張欣然，張 薇

（中國石化股份有限公司天津分公司化工部，天津 300271）

1 裝置簡介

某石化公司滌綸短纖維裝置是20萬噸/年聚酯二階段工程的主要生產(chǎn)裝置之一。采用直接紡絲工藝，從熔體輸送系統(tǒng)、紡絲、后加工直到打包，全部工藝技術(shù)和設(shè)備由國外引進(jìn)。紡絲泵、卷繞、喂入、絲桶橫動裝置的控制是通過可編程控制器（PLC）來實(shí)現(xiàn)，其主要參數(shù)送至DCS進(jìn)行監(jiān)視和操作。后加工生產(chǎn)線采用PCS7系統(tǒng)，其控制功能通過可編程控制器（PLC）來實(shí)現(xiàn)。該裝置生產(chǎn)能力為20萬噸/年滌綸短纖維，配置兩條生產(chǎn)線，單線能力為150噸/天。本文中的增壓泵設(shè)備在該裝置中處于“龍頭”位置，來自聚酯裝置的紡絲原料在熱媒系統(tǒng)的保溫下，以熔體的形式經(jīng)輸送管線輸送至增壓泵處，在通過增壓泵設(shè)備加壓后輸送到各個(gè)紡絲箱體，然后經(jīng)過紡絲、卷繞、喂入、鋪絲后再進(jìn)行后并進(jìn)行加工處理。

增壓泵設(shè)備是由電機(jī)、減速機(jī)和泵體組成，電機(jī)為1LA系列三相異步電動機(jī)，電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)則是由6SE70系列變頻器控制，其控制系統(tǒng)采用S7400系列PLC。通過熔體的壓力傳感器輸出4-20mA信號來控制變頻器的輸出頻率，從而實(shí)現(xiàn)對熔體的恒壓控制?？刂圃鰤罕秒姍C(jī)的啟停信號以及相關(guān)的聯(lián)鎖信號點(diǎn)全部進(jìn)入PLC的ET200M模塊，PLC與ET200M通過Profibus通訊方式來聯(lián)系，系統(tǒng)的控制命令均由PLC發(fā)出。

2 故障現(xiàn)象

2011年12月19日11點(diǎn)58分前紡增壓泵裝置停車，電氣人員檢查增壓泵變頻器發(fā)現(xiàn)F011（該裝置由于過流而停機(jī)）報(bào)警，查看增壓泵PLC系統(tǒng)的故障診斷信息，出現(xiàn)PLC總線上的ET200M掉站故障。變頻器復(fù)位后即刻恢復(fù)生產(chǎn)。2012年3月6日09點(diǎn)58分前紡增壓泵裝置再次停車，增壓泵變頻器F011報(bào)警，PLC系統(tǒng)的故障診斷信息再次出現(xiàn)ET200M掉站故障，兩次的故障現(xiàn)象幾乎一致。故障的難點(diǎn)在于變頻器故障和PLC故障之間是否存在因果關(guān)系還是各自獨(dú)立的。

3 原因分析

通過對PLC系統(tǒng)的故障診斷信息進(jìn)行仔細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生和恢復(fù)返回的時(shí)間均為毫秒級，有的甚至為幾十毫秒。在短時(shí)間內(nèi)幾乎無法判斷變頻器故障和PLC故障的先后順序，這使得故障分析處于停滯狀態(tài)。但是通過查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)使用“drivemoniter”軟件中的“trace”功能，對分析故障原因起到了關(guān)鍵作用。

