西門子PLC 系統(tǒng)在軋鋼線常見故障處理的應(yīng)用

劉廷敏

（成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學(xué)院，四川成都 611130）

0 引言

某軋鋼廠電氣自動(dòng)化系統(tǒng)采用西門子SIMATIC S7-300/400 系列PLC 控制。該系列PLC 繼承西門子上一代PLC SIMATIC S5 系列穩(wěn)定、可靠和故障率低的精髓，將先進(jìn)控制思想、現(xiàn)代通信技術(shù)和IT 技術(shù)的最新發(fā)展集于一身。不斷創(chuàng)新的PLC 編程組態(tài)工具STEP7 采用SIMATIC 軟件的集成統(tǒng)一架構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)PLC 編程組態(tài)的易用性和友好性以及與上位機(jī)組態(tài)系統(tǒng)的集成統(tǒng)一性提供了一個(gè)功能強(qiáng)大、風(fēng)格一貫的軟件平臺。此外，SIMATIC S7-300/400PLC 集成的強(qiáng)大通信功能，是其得以成功的另一個(gè)重要方面。憑借集成統(tǒng)一的通信，SIMATIC S7-300/400PLC 在實(shí)現(xiàn)車間級、工廠級、企業(yè)級乃至全球企業(yè)鏈的生產(chǎn)控制與協(xié)同管理中起到中堅(jiān)作用[1]。西門子SIMATIC S7-300/400 系列PLC，廣泛用于軋鋼生產(chǎn)線。

1 軋鋼生產(chǎn)線控制系統(tǒng)構(gòu)成

某軋鋼廠軋線PLC 核心系統(tǒng)由西門子S7-400PLC 構(gòu)成，下設(shè)粗軋S7-400PLC 和中、精軋S7-400PLC 兩大部分。兩套400PLC 系統(tǒng)自成一體，同時(shí)又通過工業(yè)以太網(wǎng)交換數(shù)據(jù)，構(gòu)成軋線網(wǎng)絡(luò)體系。工業(yè)以太網(wǎng)由工業(yè)交換機(jī)通過光纖網(wǎng)組成，連接主PLC 和3 臺上位機(jī)（工程師站1 臺，主控室2 臺），實(shí)現(xiàn)對整個(gè)線材生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)設(shè)定與過程監(jiān)控功能，如圖1 所示。

圖1 主控室兩臺電腦通過以太網(wǎng)連接

軋線基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)采用SIEMENS PROFIBUS_DP 網(wǎng)，連接主PLC 和20 臺6RA70、5 臺變頻器以及軋鋼線上各操作臺的WAGO 站和各配電柜的ET200M 站。另外，1 號飛剪S7-300PLC系統(tǒng)自成體系，同時(shí)又通過MPI 網(wǎng)和中、精軋S7-400PLC 交換數(shù)據(jù)。

20架連軋機(jī)通過20 臺直流主電機(jī)單動(dòng)拖動(dòng)，主電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)以西門子6RA70 為核心，功率輸出采用組裝的大功率晶閘管，二者通過可靠的嫁接技術(shù)共同組成電機(jī)調(diào)速裝置。每套軋機(jī)包含進(jìn)線、功率柜和調(diào)節(jié)柜共3 部分；調(diào)節(jié)柜內(nèi)的S7-200 通過USS 協(xié)議與6RA70 通信，將單機(jī)邏輯信號傳輸給6RA70，通過6RA70 上DP 網(wǎng)。完成電機(jī)邏輯聯(lián)鎖控制。

上位機(jī)為WINCC 人機(jī)接口界面，為使不在軋鋼現(xiàn)場的人員觀看到軋制過程，顯示軋制仿真圖，實(shí)時(shí)仿真開/停機(jī)、過鋼、起/落套等過程；以及單機(jī)給定、實(shí)際線速度、實(shí)際轉(zhuǎn)速、電樞電流等主要參數(shù)的顯示；以及軋制表管理和故障報(bào)警信息的顯示[2]。

2 典型案例分析

2.1 通信類故障

故障現(xiàn)象：某日軋鋼廠半連軋技改剛投入生產(chǎn)試運(yùn)行，中精軋軋機(jī)多次出現(xiàn)全線自動(dòng)停機(jī)現(xiàn)象。查看6RA70 直流調(diào)速裝置、400PLC 診斷緩沖中均無任何故障顯示。各稀油站、液壓站正常無故障報(bào)出。再次重啟軋機(jī)能夠正常運(yùn)行。

