WK-20 型電鏟變頻器“通訊”故障分析

程金營(yíng)

（華能伊敏煤電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021134）

伊敏露天礦WK-20 型電鏟驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用的是西門子6SE70 系列裝機(jī)柜型變頻器，核心控制系統(tǒng)采用的是西門子S7-300PLC。自2007 年陸續(xù)投入運(yùn)行以來，電鏟各類電氣故障時(shí)有發(fā)生，大致可分為輔助部分故障、PLC 故障和變頻器故障。在這些故障中，同時(shí)涉及PLC 部分和變頻器部分的“通訊”故障尤為典型，經(jīng)常是“小毛病引發(fā)大問題”，且故障點(diǎn)隱蔽不易查找，處理時(shí)間較長(zhǎng)。

“通訊”故障是指WK-20 型電鏟上西門子6SE70 系列變頻器報(bào)出的PLC 通訊故障，主從AFE或主從提升通訊故障及人機(jī)界面與PLC 通訊不正常等一系列關(guān)于通訊的故障總稱。

“通訊”故障具體表現(xiàn)為變頻器報(bào)故障代碼F082、F056、F079 和人機(jī)界面數(shù)據(jù)顯示不準(zhǔn)確等，其中F082 是PLC 通訊故障，指在報(bào)文故障時(shí)間內(nèi)，從TB 或CB 收不到新的過程數(shù)據(jù)；F056 是主從提升逆變器柜通訊故障，指SIMOLINK 環(huán)的通訊受擾；F079是主從AFE 柜通訊故障，指在電報(bào)故障時(shí)間內(nèi)，從SCB 接收不到報(bào)文。

1 通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

1.1 PLC 系統(tǒng)通訊控制網(wǎng)絡(luò)

伊敏露天礦WK-20 型電鏟采用變頻調(diào)速電氣系統(tǒng)，“上位機(jī)人機(jī)界面+PLC 現(xiàn)場(chǎng)總線+AFE 變頻傳動(dòng)”三級(jí)控制系統(tǒng)如圖1。PLC 采用西門子S7-300PLC 系統(tǒng)通過Profibus DP 現(xiàn)場(chǎng)總線與變頻器、司機(jī)室等連接實(shí)現(xiàn)分布式控制，實(shí)現(xiàn)整鏟運(yùn)行的時(shí)序邏輯控制；上位機(jī)人機(jī)界面監(jiān)控整機(jī)采用Wincc flexible 2008 軟件，通過CPU 模塊MPI 接口與S7-300PLC 通訊，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控；變頻器內(nèi)數(shù)據(jù)通過Profibus DP 傳輸通訊至PLC，實(shí)現(xiàn)PLC 運(yùn)算控制[1-2]。

圖1 “上位人機(jī)界面+PLC 現(xiàn)場(chǎng)總線+AFE 變頻傳動(dòng)”三級(jí)控制系統(tǒng)

通訊方式采用SIMATIC S7 中的S7 通訊，S7 通訊（S7-communication） 主要用于S7-400/400、S7-400/300 PLC 之間的通訊，是S7 系列PLC 基于MPI、PROFIBUS 過程現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)的一種優(yōu)化的通訊協(xié)議。WK-20 型電鏟變頻器裝置通過標(biāo)準(zhǔn)變頻器的Profibus 通訊模板CBP2 板與Profibus DP 總線聯(lián)結(jié)器連接，PLC 作為Profibus DP 總線的主站，AFE、提升/行走變頻器、推壓變頻器、回轉(zhuǎn)變頻器等安裝CBP2 通訊板后作為設(shè)備從站[3-4]，使裝置和裝置以及PLC 構(gòu)成Profibus DP 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與S7-300 PLC數(shù)據(jù)交換。AFE 柜安裝CBP2 板時(shí)，需要ADB 適配板。在逆變器柜CUVC 板上擴(kuò)展槽可以直接插CBP2通訊板。通訊中斷變頻器將會(huì)報(bào)出故障代碼F082[5]。

1.2 主從提升逆變器通訊控制網(wǎng)絡(luò)