首先介紹一下“trace”功能的使用：在ONLINE模式下點(diǎn)擊TRACE圖標(biāo)，→進(jìn)入TRACE畫面→點(diǎn)擊SETTING→進(jìn)入SETTING對話框→在對話框的左半部分選擇想檢測的連接器（K或B）,在右半部分的上半部分設(shè)定采樣周期,在下面部分選擇觸發(fā)條件→保存→點(diǎn)擊START,然后等待觸發(fā)激活后即可記錄曲線數(shù)據(jù)?！皌race”功能是“drivemoniter”軟件中的亮點(diǎn),它完全可以替代示波器的功能,而且相比普通示波器有以下優(yōu)點(diǎn)：①保存數(shù)據(jù),并具有打印功能；②最多可同時(shí)監(jiān)控10個(gè)數(shù)據(jù),并以不同顏色的曲線顯示；③可監(jiān)控K或B連接器的狀態(tài)；④采樣時(shí)間可以選擇設(shè)定，最短采樣周期可以達(dá)到5ms。

為了獲取第一手信息采取長期在線連接變頻器，并將變頻器故障報(bào)警信息作為數(shù)據(jù)采樣的觸發(fā)條件，采集到變頻器發(fā)生故障時(shí)的歷史數(shù)據(jù)曲線，通過對這幾次的曲線情況進(jìn)行比較，針對變頻器發(fā)生F011（變頻器過流報(bào)警）進(jìn)行了認(rèn)真分析。如圖1所示為變頻器故障數(shù)據(jù)曲線。圖1中1為輸出電流曲線；2為輸出實(shí)際速度曲線；3為變頻器U相輸出電流波形。

通過對以上兩次變頻器故障時(shí)采樣的數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行比對不難發(fā)現(xiàn)，這兩次的故障曲線基本一致。主要表現(xiàn)在：①輸出電流曲線1在變頻器報(bào)警點(diǎn)時(shí)間后延時(shí)幾十毫秒變?yōu)榱悖虎谳敵鰧?shí)際速度曲線2在變頻器報(bào)警點(diǎn)時(shí)間變?yōu)榱?；③變頻器輸出電流波形曲線3出現(xiàn)在故障時(shí)間點(diǎn)前100ms的時(shí)間段內(nèi)沒有曲線記錄的情況，而在故障點(diǎn)則出現(xiàn)2-3倍于正常波形幅值的曲線。

圖1 變頻器故障歷史曲線

首先，針對記錄曲線所反映的現(xiàn)象，通過查看變頻器矢量大全中的矢量圖可以發(fā)現(xiàn)，輸出電流（output Amps）曲線1所采樣的數(shù)值為變頻器輸出電流互感器反應(yīng)的電流值，通過計(jì)算后又經(jīng)過一個(gè)2s的濾波延時(shí)后才送給連接量k0022（輸出電流值），而輸出實(shí)際速度曲線2則是直接采用了變頻器的實(shí)時(shí)頻率進(jìn)行計(jì)算而未進(jìn)行濾波直接送到連接量上。因此這就解釋了曲線圖中輸出電流曲線1滯后于速度曲線的原因。變頻器的輸出電流矢量圖如圖2所示。

變頻器輸出電流波形曲線3、4分別是通過變頻器輸出電流互感器采集到的Phase1和Phase3的電流值通過控制板進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后送給相應(yīng)的連接量，通過連接量顯現(xiàn)為曲線圖中的正弦曲線。其矢量圖如圖3所示。

針對這兩次同時(shí)出現(xiàn)電流波形曲線3、4在故障時(shí)間點(diǎn)前幾十毫秒左右的時(shí)間段內(nèi)沒有曲線記錄的情況進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)沒有曲線記錄的這段時(shí)間是因?yàn)殡娏骰ジ衅鳑]有采集到電流數(shù)據(jù)導(dǎo)致的，而造成這種現(xiàn)象是因?yàn)樽冾l器的輸出接觸器出現(xiàn)了瞬間的釋放斷開。斷開的這段時(shí)間電流互感器檢測不到電流因此沒有曲線記錄，但是這段時(shí)間變頻器一直處于正常輸出狀態(tài)，而當(dāng)接觸器瞬間吸合時(shí)相當(dāng)于電機(jī)全壓啟動，其瞬時(shí)電流峰值必然會很大，這就是圖1中在變頻器發(fā)生故障的時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)的2-3倍于正常波形幅值的曲線。當(dāng)這個(gè)波形峰值達(dá)到或超過變頻器的過流報(bào)警閥值時(shí)，變頻器便發(fā)送故障指令F011（變頻器過流）來關(guān)斷變頻器的輸出，從而導(dǎo)致本次事故的發(fā)生。

