李顯通

（陜西省寶雞鈦業(yè)股份有限公司鍛造廠，陜西寶雞 721014）

0 引言

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，德國西門子S7-400PLC 的應(yīng)用極大的提高工業(yè)生產(chǎn)過程控制的穩(wěn)定可靠性，他的優(yōu)點(diǎn)在于有較強(qiáng)的可靠性和強(qiáng)抗干擾能力，同時(shí)他的控制功能強(qiáng)大，可編程及系統(tǒng)運(yùn)行可視化大大提高。在工業(yè)控制中，S7-400PLC 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝的水平，決定他發(fā)生故障的情況非常少。但是由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有許多不確定因素，如現(xiàn)場(chǎng)塵埃、振動(dòng)及設(shè)計(jì)安裝不合理等，對(duì)S7-400PLC 控制器本身和組成系統(tǒng)的其他設(shè)備、輸入/輸出信號(hào)和程序等，都可能會(huì)產(chǎn)生影響，有可能損壞系統(tǒng)PLC 硬件，最終導(dǎo)致設(shè)備長(zhǎng)期停產(chǎn)。寶雞鈦業(yè)股份有限公司2500 t 鍛壓機(jī)組是應(yīng)用S7-400PLC 為核心的一套鍛壓設(shè)備，為減少應(yīng)用S7-400PLC 的控制系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)的故障率，需要了解工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分布、預(yù)測(cè)設(shè)備上與PLC 聯(lián)系緊密的電氣元件的故障容易發(fā)生的地方，同時(shí)對(duì)容易發(fā)生故障的地方提前做好預(yù)防性檢修。

1 系統(tǒng)故障的概念

系統(tǒng)故障指整個(gè)設(shè)備因?yàn)楦鞣N因素導(dǎo)致系統(tǒng)控制失效、精度降低等而導(dǎo)致設(shè)備停產(chǎn)的各種原因總和。可分為PLC元件或程序故障和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)控、執(zhí)行元件故障兩部分。PLC 系統(tǒng)包括CPU 電源、中央處理器、I/O 模塊及相關(guān)的通信網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備。設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)元件包括繼電器、接觸器、傳感器、儀表、機(jī)械閥等。

2 2500 t 鍛壓機(jī)的設(shè)備故障統(tǒng)計(jì)及原因分析處理

2.1 2500 t 鍛壓機(jī)組控制系統(tǒng)

2500 t 鍛壓機(jī)組采用德國西門子400 系列PLC 為核心組成（圖1）。采用2 個(gè)S7-400 PLC，2 個(gè)S7-400 的CPU 416-2 都配備有MPI 口和PROFIBUS-DP 通信口，2 臺(tái)鍛造操作機(jī)分別采用S7-300 PLC，S7-300 的CPU 318 也配備有MPI 口和PROFIBUS-DP 通信口，4 個(gè)CPU 的MPI 和PROFIBUS-DP 通信口電纜相互連接，實(shí)現(xiàn)隨地訪問CPU 的功能。其中S7-400 PLC1 實(shí)現(xiàn)鍛造壓力機(jī)各個(gè)高壓泵、控制泵、控制閥、各輔助設(shè)備等動(dòng)作的控制。S7-400 PLC2 實(shí)現(xiàn)鍛造壓機(jī)動(dòng)作的控制。

圖1 系統(tǒng)配置框圖

2.2 系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

系統(tǒng)運(yùn)行近10 a 來鍛壓機(jī)故障統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 鍛壓機(jī)故障統(tǒng)計(jì) 次

10 a 來，鍛壓機(jī)故障共計(jì)45 次，其中PLC 的自身故障比例約為11.1%，設(shè)備元器件故障比例約為88.9%。與設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)所使用其他品牌的PLC 自身故障做比較，西門子S7-400PLC 自身的故障率不高，穩(wěn)定性較好。

2.3 系統(tǒng)故障分析及處理

2.3.1 西門子S7-400 PLC 主機(jī)系統(tǒng)

