基于PLC的岸橋電控系統(tǒng)故障分析

忻嘉霖

(上海港教育培訓(xùn)中心，上海 200136)

0 引 言

在集裝箱港口裝卸工藝迅猛發(fā)展的當(dāng)下，大型起重機(jī)的電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)勢(shì)必會(huì)朝著具有寬調(diào)速、高精度、快響應(yīng)、大功率等方向發(fā)展，以保證在進(jìn)行起重作業(yè)過(guò)程中的平穩(wěn)、可靠和良好的低速就位性能。

岸橋的工作機(jī)構(gòu)主要由起升、俯仰、小車和大車這四部分組成。機(jī)構(gòu)的基本工作類型均為重復(fù)短時(shí)工作制。岸橋四大機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置基本采用變頻驅(qū)動(dòng)裝置，采用PLC控制和CMS監(jiān)控系統(tǒng)，具備一定的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和故障診斷功能。

1 岸橋電控系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

岸橋電氣控制系統(tǒng)主要分為主回路和控制回路。主回路部分的基本作用是將高架滑觸線或者柴油發(fā)電機(jī)組所供應(yīng)的持續(xù)穩(wěn)定的三相電源進(jìn)行一系列的變化(例如，變頻、濾波等)，并對(duì)經(jīng)過(guò)變化后的三相電源進(jìn)行輸出功率的選擇控制，以最合適、最優(yōu)化的電源驅(qū)動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)。如圖1所示，其主回路上常用的電器元件有：三相空氣開關(guān)、交流接觸器、變頻器和馬達(dá)。

控制回路部分的基本作用是對(duì)主回路的變頻器及接觸器進(jìn)行控制，使變頻器按照輸入的指令信息輸出相應(yīng)的滿足指令要求參數(shù)(頻率、相位、幅值、功率)的三相電源。操作人員可通過(guò)打開控制相應(yīng)動(dòng)作的接觸器，使動(dòng)作成立?？刂苹芈钒ú僮餮b置、反饋裝置、安全保護(hù)裝置以及PLC。

圖1 岸橋主回路部分原理圖

1.2 基于PLC岸橋電控系統(tǒng)的工況

PLC是控制回路的核心，其輸出端是逆變器和接觸器，其輸入端是操作指令手柄和位置限位，是指令和反饋器件。基于PLC的岸橋中的控制流程總共分為四個(gè)階段：

(1)通過(guò)操作指令手柄選擇需要的動(dòng)作指令將信號(hào)輸入給PLC,例如選擇小車動(dòng)作，在這個(gè)過(guò)程中并配合一檔速度，指令手柄就會(huì)發(fā)出動(dòng)作方向信號(hào)以及檔位速度信號(hào)給PLC。

(2)PLC收到指令信號(hào)之后，掃描內(nèi)部程序，檢測(cè)此時(shí)的輸出信號(hào)，在無(wú)異常情況下，根據(jù)指令給予的動(dòng)作方向信號(hào)和檔位速度信號(hào)進(jìn)行處理，將處理的數(shù)據(jù)輸出給逆變器和接觸器，岸橋的工作機(jī)構(gòu)動(dòng)作開始執(zhí)行。

(3)在動(dòng)作持續(xù)的過(guò)程中，工作機(jī)構(gòu)的反饋信號(hào)會(huì)不時(shí)地從反饋裝置輸入給PLC,PLC會(huì)根據(jù)這些反饋信號(hào)作出相應(yīng)的輸出改變[1]。

(4)除了反饋信號(hào)能改變輸出外，操作指令信號(hào)的改變也能改變相應(yīng)的輸出。

2 典型案例分析

岸橋的電氣線路眾多，控制復(fù)雜，設(shè)備電氣故障呈現(xiàn)出診斷時(shí)間長(zhǎng)、故障原因診斷難度大的特點(diǎn)，當(dāng)然，如果能夠找到故障源，難題會(huì)很快迎刃而解。目前，岸橋電氣故障大致分為以下幾類：(1)由于電源開關(guān)或保護(hù)設(shè)備的故障引起的電源不到位故障；(2)由于控制系統(tǒng)的故障引起控制不能復(fù)位，整機(jī)無(wú)法復(fù)位的現(xiàn)象；(3)由于PLCCPU故障，通信模塊故障以及通信線路故障引起的系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)不到位或誤信號(hào)傳輸?shù)默F(xiàn)象[2]；(4)交流或直流調(diào)速器本身的故障現(xiàn)象；(5)起升、小車、大車等工作機(jī)構(gòu)無(wú)任何動(dòng)作或由于故障導(dǎo)致中斷動(dòng)作的現(xiàn)象。