故障原因分析：由于能夠長時(shí)間正常生產(chǎn)，故障只是間斷性產(chǎn)生，而且發(fā)生故障后，所有報(bào)警系統(tǒng)無記錄。說明該故障點(diǎn)是通過正常程序控制停機(jī)的間歇性故障。根據(jù)該故障特點(diǎn)，只有線路接觸不良，時(shí)有時(shí)無，似斷非斷的狀態(tài)符合上述特征。

首先排除網(wǎng)絡(luò)通信速率設(shè)置過高可能導(dǎo)致的網(wǎng)速不穩(wěn)定，點(diǎn)擊程序中的hardware，打開硬件組態(tài)界面，雙擊PROFIBUS DP master system，打開DP 網(wǎng)線的屬性設(shè)置菜單，選擇General（常規(guī)）選項(xiàng)中的Properties 選項(xiàng)，再點(diǎn)擊Network settings（網(wǎng)絡(luò)設(shè)置），在Transmission Rate（傳輸速率）一項(xiàng)中查看為187.5 kbps，速度設(shè)置較為合理。

分析軋機(jī)控制程序原理，能夠控制軋機(jī)正常全線停機(jī)的回路只有中軋臺、精軋臺急停按鈕，但是軋機(jī)是全線停機(jī)，不可能兩個(gè)操作臺按鈕每次同時(shí)出現(xiàn)故障。所以按鈕線松的可能性基本可以排除。由于公司各操作臺是DP 網(wǎng)控制，每個(gè)操作臺屬于一個(gè)遠(yuǎn)程工作站，操作臺和400PLC 之間的數(shù)據(jù)交換全靠一根DP 網(wǎng)線完成，如果網(wǎng)線接觸不良，同樣可以引起意想不到的故障。所以問題的關(guān)鍵集中在了排查各遠(yuǎn)程工作站的網(wǎng)線上[3]。

診斷方法及步驟：通過對整體工業(yè)網(wǎng)絡(luò)DP 網(wǎng)線的排查，查出在冷剪操作臺（中、精軋網(wǎng)絡(luò)的9 號站）的網(wǎng)線接頭處972 端子（總線連接器：6ES7972-OBA41-OXAO）有明顯的燒傷，內(nèi)部一藍(lán)、一白兩根信號傳輸線有明顯的黑色碳化痕跡。可以診斷該處為故障發(fā)生點(diǎn)。更換972 端子后，故障排除。

診斷結(jié)論與綜合分析：根據(jù)現(xiàn)場勘查，冷剪臺附近常有接電焊機(jī)現(xiàn)象，推斷為電焊機(jī)接線不規(guī)范導(dǎo)致有部分大電流竄入網(wǎng)線，燒毀冷剪臺網(wǎng)線972 端子，從而導(dǎo)致信號線嚴(yán)重碳化，網(wǎng)絡(luò)信號傳輸不穩(wěn)定。正常程序停機(jī)回路本應(yīng)是低電平的時(shí)候，瞬間傳入了高電平錯(cuò)誤信號，發(fā)出了讓軋機(jī)停機(jī)的錯(cuò)誤信號導(dǎo)致全線停機(jī)[4]。

維修方案：各遠(yuǎn)程工作站網(wǎng)絡(luò)接頭972 端子接線應(yīng)正確、牢固，有損傷應(yīng)及時(shí)更換，嚴(yán)禁對付使用；各工作站附近嚴(yán)禁使用電焊機(jī)等電動(dòng)工具，防止干擾及電流竄入。

2.2 元器件故障

故障現(xiàn)象：某日精軋臺全線停機(jī)，查看400PLC 硬件組態(tài)畫面，精軋臺通信中斷，查看PLC 診斷緩存中故障信息，全部報(bào)I/O訪問錯(cuò)誤。檢查精軋臺萬可工作站，發(fā)現(xiàn)DP 適配器BF 燈、DIA診斷燈、I/O 模塊指示燈均報(bào)紅。

故障原因分析：按照以往維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，萬可模塊相比西門子模塊故障率較高，尤其是DP 適配器容易出故障。所以首先更換DP 適配器，更換后故障依舊。懷疑其他模塊損壞。由于精軋臺包括DP 適配器、輸入、輸出、電源、終端模塊在內(nèi)一共34 塊模塊，故只有采取排除法依次更換[5]。

