富士SX電控系統(tǒng)通訊故障的分析與處理

毛慧樑

上海振華重工（集團）股份有限公司 上海 200125

0 引言

隨著可編程控制技術(shù)與電力電子技術(shù)的發(fā)展，由PLC和變頻器組成的電控系統(tǒng)已經(jīng)成為碼頭起重機的控制中樞和標準配置。電控系統(tǒng)的正常工作是起重機安全、高效運行的基礎，也能使維修人員方便快捷地對設備狀態(tài)進行監(jiān)控、及時發(fā)現(xiàn)和處理設備故障。不過一旦電控系統(tǒng)發(fā)生通訊故障，將導致整個電控系統(tǒng)停擺。不同于一般的電氣故障，在出現(xiàn)通訊故障時，PLC系統(tǒng)就已無法正常運行，因而無法實現(xiàn)程序監(jiān)控、程序強制等操作。平時維修人員可依賴的HMI設備也成為擺設，這種情況下經(jīng)驗不足的維修人員常感到束手無策。若故障發(fā)生在班輪作業(yè)時，更將嚴重影響碼頭的正常裝卸作業(yè)。因此，要求維修人員盡快找到問題的根源，及時解決通訊故障，使設備重新恢復正常運行。

1 故障案例

某國外集裝箱碼頭的1臺富士電控岸邊集裝箱起重機（以下簡稱岸橋）在作業(yè)過程中會出現(xiàn)不明原因的機構(gòu)急停，且每天都會報警2、3次，維修人員檢查后發(fā)現(xiàn)：故障發(fā)生時CPU模塊上報Error和Alarm雙紅燈狀態(tài)，將PLC的控制電源斷掉再重新送上后又一切正常，但再過一段時間又會報相同的故障。由于無法預測故障發(fā)生的具體時間，有時甚至會在起升、小車高速運行中發(fā)生故障，使結(jié)構(gòu)晃動厲害。這種問題已持續(xù)一段時間，但維修人員始終無法找到問題的原因并徹底解決。

2 富士SX電控系統(tǒng)

富士SX電控系統(tǒng)主要由富士Micrex-SX系列可編程控制器、富士Frenic系列變頻驅(qū)動器以及各種配件組成，具有性能優(yōu)越、運行穩(wěn)定、性價比高等特點。SX總線是一條用于連接富士Micrex-SX系列可編程控制器和富士驅(qū)動器的高速數(shù)據(jù)總線，是一個環(huán)形網(wǎng)絡，系統(tǒng)的頭尾兩端都需要接上SX終端插頭。所有的PLC模塊都必須安裝在基板上，每塊基板上至少要安裝1塊電源模塊和1塊非電源模塊。基板與基板之間使用SX通訊線來連接，每塊基板的SX通訊線插槽分為IN和OUT，連接時SX通訊線的一頭接IN，則另一頭接OUT。

一個地點的SX通訊線總長度最多為25 m，超過25 m則需配置中繼器來放大SX通訊信號。當2個基板之間距離較長時，一般推薦使用光纜模塊通過光纜連接，2個光纜模塊之間允許的最大傳送距離為3 km（允許損耗9 dB）。PLC基板與驅(qū)動器之間由SX通訊線連接，這需要在驅(qū)動器內(nèi)安裝SX通訊選項卡。圖1為富士SX通訊系統(tǒng)。

圖1 富士SX電控系統(tǒng)

3 通訊故障的檢測與識別

3.1 程序側(cè)的模塊故障檢測

在所有硬件PLC模塊安裝好后，還需在富士PLC配套軟件D300win的System Definition中將PLC模塊逐一進行注冊，并分配不同的SX總線地址，這樣模塊才能正常使用（System Definition是PLC程序的一部分）。此外，在CPU模塊的系統(tǒng)內(nèi)存中有一部分固定地址范圍，用于表示每個模塊的SX總線配置信息和SX總線故障信息。通過配置信息與故障信息的組合可表示SX總線上所有模塊的狀態(tài)。

由表1可知，僅當配置信息為1且故障信息為0時，對應的模塊才正常。因此，可在PLC程序中依據(jù)表1內(nèi)容編寫簡單的程序，以判斷每個模塊的狀態(tài)是否正常（見圖2）。程序的輸出點可作為起重機控制合的條件，也可將對應的故障輸出到HMI設備，供維修人員參考。

表1 利用CPU系統(tǒng)內(nèi)存中的相關信息判斷模塊的狀態(tài)

