關于提升機電控系統耦合區域故障診斷研究

王生狀

(潞安化工集團 王莊煤礦，山西 長治 046031)

隨著科技的不斷發展進步與智能化礦井建設的不斷推進，礦井提升機電控系統的自動化水平日益提高，但同時也導致系統復雜程度不斷增大，從而對電控系統的可靠性、可維護性提出了更高的要求[1]。自動化、智能化水平的提升，對電控系統各個設備的狀態監控更加全面，系統的保護功能更加完善，有助于提高電控系統的安全性。但由于提升機電控系統涉及設備繁多、系統復雜，各故障間存在不確定的耦合邏輯關系，又導致了故障診斷困難。據統計，因提升機電控系統故障導致的系統停機時間中，有80%以上用于故障診斷，而故障處理的時間不到20%[2]。因此，如何準確、快速地診斷故障，對提高電控系統故障排查效率，保障礦井安全生產具有重要意義。

目前國內提升機電控系統大部分僅采用上位機對故障進行指示及記錄，但受上位機監控軟件數據采集速率的限制，一般為500 ms及以上，而PLC控制器的程序執行時間一般僅有幾十毫秒[3]，且由于提升機電控系統內部復雜的邏輯閉鎖關系，一個故障往往可能導致多條次生故障產生，僅靠上位機監控系統很難判斷故障發生的先后順序及邏輯關系，也就無法實現故障源的診斷。當有故障發生時，上位機上的報警系統會出現好多條記錄，現場檢修工人普遍反映一紅一大片，分不清哪個是初始故障，這給現場分析和故障排除帶來了困難，勢必導致生產的延誤。

根據提升機電控系統的工藝要求及特點，系統故障按照對設備及人員的危害程度可分為以下三類[4]：①安全回路類故障，當發生該類故障時必須立即施加安全制動，否則將造成嚴重的設備損壞或人員傷亡；②電氣制動類故障，當發生該類故障時必須立即停車，但無需直接施加安全制動，運行通過電氣制動方式將速度降低為零后再施閘，同時動作電氣閉鎖回路但不施加安全制動；③電氣閉鎖類故障，當發生該類故障時不會立即造成設備或人員損傷，允許完成當前提升任務，閉鎖后續提升任務的執行，但不施加安全制動。對于電氣制動類故障和電氣閉鎖類故障，由于其不會對設備及人員造成嚴重損傷，且可在“應急模式”下對相應故障進行屏蔽，以滿足應急開車需求。因此，對提升機電控系統故障診斷的研究主要集中在電氣制動類故障的診斷。

對于一些因電氣設備明顯損壞導致的故障，診斷起來非常簡單，此處就不再贅述了。本文主要研究不同子系統間故障的診斷與區分，基于時序及邏輯關系的故障源診斷，通訊類故障診斷及偶發性機電耦合型故障的診斷。

1 各類提升機電控系統故障診斷方法

1.1 不同子系統間故障的診斷與區分

提升機電控系統整體上可分為主控系統和閘控系統，而主控系統又可細分為配電與輔助控制系統、工藝控制系統、傳動系統、信號系統等，任何一個子系統的故障均會導致電控系統安全回路斷開、施加安全制動。由于各個子系統間的相互耦合，很難區分實際故障發生的位置，為故障的診斷帶來了困難。本文充分利用PLC“輸入掃描”、“程序執行”、“輸出刷新”的基本工作方式，“從左向右、從上往下順序掃描，循環往復”的程序執行原則，在進行合理的子系統故障綜合分類基礎上，利用“置位復位”功能模塊，通過在程序中的合理位置增加故障診斷程序實現了不同子系統間故障的診斷與區分。

如圖1所示，實現了主控與閘控之間的故障區分。由于閘控系統故障信息在閘控子系統內部進行邏輯綜合，僅反饋給主控兩路獨立的安全回路信息“I204.6”、“I204.7”，而“M34.3”為主控PLC內部除閘控子系統外其他所有子系統故障的綜合。因此，可在主控PLC內部安全回路程序模塊的起始位置加入圖1(a)所示閘控故障判斷程序，依據上述PLC基本工作方式與程序執行原則，當閘控子系統首先發生故障且程序執行到圖1(a)所示位置時，還未動作硬件安全回路，也未對電控系統其他子系統產生影響，可判定為閘控首先發生故障，即使下個掃描周期導致了主控系統故障，由于M20.1已經置位也不再對故障區分產生影響。同理，可在主控PLC內部安全回路程序模塊內除閘控子系統外其他所有子系統故障的綜合標志位后加入圖1(b)所示主控故障判斷程序。當主控系統首先發生故障時，由于還未動作硬件安全回路，也未對閘控系統產生影響，可判定為主控首先發生故障，下一掃描周期閘控系統必然因硬件安全回路斷開而導致故障，但由于M20.3已置位，也不再對故障區分產生影響。