診斷方法及步驟：為節(jié)省判斷時(shí)間，將精軋臺所有模塊分為兩大部分，輸入為一部分在前面，后面為輸出模塊。將終端模塊放在中間，即輸入模塊后面，輸出模塊暫時(shí)不接入。同時(shí)在程序硬件組態(tài)中刪除后面的輸出模塊后，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常。可以判斷前半部分模塊均完好，只需對后面的電源模塊、輸出模塊進(jìn)行判斷即可。將后面的輸出模塊和電源模塊逐塊依次加入，出現(xiàn)DP 適配器I/O 指示燈報(bào)紅后就更換相應(yīng)的模塊。在更換掉一塊電源模塊和一塊輸出模塊并緊固相應(yīng)的線路后，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常。整個(gè)過程影響生產(chǎn)5.5 h。

診斷結(jié)論與綜合分析：由于萬可工作站防護(hù)等級較低，防塵能力較弱，并且精軋臺萬可模塊自2004 年改造以來已使用7 年多時(shí)間，模塊已逐步趨于老化。故障率較高。尤其是模塊較多時(shí)用替換法查找故障點(diǎn)較為困難，影響時(shí)間較長。

維修方案：判斷I/O 故障時(shí)，只需觀察DP 適配器上I/O 指示燈是否正常（綠色為正常）；不必盲目刪除硬件組態(tài)，可以節(jié)省部分判斷時(shí)間；萬可模塊各電源接線一定要正確、牢固，模塊之間接觸必須良好，否則容易產(chǎn)生多余故障時(shí)間；對精軋臺工作站進(jìn)行小規(guī)模改造，將萬可模塊工作站全部升級更換為西門子ET200M 工作站，增強(qiáng)防護(hù)等級以及運(yùn)行穩(wěn)定性。

2.3 變頻器故障

故障現(xiàn)象：冷床輸入1 組輥道一開始報(bào)F0022（功率組件故障），檢查外部各通信板、接線端子，無松動(dòng)現(xiàn)象。復(fù)位后打開關(guān)運(yùn)行，又報(bào)出F0002 及F0003 故障，交替出現(xiàn)。并且故障無法復(fù)位。

故障原因分析：由于最初故障為F0022，查看440 變頻器說明書，應(yīng)檢查I/O 板是否完全插入。檢查后未發(fā)現(xiàn)明顯故障點(diǎn)，根據(jù)F0002（過電壓）及F0003（欠電壓）故障，又檢查變頻器各電源電壓，并關(guān)閉現(xiàn)場部分電機(jī)開關(guān)后試，故障依舊。根據(jù)F0022 提供的信息，懷疑功率組件損壞，F(xiàn)0002 及F0003 為硬件損壞后衍生的虛報(bào)故障[6]。

診斷方法及步驟：查閱440 變頻器使用大全，發(fā)現(xiàn)使用參數(shù)r0026 可以查看直流回路電壓實(shí)際值，由于440 變頻器屬交—直—交變頻，如果功率組件損壞，將影響該參數(shù)的正常顯示。查看輸入一組輥道變頻器r0026，發(fā)現(xiàn)該參數(shù)顯示為零。可以確診為該變頻器已損壞。更換一臺變頻器并重新設(shè)置關(guān)鍵參數(shù)后，設(shè)備恢復(fù)正常。

診斷結(jié)論與綜合分析：冷床輸入1 組輥道為2004 年半連軋技改時(shí)投入，已使用7 年之久，功率組件老化，損壞屬正常現(xiàn)象。

維修方案：加強(qiáng)西門子440 變頻器的常用參數(shù)學(xué)習(xí)及掌握，縮短故障判斷時(shí)間；熟悉變頻器主要參數(shù)的快速調(diào)試及恢復(fù)；將損壞變頻器送修、準(zhǔn)備好必需的備品備件，保證正常生產(chǎn)。

2.4 設(shè)計(jì)考慮不周導(dǎo)致的故障

故障現(xiàn)象：軋鋼廠裙板頻繁出現(xiàn)不動(dòng)作，引起跑鋼、堆鋼現(xiàn)象，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。

故障原因分析：檢查ET200M 柜內(nèi)裙板中間繼電器，發(fā)現(xiàn)中間繼電器觸頭因打火燒損嚴(yán)重，初步判定為中間繼電器（5 A）觸頭容量較小所致[7]。