圖2 PLC模塊通訊故障的判斷程序

這種通過PLC程序來判斷模塊故障的方式僅適用于較輕微的故障（即CPU仍能正常運行）。在D300win軟件的System Definition中，進入CPU模塊屬性頁面，可將所有已注冊的模塊（CPU模塊除外）添加到故障弱化列表中以激活故障弱化功能（見圖3），這樣即使某個模塊出現(xiàn)輕微故障，也不會影響CPU的正常運行。但是，如果模塊發(fā)生的是致命故障，將導致CPU停止運行，程序邏輯也將停止掃描執(zhí)行，則圖2中的模塊故障檢測程序即失去作用。

圖3 根據(jù)需要將指定的PLC模塊添加到故障弱化列表

3.2 驅(qū)動器側(cè)的通訊故障檢測

驅(qū)動器與PLC模塊之間也是通過SX通訊線連接的，驅(qū)動器與PLC之間的通訊遵循某一固定格式。若驅(qū)動器與PLC之間的SX通訊連接出現(xiàn)故障，可能導致PLC程序?qū)﹄姍C速度控制的失效，釀成嚴重后果。為了防止這種情況的發(fā)生，在驅(qū)動器與PLC之間的SX通訊協(xié)議中增加2個Bit的觸發(fā)信號（Toggle信號），用于判斷SX通訊是否正常。

如圖4所示，驅(qū)動器與PLC之間SX通訊故障檢測機理為：1）當SX通訊建立時，從PLC定期發(fā)送2位觸發(fā)器信號給驅(qū)動器，按00?01?10?11的順序發(fā)送；2）驅(qū)動器把接收到的觸發(fā)器信號再原封不動地反饋給PLC；3）由于2位觸發(fā)器信號是按照一定順序、一定規(guī)律發(fā)送的，若驅(qū)動器在運行中檢測到觸發(fā)器信號異常時（如接收的信號一直不變或未按正確的順序來變化時），則驅(qū)動器會報Ar_1故障，并立刻停止輸出，使電機停止運轉(zhuǎn)。上述檢測機制的實現(xiàn)需要PLC和驅(qū)動器的配合：

圖4 驅(qū)動器與PLC之間SX通訊故障的檢測機理

1）在驅(qū)動器側(cè) 需要設置相關參數(shù)，以激活SX通訊故障監(jiān)測的功能；還可設置參數(shù)來決定Ar_1故障報出之前的延時時間，以及報出Ar_1故障以后是否立即停止驅(qū)動器的輸出等。每個驅(qū)動器都應進行正確的參數(shù)設置，以確保SX通訊監(jiān)測功能正常。

2)在PLC側(cè) 需要編寫相應的程序邏輯，以保證2位觸發(fā)器信號能按照00?01?10?11的順序變化，并定期發(fā)送給驅(qū)動器（如每100 ms發(fā)送1次）。此外，在程序中也可定義一些故障連鎖邏輯（軟件故障），將這些連鎖邏輯作為各個機構(gòu)能正常運行的必要條件。每個帶有驅(qū)動器的機構(gòu)都應編寫一段類似的程序。從程序側(cè)或驅(qū)動器側(cè)報出的通訊故障，一般都可通過復位按鈕或斷電重啟的方法暫時復位掉，不過若頻繁報故障，則必須引起重視并及時徹底排查（見圖5）。

圖5 PLC與起升驅(qū)動器之間SX通訊故障的判斷程序

3.3 通過CPU模塊上的指示燈提示故障

如圖6所示，通過CPU模塊指示燈可直觀地了解當前SX系統(tǒng)的狀態(tài)。當SX通訊故障的程度較輕微時，通常以驅(qū)動器故障代碼或程序邏輯的形式來報出故障，此時雖有故障但CPU模塊仍可正常運行（圖6中輕微故障）。不過，當SX通訊故障的程度嚴重時，則會導致CPU模塊停止運行。按照嚴重程度又可分為單紅故障和雙紅故障2種。

圖6 不同狀態(tài)下CPU模塊上指示燈情況（ONL是online的縮寫）

一般在起重機的電氣房內(nèi)都會安裝有工控機，并通過Ethernet網(wǎng)絡和富士PLC連接（需安裝專用的富士Ethernet通訊模塊），主要目的是方便用戶進行程序監(jiān)控、驅(qū)動器參數(shù)讀取、起重機管理系統(tǒng)（CMS）監(jiān)控等。當單紅故障時，富士PLC與工控機之間的Ethernet連接仍有效，用戶仍可通過工控機進行程序修改、程序下載等操作。當雙紅故障時，Ethernet網(wǎng)絡連接無效，用戶必須使用筆記本電腦通過USB連線直接與富士PLC進行連接（CPU模塊上自帶USB接口），從而進行程序修改、下載的操作，這是單紅故障與雙紅故障的區(qū)別。