圖1 主控閘控系統故障區分

綜上所述，基于不同子系統功能劃分、PLC基本工作方式和程序執行原則，可以從系統層面判定故障源的大體位置，當該子系統內部同時有多條故障時仍然無法確定最終故障原因，仍需進一步基于時序與邏輯關系的故障診斷。

1.2 基于時序與邏輯關系的故障診斷

由于工業組態軟件在進行故障記錄與指示時的掃描周期一般設置為500 ms以上，根本無法實現基于時間順序的故障顯示，而由于提升機電控系統的復雜性，一條故障往往又會導致多條次生故障的產生，給故障診斷帶來困難。同時,由于各個帶CPU功能的子系統運行時均遵循“輸入掃描”、“程序執行”、“輸出刷新”的基本工作方式，“從左向右、從上往下順序掃描，循環往復”的程序執行原則，導致主控PLC很難嚴格按照時序原則實現所有故障的判斷，必須結合故障邏輯順序加以區分。

以圖2所示提升機工藝控制類故障為例，對于S7-400+FM458配置的提升機主控系統，該部分工藝保護功能在FC458內完成。由于FM458屬于并行定周期處理器，工藝保護程序一般掃描周期不超過10 ms，且與主控CPU之間是通過背板總線傳輸，二主控CPU的掃描周期一般大于10 ms，所以主控無法簡單地通過時序判斷故障發生的先后順序。此時必須詳細分析各個故障之間的邏輯關系才能準確診斷故障。當發生井筒同步開關故障時，必然引起行程監視類故障，如行程跳變故障、行程互相比較故障，同時可能導致速度監視類故障發生，如速度給定與實際監視故障。以井筒同步開關故障、行程跳變故障、行程互相比較故障、速度給定與實際監視故障為例，如果4個故障同時出現，則說明根本故障源為井筒同步開關故障；如果僅有后3條故障，則說明根本故障源為行程跳變故障；如果僅有后兩條故障，則說明根本故障源為行程互相比較故障。

圖2 提升機工藝控制故障

為實現首發根本故障源的診斷，必須根據子系統功能劃分詳細分析所有故障的邏輯關系，并按照由低到高的故障邏輯順序建立相應的故障樹結構圖[5]，從邏輯順序最低的安全回路總故障開始，依次向下延伸直至邏輯順序最高的根本故障，對于具有相同邏輯順序的故障并列指示，然后將所有故障進行編碼，利用PLC自帶的堆棧功能按照邏輯順序由高到低原則進行記錄，并在上位機組態軟件內進行顯示。當有故障發生時，僅需關注當前故障信息的第1條故障即可，從而大大提高故障排查效率。

1.3 基于軟件“看門狗”的通訊故障診斷

隨著工業現場總線技術的發展與應用，現有提升機電控系統均采用總線技術以減少信號電纜接線、簡化系統結構。由于工業總線傳輸的信號看不見、摸不到，因此由通訊問題導致的故障較難排查，是現場維護人員最怕遇到的一類故障[6-7]。本文通過設置軟件“看門狗”程序實現了不同CPU之間的通訊狀態監視與故障診斷。

以主控與監控間的通訊監視為例，主控PLC內的軟件“看門狗”實現流程如下：在每個掃描周期將主控PLC靜態計數值“DB30.DBB1”加1并發送給監控PLC，監控PLC收到該數值后不做任何處理，再通過通訊發回主控PLC并存放在計數反饋道通“DB31.DBB1”內。主控PLC 比較當前周期收到的技術反饋值與上周期收到的技術反饋值，如果連續兩個周期收到的反饋值一直相同，且時間超過設定的通訊中斷監控時間閾值，則認為主控PLC與監控PLC間發生通訊故障。將上述通訊軟件“看門狗”程序封裝后形成如圖3所示的標準功能模塊，可直接應用于其他需進行通訊監視的PLC控制器之間。

圖3 軟件“看門狗”程序模塊

2 結 語

本文充分利用PLC“輸入掃描”、“程序執行”、“輸出刷新”的基本工作方式和“從左向右、從上往下順序掃描、循環往復”的程序執行原則，通過合理的子系統故障綜合分類，從系統層面實現了故障源大體位置的判定與區分；在詳細分析故障邏輯關系基礎上，按照故障邏輯順序由低到高的順序建立相應的故障樹結構圖，實現了基于時序與邏輯順序的故障診斷與指示，解決了首發故障源診斷困難問題；針對通訊故障診斷困難問題，設計了一種軟件“看門狗”診斷程序，實現了通訊數據的動態監控與故障診斷。本文關于提升機電控系統故障診斷方法的研究與應用，有助于進一步完善基于PLC的電控系統故障診斷體系，提高了故障排查效率。