分析變頻器的輸出接觸器為何出現(xiàn)瞬間的吸合狀態(tài)，由于變頻器的輸出接觸器的線圈是通過PLC的輸出點(diǎn)控制的，因此將PLC系統(tǒng)作為突破點(diǎn)，通過查看PLC系統(tǒng)的診斷信息來分析其原因。

在正常狀態(tài)下PLC運(yùn)行時(shí)的工作步驟如圖4所示。

PLC正常上電啟動后會執(zhí)行一次OB100啟動塊，然后CPU不斷循環(huán)操作以下三個(gè)主要部分：①CPU檢查輸入信號的狀態(tài)并刷新過程映象輸入表；②執(zhí)行用戶程序；③把過程輸出映象輸出表寫到輸出模塊。

在每個(gè)掃描周期，CPU檢查輸入和輸出的狀態(tài)。過程映象輸入表建立在CPU存儲器區(qū)，所有輸入模塊的信號狀態(tài)存放在這里。而PIQ過程映象輸出表包含程序執(zhí)行的結(jié)果值，掃描結(jié)束后傳送到實(shí)際輸出模塊上，如圖5所示。

圖2 變頻器輸出電流矢量圖

圖3 電流矢量圖

圖4 正常狀態(tài)下PLC運(yùn)行時(shí)的工作步驟

圖5 過程映象

圖6 部分代表性報(bào)警信息

當(dāng)PLC發(fā)生通訊中斷時(shí)，其無法訪問映象區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)，CPU會將其存儲區(qū)內(nèi)的輸入輸出信號置為“0”，一旦通訊恢復(fù)正常CPU繼續(xù)執(zhí)行用戶程序，按照程序進(jìn)行輸入輸出分配。由此調(diào)取了發(fā)生故障時(shí)增壓泵變頻器所在的ET200發(fā)生的故障信息，如圖6所示為截取的部分具有代表性的報(bào)警信息。

通過對診斷信息的分析認(rèn)為是由于PLC與變頻器所在的ET200模塊發(fā)生通訊后出現(xiàn)掉站現(xiàn)象，直接導(dǎo)致其在過程映像區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)無法正常訪問，致使ET200的輸入輸出點(diǎn)均為“0”，而變頻器的輸出接觸器線圈是由PLC的輸出點(diǎn)來控制的。因此，當(dāng)增壓泵變頻器所在的ET200模塊出現(xiàn)瞬時(shí)的通訊中斷后，其輸出點(diǎn)輸出為“0”，導(dǎo)致其所控制的接觸器斷開，而當(dāng)通訊恢復(fù)正常后其輸出恢復(fù)到正常狀態(tài)“1”，接觸器吸合，而接觸器瞬間的斷開吸合會產(chǎn)生一個(gè)很大的電流峰值，當(dāng)峰值達(dá)到變頻器的報(bào)警閥值時(shí)變頻器故障停車。

4 處理措施

本次故障其根本原因在于如何解決PLC的通訊問題，一旦PLC的通訊問題解決上述問題也不復(fù)存在了，因此對變頻器所在的ET200M進(jìn)行改造，將增壓泵變頻器所在的ET200M從站取消，將其從站所有的輸入輸出點(diǎn)全部引至PLC的主機(jī)架的輸入輸出卡上，這樣就不會出現(xiàn)ET200M的通訊故障導(dǎo)致的掉站現(xiàn)象。

改造后將從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制原理上避免了通訊故障的產(chǎn)生，確保短絲裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行，徹底擺脫通訊故障對短絲生產(chǎn)的長期困擾。

［1］SIMOVERT MASTERDRIVES矢量控制使用大全.西門子.

［2］西門子S7-400使用手冊.西門子.

［3］化工部短纖維裝置工藝手冊.天津石化公司化工部.