4 通訊故障的原因分析

造成SX通訊故障的原因大致可分為硬件本身損壞、軟硬件不匹配、其他外部原因等3類。

4.1 硬件本身損壞

即整個SX系統(tǒng)中存在1個或多個器件本身故障或損壞，硬件包括各種PLC模塊（CPU、電源、I/O、通訊模塊等）、PLC底板、SX通訊線、SX終端接頭以及安裝在驅(qū)動器內(nèi)的SX通訊卡等，這類故障一般會導致雙紅故障。

4.2 軟硬件不匹配

軟件設置與硬件安裝不匹配，即實際安裝的各系統(tǒng)硬件本身都正常，但在PLC程序System Definition中的配置與實際安裝的硬件不匹配，這種不匹配表現(xiàn)在：

1）程序中配置的硬件數(shù)量與實際安裝的不一致；

2）程序中配置的硬件型號與實際安裝的不一致；

3）程序中配置的硬件排列順序與實際安裝的不一致；

4）驅(qū)動器參數(shù)的設置不正確也可能導致不匹配，如前述驅(qū)動器與PLC模塊之間是通過SX通訊線連接的，驅(qū)動器與PLC之間的通訊遵循某一固定格式。富士SX系統(tǒng)支持3種不同的傳輸格式：8W+8W標準模式(輸入8個字輸出8個字）、4W+12W監(jiān)控模式、29W+22W高級模式。通過設置驅(qū)動器內(nèi)相關參數(shù)的值來決定采用傳輸格式。同樣，在PLC程序的System Definition配置中也要選擇相應傳輸格式的驅(qū)動器。若驅(qū)動器參數(shù)與程序配置所選擇的傳輸格式不一致，也將導致通訊故障，這類由軟件與硬件不匹配產(chǎn)生的通訊故障一般會導致單紅故障。

4.3 其他外部原因

這類原因一般是指由于通訊線在設計、安裝、排布等的過程中考慮不周，使SX通訊信號受到外部干擾或信號衰減而產(chǎn)生的故障，可能有幾種情況：

1）SX通訊線排布不當 SX通訊線中傳輸?shù)氖歉哳l弱電信號，在施工走線時應盡可能遠離強電電纜，有條件時可套金屬軟管，并將軟管可靠接地。若需要符合CE標準，還必須在每一根SX通訊線的兩端安裝鐵氧體磁環(huán)。通訊光纜在排布時應注意避免彎曲半徑過小，以防止過度彎折導致的光纜損壞。

2）SX通訊線過長 SX通訊線在一個地點的總長度應盡可能短，若該長度大于25 m（如岸橋的電氣房內(nèi)底板、模塊、驅(qū)動器數(shù)量較多時），這種情況必須加裝SX通訊中繼器來放大信號強度，否則會使SX通訊信號在傳輸時過度衰減，造成通訊故障。

3）SX通訊線的質(zhì)量問題或使用時間過長使屏蔽性能、傳輸性能下降，若發(fā)現(xiàn)頻繁報通訊故障，并確認是某一段通訊線問題的，應及時更換新的通訊線。同樣，老舊機器的光纜可考慮重新測試其傳輸損耗，并根據(jù)情況更換備用光纜芯線或更換光纜。

4）SX通訊線接頭未可靠固定或連接 起重機在運行時不可避免地會產(chǎn)生晃動，隨著時間的推移會使接頭松動，從而導致通訊故障。光纜在中間連接盒的對接接頭做得不好、SX通訊線的水晶頭子未壓好等都可能導致通訊故障。

這類由于外部原因?qū)е碌耐ㄓ嵐收希赡軋髥渭t故障，也可能報雙紅故障，甚至可能暫不影響CPU的運行，但卻是安全隱患。

5 富士SX通訊故障的處理方法和步驟

5.1 初步了解故障情況

由CPU模塊上指示燈狀態(tài)可知故障的嚴重程度，還可通過查看軟件中SX通訊故障的診斷信息了解故障的詳細情況。在D300win軟件中，故障診斷信息的查看路徑為：Project Control Dialog→Failure Diagnosis→點擊左側(cè)CPU圖標→點擊右側(cè)選項卡的Fatal Failure，即可顯示當前CPU故障的詳細信息。圖7～圖9為可能遇到的故障診斷信息。