鑒于西門子系列PLC在岸橋中的應(yīng)用較為普遍，所以下面就以S7-300作為平臺(tái)對(duì)典型的故障案例進(jìn)行介紹。

2.1 S7-300 ET200M BUSF故障

2.1.1故障現(xiàn)象

上海港外高橋四期碼頭的一臺(tái)岸橋剛開始進(jìn)行裝卸作業(yè)的時(shí)候突然出現(xiàn)控制電跳閘的情況，裝卸司機(jī)發(fā)現(xiàn)故障之后嘗試按控制閉合按鈕，但岸橋無(wú)任何動(dòng)作。

2.1.2故障分析與處理

檢修人員第一時(shí)間查看岸橋PLC程序的NETWORK23區(qū)間，該段程序是“控制閉合允許”部分，如圖2所示。在該段程序中，檢修人員發(fā)現(xiàn)PROFIBUS FAULT(M100.1)即通信故障限位出現(xiàn)故障，所以導(dǎo)致了控制送不上電的問(wèn)題發(fā)生。通過(guò)對(duì)M100.1限位的查詢，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)該岸橋大車鞍梁的PLC擴(kuò)展模塊ET200M出現(xiàn)BUSF通信故障，如圖3所示。

圖2 岸橋控制閉合允許程序控制流程圖

BUSF故障是PLC中的總線故障，當(dāng)Profibus-DP(Decentralized Periphery)接口硬件或軟件發(fā)生故障，紅色總線故障指示燈就會(huì)亮起[3]。

檢修人員打開大車鞍梁的大車模塊站電氣柜之后果然看到包含電源模塊、通信模塊、I/O模塊的整個(gè)PLC站都沒(méi)有通電。因?yàn)檎麄€(gè)PLC站是通過(guò)電源模塊PS307供電，所以初步判斷是該電源模塊出現(xiàn)故障。造成這種不正常情況的原因大致分為三個(gè)可能性：一是電源模塊的輸入電源110 V供電不正常；二是電源模塊24 V側(cè)負(fù)載有短路現(xiàn)象；三是電源模塊損壞，沒(méi)有24 V輸出。

圖3 岸橋I/O通信站點(diǎn)程序控制流程圖

為了能找到上述三個(gè)問(wèn)題中的確切根源，檢修人員首先從輸入電源故障問(wèn)題入手，首先解下電源模塊的110 V輸入電源線，利用萬(wàn)用表的交流電壓檔測(cè)量電源線輸入電壓，顯示數(shù)值為110 V,排除了輸入電源的故障。接著，檢修人員解下24 V側(cè)的輸出電源線，利用萬(wàn)用表的電阻檔測(cè)量24 V電源線的正負(fù)兩極之間的電阻，因?yàn)殡娫淳€之間有繼電器等負(fù)載，測(cè)量之后的電阻大于200 Ω左右屬于正常情況。然后，在測(cè)量24 V正極電源線的對(duì)地電阻的過(guò)程中同樣沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有短路情況，這就說(shuō)明電源模塊24 V側(cè)負(fù)載都正常，于是恢復(fù)了上述接線。最后，檢修人員利用萬(wàn)用表的直流電壓檔測(cè)量正負(fù)極之間的電壓數(shù)值，結(jié)果沒(méi)有24 V的電壓輸出，由此判斷電源模塊已經(jīng)損壞。于是在更換了新的電源模塊之后，PLC站各模塊工作恢復(fù)正常，故障排除[4]。

2.2 起升動(dòng)作無(wú)全速故障

2.2.1故障現(xiàn)象

上海港外高橋四期碼頭的某臺(tái)岸橋在例行的起升作業(yè)中，其起升動(dòng)作在海側(cè)下降到距離裝卸目標(biāo)8 m高度時(shí)沒(méi)有達(dá)到應(yīng)有的全速狀態(tài)，到0 m時(shí)停止。