WK-20 型電鏟提升機(jī)構(gòu)采用雙電動(dòng)機(jī)控制，由2 臺(tái)逆變器分別驅(qū)動(dòng)。為了保證2 臺(tái)電動(dòng)機(jī)做功相等，在2 臺(tái)逆變器之間采用了轉(zhuǎn)矩主從控制技術(shù)，1臺(tái)逆變器作為主裝置，采用閉環(huán)速度控制模式；另1臺(tái)逆變器為從裝置，采用轉(zhuǎn)矩控制模式，其轉(zhuǎn)矩給定值直接來自主裝置[6]。

使用SIMOLINK 板（SLB）實(shí)現(xiàn)提升裝置間的高速主從控制，將主提升速度調(diào)節(jié)器輸出的力矩信號(hào)K153 取出，由光纖傳輸?shù)綇奶嵘?，通過P486 參數(shù)接到從提升的速度環(huán)，從而既保證了提升機(jī)構(gòu)2 臺(tái)電動(dòng)機(jī)的速度可控，又保證了2 臺(tái)電動(dòng)機(jī)的出力均衡，使2 臺(tái)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行配合達(dá)到最佳。2 臺(tái)提升逆變器之間的主從通訊控制采用SLB 選件板，來進(jìn)行SIMOLINK 通訊，SLB 直接插在逆變器的CUVC 主板的擴(kuò)展槽上，通過光纖將主從提升裝置SLB 板來連接成閉合環(huán)形回路。通訊中斷將會(huì)報(bào)出故障代碼F056。SLB 選件板框圖如圖2。

1.3 主從AFE 通訊控制網(wǎng)絡(luò)

圖2 SLB 選件板框圖

WK-20 型電鏟AFE 系統(tǒng)采用2 套容量相同的系統(tǒng)并聯(lián)使用，通過SCB1 板和光纖將2 臺(tái)AFE 控制柜連接起來，第1 套AFE 控制柜設(shè)為主裝置，第2套AFE 控制柜設(shè)為從裝置。SCB1 是具有光纖連接端子的接口模塊，可實(shí)現(xiàn)裝置對(duì)裝置的連接功能[7]。SCB1 板將主裝置的啟動(dòng)信號(hào)和電流信號(hào)通過光纜傳輸給從裝置，實(shí)現(xiàn)裝置對(duì)裝置的通訊，主從2 個(gè)裝置啟動(dòng)同步，電流相同，出力均衡，2 臺(tái)AFE 裝置的“運(yùn)行”、“故障”信號(hào)輸入到PLC 進(jìn)行集中控制，用以保證傳動(dòng)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

接口板SCB1 插到AFE 主板CUSA 的電子箱插糟中，裝置對(duì)裝置通過光纖連接。主從AFE 間的數(shù)據(jù)耦合通過Peer to Peer 方式耦合，主AFE 負(fù)責(zé)控制中間回路電壓，電壓調(diào)節(jié)器輸出作為電流給定值傳送給從AFE，從AFE 接收和控制來自主AFE 的電流給定值，實(shí)現(xiàn)2 臺(tái)AFE 并聯(lián)使用。通過參數(shù)設(shè)置來定義主從AFE，主從AFE 參數(shù)設(shè)置P587=0，從AFE 參數(shù)設(shè)置P587=1。主從AFE 間通訊中斷將會(huì)報(bào)出故障代碼F079。主從AFE 裝置連接及參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)圖如圖3。

2 “通訊”故障實(shí)例

2.1 F082 故障典型實(shí)例

2002#電鏟約1 個(gè)月時(shí)間不定時(shí)AFE 或各部機(jī)構(gòu)逆變器停機(jī)，一般沒有故障代碼，有時(shí)6 個(gè)變頻器柜會(huì)隨機(jī)不定時(shí)報(bào)出F082，簡(jiǎn)單處理或斷開PLC 電源再上電均能正常作業(yè)，之后AFE 開始頻繁停機(jī)。

2.1.1 故障現(xiàn)象

1）各部機(jī)構(gòu)逆變器停止使能，其他正常，柜子顯示0009（運(yùn)行準(zhǔn)備狀態(tài)）。

2）試運(yùn)過程中AFE 及各部逆變器停止使能，AFE柜顯示0008，但高壓正常工作（高壓?jiǎn)?dòng)后，AFE 柜正常應(yīng)顯示0009）。