圖7 CPU模塊故障信息舉例一（單紅）

圖8 CPU模塊故障信息舉例二（單紅）

圖9 CPU模塊故障信息舉例三（雙紅）

D300win軟件中的故障信息對于前述的硬件與軟件不匹配情況有幫助，而對于另外2類原因造成的通訊故障有可能幫助不大。當發(fā)生雙紅故障時，雖然也能使用USB連接線嘗試讀取PLC軟件中的相關故障信息，但幾乎無參考意義。

在D300win軟件中，除了查看故障診斷信息外，若CPU模塊正常運行還可查看SX總線數(shù)據(jù)包錯誤計數(shù)器，以判斷SX總線傳輸中是否有錯誤。計數(shù)器的查看路徑為：Project Control Dialog→Failure Diagnosis…→點擊左側(cè)CPU圖標→點擊右側(cè)選項卡Bus transmission，就會顯示一張SX總線數(shù)據(jù)錯誤的計數(shù)器列表。在正常情況下，所有計數(shù)器都應為0（見圖10），若發(fā)現(xiàn)某些計數(shù)器不為0或計數(shù)器的值正在累加，則表示SX總線數(shù)據(jù)在傳輸中有錯誤。

圖10 SX總線數(shù)據(jù)錯誤計數(shù)器列表

5.2 使用排除法和兩分法定位到具體的故障點

這一步是故障排查中最重要的，因為軟件中經(jīng)常無法直接提示SX通訊故障的具體位置，需要按部就班地進行排查。

岸橋和輪胎式集裝箱起重機（以下簡稱場橋）都是集裝箱碼頭的主要作業(yè)設備，場橋的電控系統(tǒng)比岸橋的要簡單（場橋體積小，需要控制的設備較少，對應需要的輸入輸出點較少，則系統(tǒng)中PLC底板數(shù)量、模塊數(shù)量也相對較少），但處理通訊故障的思路和方法一致。所以，為了簡便說明，本文以場橋電控系統(tǒng)為例來介紹。

故障排查前的重要注意事項：由于在故障排查時需要插拔SX通訊回路中的一些硬件（包括PLC模塊、變頻器內(nèi)的SX通訊卡、SX通訊線、SX終端插頭、光纜跳線等），在硬件插拔前務必切斷PLC模塊的控制電源和驅(qū)動器的控制電源，否則帶電插拔很可能會損壞硬件。

由圖11可知，電氣房與司機室的PLC站點之間由于距離較遠，所以用光纜連接，而電氣房或司機室內(nèi)部各PLC站點之間都用SX通訊線來連接，SX通訊系統(tǒng)的頭尾必須安裝SX終端插頭，以形成環(huán)形結(jié)構(gòu)。

圖11 典型的場橋富士SX電控系統(tǒng)通訊結(jié)構(gòu)圖

與通訊結(jié)構(gòu)圖相對應的D300win軟件中的System Definition設置如圖12所示（光纜模塊可不必注冊）。當發(fā)生通訊故障后，為了定位具體故障點，可將該電控系統(tǒng)分為電氣房和司機室2部分。然后嘗試將司機室部分脫開，組成新的較小的SX系統(tǒng)。為了組成該SX系統(tǒng)，需在軟件和硬件上分別進行修改：

圖12 與實際通訊結(jié)構(gòu)對應的D300win中system definition配置

1)軟件 應修改程序的系統(tǒng)定義，在D300win的System Definition頁面上方有一排功能按鈕（見圖13），使用其中的 No equipment按鈕(將一塊模塊脫開，使之不參與程序掃描)或No equipment batch setting按鈕(將一塊底板上的所有模塊脫開，使之不參與掃描，且僅選中底板時有效)將所有司機室的底板、模塊等暫時開（即不參與程序掃描，脫開后該硬件左側(cè)的圖標上會有紅鉤標記，見圖14紅框中的部分），然后重新編譯并下載程序。

圖13 D300win軟件中System definition頁面上方的功能欄

2)硬件 為了與軟件定義相匹配，應將司機室的所有器件脫開（僅需脫開電氣房的光纜模塊即可）。修改以后的軟件配置和硬件連接如圖14所示。

圖14 將司機室部分脫開以后的硬件和軟件配置

將司機室部分脫開并重新送電后，若CPU正常工作（雙綠燈），則說明問題在電氣房外部；若仍有故障（單紅或雙紅），則說明問題在電氣房內(nèi)部；假設以上嘗試后故障依舊，則問題在電氣房內(nèi)部。由于電氣房內(nèi)部的器件較多，若逐個模塊用排除法則太費時。因此，可將電氣房內(nèi)部的器件再一分為二，帶有CPU的部分又能組成一個新的更小的SX系統(tǒng)。例如，將電氣房內(nèi)的所有變頻器也脫開連接，同樣需同時在軟件和硬件上進行修改。修改后的軟硬件設置如圖15所示。