2.2.2故障分析與處理

該故障屬于岸橋電控系統(tǒng)外圍設(shè)備故障，發(fā)生事故的岸橋正準(zhǔn)備起吊船舶上的集裝箱，此時(shí)在下降過(guò)程中處于空載狀態(tài)，其速度范圍一般在80 m/min～120 m/min(帶載時(shí)起升機(jī)構(gòu)的工作速度則為40 m/min～50 m/min)[5]。檢修人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步認(rèn)為該岸橋所呈現(xiàn)出來(lái)的故障現(xiàn)象應(yīng)該是岸橋起升機(jī)構(gòu)在陸側(cè)運(yùn)行時(shí)的工況，而非海側(cè)工況。之所以會(huì)出現(xiàn)這樣的混淆很有可能是海陸鑒別信號(hào)丟失。岸橋的起升機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程分為陸側(cè)與海側(cè)，通過(guò)安裝在岸橋大梁絞點(diǎn)處的電磁限位檢測(cè)，也可通過(guò)小車編碼器鑒別海陸側(cè)。事發(fā)岸橋的海陸鑒別限位安裝在小車上。于是，檢修人員在對(duì)相應(yīng)程序段進(jìn)行了仔細(xì)檢查，如圖4所示。其中：LANDTMR-吊具著箱時(shí)間延時(shí)限位；HSLACK-起升松繩限位；ALW_OFF-主令開關(guān)全部斷開；HDNSTPLS-起升陸側(cè)下降停止限位(凸輪限位)；HDKDNSTP-起升陸側(cè)下降停止位置(編碼器)限位；TOVRDCK-小車海陸鑒別限位；SLKCBST-鋼絲繩松繩停止限位；LANDBYS-吊具著箱旁路限位；HSDDNSTP-起升下降海側(cè)停止(編碼器)；HDNSDSTP-起升慢速下降停止限位；TSLPOS-小車鞍梁保護(hù)限位；“SCR OR-Empty”-吊具電纜卷筒空槽限位；HTECB-起升/小車應(yīng)急開關(guān)；HDNPRM-起升下降允許限位；TODCKPOS-小車海陸側(cè)位置限位；SLDET-小車海陸側(cè)檢測(cè)限位。

參照梯形圖(如圖4所示)分析，導(dǎo)致起升機(jī)構(gòu)在海側(cè)減速的原因很有可能是海陸鑒別信號(hào)丟失。在起升下降允許段程序中，TOVRDCK限位代表海陸鑒別限位信號(hào)，而通過(guò)小車海陸鑒別段程序，檢修人員注意到海陸側(cè)之間來(lái)回運(yùn)行的小車上的TOVRDCK時(shí)有時(shí)無(wú)。由于海陸鑒別限位采用的是磁鐵感應(yīng)限位，該限位信號(hào)不穩(wěn)定的主要原因是由于限位故障、線路故障和限位不在磁鐵的感應(yīng)范圍之內(nèi)。檢修人員在確認(rèn)了限位與線路正常之后，發(fā)現(xiàn)限位的感應(yīng)距離存在較大偏差，這也是導(dǎo)致故障發(fā)生的最終根源。在調(diào)整限位的感應(yīng)距離之后，海陸鑒別限位與磁鐵的距離恢復(fù)到了允許的感應(yīng)范圍之內(nèi)，然后經(jīng)過(guò)裝卸司機(jī)試車運(yùn)行恢復(fù)正常。

圖4 海陸側(cè)鑒別程序

3 結(jié)束語(yǔ)

本文列舉的兩個(gè)典型案例屬于不同類型的故障，但是它們的故障診斷思路卻有一些共同點(diǎn)：

(1)無(wú)論是PLC電源故障還是外圍故障，檢修人員檢查故障原因的辦法不僅僅需要查看PLC的CPU輸入模塊指示燈以及CMS(起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng))指示屏幕，還需要通過(guò)梯形圖檢查。

(2)如果遇到控制系統(tǒng)送不上電或者送電后瞬間跳閘的情況，檢修人員需要檢查系統(tǒng)主令是否歸零或有卡住現(xiàn)象，工作機(jī)構(gòu)是否有按鈕動(dòng)作或短路。

(3)岸橋電控系統(tǒng)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)在一定的掃描周期內(nèi)模塊丟失的通信故障[6]，面對(duì)這種情況，檢修人員必須檢查系統(tǒng)模塊數(shù)是否與設(shè)定值相同，模塊均有保護(hù)功能，由于各種原因可能導(dǎo)致模塊保護(hù)性停止，此時(shí)檢修人員可以斷開所有的電源，過(guò)30 s左右再合上電源，等保護(hù)性停止解除，系統(tǒng)恢復(fù)正常。

(4)上述第二個(gè)案例中提到了海陸側(cè)工況問(wèn)題，作為檢修人員，在面對(duì)起升機(jī)構(gòu)運(yùn)行慢速或沒(méi)有動(dòng)作的故障現(xiàn)象時(shí)，除了要對(duì)實(shí)際工況有所熟悉之外，還需借助PLC仔細(xì)檢查相關(guān)程序的命令線圈，找到觸點(diǎn)動(dòng)作的根源是必不可少的一步。