冶金工程，2009（3）：65-67.