圖15 將司機室模塊和4個驅(qū)動器都脫開以后的硬件、軟件配置

經(jīng)過上述修改并下載程序重新送電后，假設故障已消除，說明問題就在4個變頻器中間（可能是變頻器間的SX通訊線，也可能是變頻器內(nèi)的SX通訊卡或參數(shù)設定問題等），可將這4個變頻器再一分為二，把其中的2個變頻器（起升變頻器和小車變頻器）利用No equipment release按鈕(將一塊模塊或一塊底板上的所有模塊重新加入程序掃描)重新加入程序掃描，組成一個新的稍大一些的SX系統(tǒng)（注意此時需調(diào)整終端插頭位置，確保SX系統(tǒng)的頭和尾各有一個終端插頭），見圖16。

圖16 將司機室模塊和2個驅(qū)動器脫開以后的硬件、軟件配置

以此類推，繼續(xù)排查，直到找到具體的故障點。在上述排查過程中，假設有且只有1個故障點。對于多個故障點的情況可采用相同方法逐一查找，不再贅述。一般地，場橋電控使用3、4次的排除法和兩分法即可準確找到故障點。

在使用排除法將系統(tǒng)不斷縮小時，至少要保留1塊底板、1個電源模塊、1個CPU模塊和2個終端插頭，形成最小SX系統(tǒng)（見圖17）。若最小系統(tǒng)模式下仍報雙紅燈故障，則說明某個器件出現(xiàn)硬件損壞，只能逐一替換進行排查。

圖17 最小SX系統(tǒng)

5.3 根據(jù)故障點具體情況，采取措施解決故障

若是純硬件故障，則使用相同型號的備件進行替換（平時用戶應準備一些常用的模塊、板卡、SX通訊線、SX終端插頭等，以備不時之需，起重機制造商一般會推薦一些常用的備件，用戶可根據(jù)需要進行采購）；若是軟硬件不一致問題，則只需逐一核對硬件信息、修改D300win軟件中System Definition的設置即可；若排除了這2種情況，則可能是外部原因造成的故障，可嘗試將通訊線重新插拔一下、更換通訊線、將通訊線重新排布、重新制作通訊線的接頭等措施。

在CPU正常運行期間，監(jiān)控SX總線數(shù)據(jù)錯誤計數(shù)器列表，發(fā)現(xiàn)其中有幾個計數(shù)器的值在持續(xù)增加，若維持現(xiàn)狀，則數(shù)小時后當所有錯誤計數(shù)器累計值之和大于某個預設值（如99999）時CPU模塊就會報雙紅故障，并導致機構(gòu)急停。且每次將PLC斷電重啟后，這些計數(shù)器的值都會重新歸零，系統(tǒng)就又能正常工作。這就是該系統(tǒng)不定期地報通訊故障，但重啟PLC后又能恢復的原因。根據(jù)該故障情況，維修人員使用排除法和兩分法來定位故障點，發(fā)現(xiàn)在緊靠電氣房的門外還有一個較小的控制屏，其中也有PLC模塊和底板，且該控制屏內(nèi)的模塊底板是整個電氣房SX系統(tǒng)的最后一站（即底板OUT端接了一個終端插頭）。若將該小控制屏的PLC模塊從整個系統(tǒng)脫開，錯誤計數(shù)器就停止累加，說明問題就在小控制屏內(nèi)或在電氣房到小控制屏之間，將電氣房到該控制屏之間的SX通訊線更換，問題得到解決。

6 結(jié)束語

通訊故障的處理需要維修人員對整套電控系統(tǒng)（包括硬件、軟件、圖紙等）有較高的熟悉程度。遇到通訊故障問題后，首先要讀取軟件內(nèi)的故障信息和SX通訊錯誤計數(shù)器，再采用排除法和兩分法逐個查找故障源頭。處理時必須思路清晰，特別是對于岸橋電控這樣比較復雜的系統(tǒng)，排查時要根據(jù)前一步所得到的不同結(jié)果來決定下一步的不同操作，這種處理思路也適用于其他環(huán)形結(jié)構(gòu)的電控系統(tǒng)。