診斷方法及步驟：將原設(shè)計(jì)5 A 中間繼電器全部更換為10 A，觸頭打火仍然嚴(yán)重，運(yùn)行1 天左右必須更換，否則將影響生產(chǎn)。上網(wǎng)查詢消除繼電器弧光的方法，得到資料顯示：直流感性負(fù)載需要續(xù)流二極管，否則自感特性（維持電流不變）會(huì)造成開關(guān)（無論電子還是觸點(diǎn)）產(chǎn)生高壓，擊穿損壞；直流線圈兩端反向并聯(lián)一個(gè)二極管可起到的作用：在線圈斷電時(shí)為感生電動(dòng)勢提供一個(gè)釋放回路，起續(xù)流作用，叫續(xù)流二極管。用以消除電弧（電火花）。參考二極管型號為IN4004。購買20 個(gè)續(xù)流二極管，利用交接班時(shí)間在現(xiàn)場所有裙板電磁閥接線端子盒內(nèi)并接，基本消除裙板中繼打火現(xiàn)象。故障徹底排除。

診斷結(jié)論與綜合分析：由于改造后裙板電磁閥線圈容量較大，導(dǎo)致中間繼電器運(yùn)行時(shí)弧光較大，只有采取技術(shù)手段消除弧光，才能保證設(shè)備正常運(yùn)行。原設(shè)計(jì)裙板電磁閥中間繼電器沒有考慮現(xiàn)場電磁閥容量問題，導(dǎo)致中繼打火嚴(yán)重，影響生產(chǎn)。

維修方案：當(dāng)直流電磁閥中繼火光較大時(shí)，必須反向并接續(xù)流二極管消弧；二極管接線必須正確，如果極性接反，將導(dǎo)致二極管瞬間燒毀。

2.5 因操作失誤導(dǎo)致的故障

故障現(xiàn)象：某月檢修完畢試車，發(fā)現(xiàn)新編制的軋機(jī)延伸率顯示畫面數(shù)據(jù)不正確，經(jīng)檢查，屬于程序語句有錯(cuò)。為盡快使用該顯示畫面，在電腦上在線編程、修改、下載多次，還是有一架顯示不正常，再次修改后下載程序、監(jiān)控，PLC 報(bào)紅停機(jī)。

故障原因分析：由于是在調(diào)試過程中報(bào)故障，判斷為下載的程序有錯(cuò)誤造成停機(jī)[8]。

診斷方法及步驟：查看400PLC 診斷緩存中故障顯示，為字節(jié)過長錯(cuò)誤，確屬程序故障停機(jī)。由于PLC 已停止運(yùn)行，無法控制停軋機(jī)，而軋機(jī)此時(shí)仍處于運(yùn)行狀態(tài)，只有強(qiáng)行斷開主回路ME 開關(guān)分閘。

診斷結(jié)論與綜合分析：將所調(diào)試的程序刪除后重新下載，PLC 恢復(fù)正常，共影響生產(chǎn)約30 min。認(rèn)真研究所調(diào)試程序后發(fā)現(xiàn)：所編制的程序功能塊中某一段網(wǎng)絡(luò)語句太多；循環(huán)語句使用太多造成個(gè)別循環(huán)錯(cuò)誤。因上述兩處錯(cuò)誤造成PLC 故障停機(jī)，影響正常軋制[9]。

維修方案：嚴(yán)禁正常生產(chǎn)過程中在工程師站電腦上在線修改、下載程序；有較多程序需要修改、新增時(shí)，應(yīng)首先在實(shí)驗(yàn)平臺上驗(yàn)證通過方可進(jìn)行；嚴(yán)格遵守工程師站電腦管理規(guī)定，修改程序必須有2 名以上技術(shù)員在場，經(jīng)車間分管領(lǐng)導(dǎo)批準(zhǔn)方可執(zhí)行；可補(bǔ)充OB80（處理時(shí)間故障）等常用組織塊到程序中，避免一些不必要的故障停機(jī)。

3 結(jié)束語

某軋鋼廠軋線西門子PLC 系統(tǒng)涵蓋工業(yè)以太網(wǎng)、PROFIBUS-DP 網(wǎng)、MPI 網(wǎng)、西門子S7-400PLC 系統(tǒng)、S7-300PLC系統(tǒng)（1 號飛剪系統(tǒng)）、S7-200PLC 系統(tǒng)（通過USS 協(xié)議與6RA70通信、傳輸柜門、故障等控制信號）、西門子6RA70 直流調(diào)速裝置、西門子Micromaster440 變頻器、WAGO 遠(yuǎn)程工作站、ET200M遠(yuǎn)程工作站和WINCC 人機(jī)界面。主回路涉及可控硅組件、無觸點(diǎn)開關(guān)柜、接觸器等。涉及知識點(diǎn)多，要求維護(hù)人員具有較全面的專業(yè)知識和一定的現(xiàn)場維護(hù)經(jīng)驗(yàn)。