圖3 主從AFE 裝置連接及參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)圖

3）試運(yùn)過程中空氣壓力指示燈滅，提升模式指示燈滅，各部機(jī)構(gòu)逆變器停止使能，AFE 運(yùn)行指示燈滅，但AFE 和高壓正常工作。

4）試運(yùn)過程中空氣壓力指示燈滅，提升模式指示燈滅，AFE 及各部機(jī)構(gòu)逆變器停止使能，顯示0008，但高壓正常。在晚上試運(yùn)中還發(fā)現(xiàn)1#機(jī)架10#槽模塊燈迅速順序亮滅，之后約1 min 內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)以上4 種現(xiàn)象的1 種。

2.1.2 故障原因分析

結(jié)合故障現(xiàn)象，檢查相關(guān)控制線路及元件，首先排除了高壓?jiǎn)?dòng)控制回路、AFE 啟動(dòng)控制回路出現(xiàn)異常的可能性，檢查對(duì)照控制程序后排除了AFE 及各機(jī)構(gòu)控制PLC 程序段出現(xiàn)異常的可能性，之后結(jié)合PLC 輸出模塊指示不正常現(xiàn)象，將故障鎖定在PLC 硬件方面。

1）0#架10#槽輸出模塊（各部機(jī)構(gòu)逆變器使能輸出）停止工作，導(dǎo)致各逆變器得不到使能處輸出信號(hào)，對(duì)應(yīng)故障現(xiàn)象1。

2）2#架4#槽輸出模塊停止工作，導(dǎo)致AFE 得不到Q2.0（AFE 使能）、Q2.2（主AFE 急停）、Q3.1（從AFE 急停）輸出信號(hào)，對(duì)應(yīng)故障現(xiàn)象2。

3）0#架10#槽輸出模塊和1#架9#槽輸出模塊停止工作，導(dǎo)致各各逆變器得不到使能處輸出信號(hào)，Q17.7（空氣壓力指示）、Q17.6（提升模式指示）、Q16.3（AFE 運(yùn)行指示）無輸出，對(duì)應(yīng)故障現(xiàn)象3。

4）綜合1、2、3 情況，2#架4#槽輸出模塊停止工作，1#架9#槽輸出模塊停止工作，0#架10#槽輸出模塊狀態(tài)不定，對(duì)應(yīng)故障現(xiàn)象4。

基本均是由數(shù)量不定的輸出模塊停止工作引起的各類故障現(xiàn)象。PLC 輸出模塊停止工作可能是電源問題、模塊自身性能下降、丟站等原因引起。

2.1.3 故障處理方法

引起此類故障的原因大致可以分為電源問題、模塊自身性能下降、丟站等，需要進(jìn)一步排除。

通過檢查、測(cè)試、替換等方式排查PLC 電源模塊（PS307）電源輸出異常，電源開關(guān)（Q411、Q412）性能不良，U 形連接器、接線端子及導(dǎo)線虛接等電源問題和模塊自身性能下降的原因。PLC 丟站的原因可能由硬件異常、PLC 通訊不良、通訊電纜虛接、屏蔽不良等。最后此故障重新制作各柜Profibus 通訊電纜屏蔽層接地后試鏟正常。

2.2 F056 故障典型實(shí)例

2005#電鏟從提升柜報(bào)出幾次故障代碼F056，可復(fù)位，復(fù)位后正常作業(yè)。作業(yè)過程中運(yùn)行人員正常停機(jī)再啟動(dòng)時(shí)，按下提升制動(dòng)器打開按鈕，提升逆變器開始使能，提升減速機(jī)傳出異聲，提升機(jī)構(gòu)出現(xiàn)零位爬行上升現(xiàn)象。檢查提升主從逆變器勵(lì)磁電流、握持電流兩者不一致，結(jié)合之前報(bào)出的故障代碼F056，重新處理主從提升通訊SIMOLINK 光纖后正常。

2.3 F079 故障典型實(shí)例

2001#電鏟AFE 柜幾次報(bào)出故障代碼F079，均是處理主從AFE 通訊板SCB1 光纖后正常，但效果不佳，主AFE 空載電流94 A，從AFE 空載電流74 A。之后對(duì)主AFE 進(jìn)行測(cè)試盒、模擬測(cè)試均正常。對(duì)從AFE進(jìn)行測(cè)試，模擬測(cè)試正常，測(cè)試盒測(cè)試不正常，VIGBT 導(dǎo)通不正常，UV 地=5 V，UVW=17 V，更換V 相IGD，再測(cè)還是V-IGBT 導(dǎo)通不正常，更換IVI 板，通過模擬測(cè)試和測(cè)試盒測(cè)試。啟動(dòng)試運(yùn)，主從AFE 空載電流均是58 A。從AFE 的IVI 板觸發(fā)不正常影響從AFE 空載電流，進(jìn)而影響主AFE 空載電流。