西門子S7-400 PLC 一般情況下系統(tǒng)電源、CPU、通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、程序運(yùn)行都比較可靠。但是在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，受惡劣環(huán)境和維護(hù)技術(shù)人員水平的影響，偶爾會(huì)出現(xiàn)一些問題。①現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電源由于需要長(zhǎng)時(shí)間工作，其散熱，偶爾的電壓、電流的不穩(wěn)定都有可能造成電源損壞而導(dǎo)致設(shè)備故障。2500 t 鍛壓機(jī)工作過程中出現(xiàn)電源模板POS 405 10 A 燒損的故障，經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)模板輸入電壓220 V 由于供電系統(tǒng)前端故障使電壓異常升高到250 V 左右運(yùn)行，導(dǎo)致模板燒損。處理供電系統(tǒng)故障后，一直運(yùn)行穩(wěn)定；②通信模塊及系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)受外部干擾和外部環(huán)境也能造成通信故障。該系統(tǒng)PLC 的CPU 曾頻繁出現(xiàn)BUS1F 亮紅燈故障，系統(tǒng)停止運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員通過查找發(fā)現(xiàn)分站模塊ET200M 通信線插頭處屏蔽線偶爾搭接通信線纜導(dǎo)致，處理插頭后再未出現(xiàn)此故障。

系統(tǒng)總線的故障產(chǎn)生的原因有多個(gè)方面。①PLC 為模塊式結(jié)構(gòu)，模塊插拔有可能會(huì)導(dǎo)致局部接連接器、線路板等處損壞；②在大氣中溫度和濕度的影響下，有可能造成模塊上的電路的損壞、插件的接頭處氧化等。系統(tǒng)曾頻繁出現(xiàn)1 個(gè)模擬輸入模塊上的數(shù)值顯示最大值故障，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)輸入模塊后連接器有1個(gè)點(diǎn)由于氧化原因接觸不良，更換后連接器后，系統(tǒng)故障消除。西門子S7-400 PLC 系統(tǒng)在設(shè)備設(shè)計(jì)和日常檢修維護(hù)的時(shí)候要排除現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響。同時(shí)在系統(tǒng)安裝過程中要提高安裝質(zhì)量，接線要牢靠，動(dòng)力電源和通信電源要盡量分開布置。

2.3.2 系統(tǒng)PLC 的I/O 端口

西門子S7-400PLC 的I/O 模塊分為數(shù)字量I/O 模塊和模擬量I/O 模塊。I/O 模塊是體現(xiàn)PLC 性能的關(guān)鍵部件，更容易受外部干擾而損壞。①外部設(shè)備故障容易引起I/O 模塊損壞，2500 t鍛壓機(jī)在使用過程中出現(xiàn)數(shù)字量I/O 模塊1 個(gè)輸入點(diǎn)常量，但是其外部沒有給他24 V 信號(hào)，經(jīng)程序檢查該點(diǎn)也沒有輸入信號(hào)，判斷是模塊輸入點(diǎn)損壞。檢查發(fā)現(xiàn)其外部連接閥的閥控板損壞，給模塊反饋的24 V 信號(hào)功率變大，導(dǎo)致該輸入點(diǎn)損壞。更換閥控板和該數(shù)字輸入模塊后系統(tǒng)運(yùn)行正常；②維修人員的不正當(dāng)維修可能導(dǎo)致I/O 模塊損壞，一次該系統(tǒng)有1 傳感器插頭線損壞，維護(hù)人員在沒有停止CPU 電源的情況下帶電焊接插頭電線后1 模擬量輸出模塊報(bào)警損壞。分析原因是由于電烙鐵漏電導(dǎo)致該模塊損壞。綜上所述，要降低西門子S7-400PLC 的I/O模塊故障率就要減少外部各種干擾對(duì)其影響，電路上要增加繼電器進(jìn)行隔離。

2.3.3 現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備

（1）第一類故障最多的點(diǎn)在繼電器、接觸器。繼電器和接觸器在設(shè)備中是易損件，一方面與元器件的本身生產(chǎn)品質(zhì)有關(guān)，同時(shí)接觸器、繼電器在長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)作過程中其觸頭處由于電弧作用會(huì)產(chǎn)生氧化反應(yīng)，然后發(fā)熱變形導(dǎo)致觸頭損壞。在該設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行中，繼電器需要頻繁動(dòng)作，備件上應(yīng)盡量嚴(yán)格按照現(xiàn)場(chǎng)工作電壓、電流來選擇接觸器、繼電器的工作電壓、電流，選用質(zhì)量較好的生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品。電氣柜要防塵、防止異物進(jìn)去。滿足這些條件，可以大大降低繼電器和接觸器損壞次數(shù)，大大減少設(shè)備的故障停機(jī)時(shí)間。

（2）第二類故障主要發(fā)生在限位保護(hù)裝置上。在該鍛壓機(jī)上限位保護(hù)裝置一般多安裝在油泵進(jìn)出油口、壓機(jī)框架上下限等位置。由于該設(shè)備在運(yùn)行過程中振動(dòng)大，而且現(xiàn)場(chǎng)粉塵較大，極容易導(dǎo)致限位保護(hù)裝置上電氣元件的接觸點(diǎn)出現(xiàn)變形和氧化，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)油污、粉塵大造成電器元件上的接觸點(diǎn)污損，導(dǎo)致限位保護(hù)失效。電氣維護(hù)檢修人員就要在日常定期維護(hù)中，定期檢查開關(guān)是否松動(dòng)、變形，定期清理上面的灰塵。由于現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)開關(guān)多，在設(shè)計(jì)的過程中將開關(guān)的狀態(tài)能在電腦屏幕上可視化顯示，能極大的減少維護(hù)人員查找故障的工作量。

（3）第三類故障點(diǎn)為比例閥、伺服閥。比例閥和伺服閥是系統(tǒng)控制的執(zhí)行元件，其電氣故障主要發(fā)生在其閥控板上。由于該系統(tǒng)使用的比例閥和伺服閥閥控板都在現(xiàn)場(chǎng)閥體上所帶，其現(xiàn)場(chǎng)油污、灰塵、振動(dòng)都可能會(huì)對(duì)其電子設(shè)備產(chǎn)生影響，導(dǎo)致閥控板損壞。在日常維護(hù)過程中，一方面要定期清理其上面油污和灰塵，緊故閥控板固定座和插頭。另一方面，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上將閥的給定和反饋開口度在電腦屏幕上實(shí)時(shí)顯示，對(duì)判斷系統(tǒng)故障能起到很大幫助。

（4）第四類故障點(diǎn)電子測(cè)量?jī)x器包括傳感器、儀表等。由于設(shè)備在運(yùn)行中控制系統(tǒng)要時(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，電子測(cè)量?jī)x器損壞后中一般反映在測(cè)量的數(shù)據(jù)和實(shí)際不一致。為了減少這類故障的發(fā)生，一方面在設(shè)備安裝時(shí)要采用屏蔽電纜作為傳感器和儀表的信號(hào)電纜，屏蔽電纜要一端做好接地。在電纜敷設(shè)時(shí)，動(dòng)力電纜和信號(hào)電纜分開敷設(shè)，有大型變頻器的地方，變頻器電纜更應(yīng)做好屏蔽，防止信號(hào)干擾。另一方面，在選用傳感器和儀表時(shí)盡量選擇可靠性比較高且適用于大振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的品牌。

3 結(jié)束語

通過對(duì)10 a 來設(shè)備故障發(fā)生的規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，發(fā)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的故障的預(yù)防及處理主要是需要提高技術(shù)人員和維護(hù)人員的水平，定期檢查模塊是否有松動(dòng)，電源接線是否牢靠，定期除塵。同時(shí)在處理外部故障時(shí)，維修人員首先要按照規(guī)定停止PLC 電源，并斷開CPU 的I/O 模塊接線后再維修外部設(shè)備。在日常巡檢中，對(duì)傳感器、儀表的電纜、固定牢固程度進(jìn)行檢查處理，可降低故障率。