3 “通訊”故障常用處理方法

PLC 通訊故障的現(xiàn)象一般反應(yīng)在通訊模板CBP2 板上，CBP2 通訊板LED 指示燈：紅代表電源，CBP2 板運(yùn)行；黃代表與基本裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；綠燈代表由Profibus DP 總線傳送有用數(shù)據(jù)。正常運(yùn)行時(shí)，3 個(gè)LED 燈同時(shí)點(diǎn)亮和以相同時(shí)間長(zhǎng)度閃爍。一般紅燈和黃燈出問題，大部分是CBP2 板或主板CUVC 有問題，綠燈出問題則是通訊受擾引起的。從CBP2 板上LED 燈狀態(tài)可以診斷故障信息，通過LED 燈顯示，可以分為以下狀態(tài)：①紅閃、黃斷、綠通：CBP2 板等待基本裝置開始初始化；②紅閃、黃閃、綠斷：沒有有用的數(shù)據(jù)，原因可能由于EMC 干擾，Profibus DP 總線連接器拉出，連接極性錯(cuò)，對(duì)有用的數(shù)據(jù)沒有提供結(jié)點(diǎn)號(hào)等，一般是連接器松動(dòng)、通訊電纜接線有問題等；③紅斷、黃通、綠通：CBP2 板沒有電源，需要更換CBP2 板或檢查裝置內(nèi)其他電子板；④紅通、黃斷、綠通：與基本裝置不能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，需要更換CBP2 板或檢查裝置內(nèi)其他電子板；⑤紅通、黃通、綠斷：沒有有用數(shù)據(jù)，一般是Profibus DP 通訊電纜未連接或損壞。

SLB 通訊板上LED 燈指示和CBP2 通訊板一致，是查找“通訊”故障的根本依據(jù)。在CBP2（SLB/SCB1）板上LED 指示正常的情況下，報(bào)出故障代碼F056/F079/F082 等，則需要考慮通訊干擾、主從光纖接觸不良、電子板自身問題、電源問題等，出現(xiàn)此類故障現(xiàn)象時(shí)一般處理起來比較繁瑣，必要時(shí)進(jìn)行逐個(gè)替換電子板處理。

對(duì)于F082 故障，1 個(gè)柜子報(bào)出故障代碼F082，網(wǎng)絡(luò)中前后相鄰的2 個(gè)裝置的通訊系統(tǒng)也要仔細(xì)檢查處理。在做現(xiàn)場(chǎng)診斷時(shí)，往往發(fā)現(xiàn)很多情況下，通訊出現(xiàn)的問題都是Profibus DP 連接器的內(nèi)部連接出現(xiàn)問題造成的，比如通訊電纜的屏蔽層沒有壓接在接頭的屏蔽金屬層上，通訊電纜的屏蔽層毛刺搭接在通訊電纜上等，因而每次報(bào)出故障代碼F082 都需要盡可能多的檢查Profibus DP 總線連接器內(nèi)的連接情況。

4 降低“通訊”故障頻率的措施

4.1 降低F082 故障的措施

F082 故障是關(guān)于PLC 通訊的問題，每個(gè)涉及Profibus 通訊電纜的柜體都要有良好的接地，Profibus DP 總線連接器頭內(nèi)通訊電纜要做好，包括壓接、毛刺、虛接、短路、接地處理等，才能把干擾消除掉。Profibus DP 總線連接器頭內(nèi)有金屬殼，Profibus 通訊電纜屏蔽層要和頭內(nèi)金屬殼良好緊密接觸，同時(shí)要與柜體良好接觸，做好各柜屏蔽接地，避免干擾。接地不良引起的干擾表現(xiàn)出的故障現(xiàn)象多集中在PLC 通訊、硬件或組態(tài)上，不定時(shí)爆發(fā)，比較難發(fā)現(xiàn)和處理。其中PLC 與人機(jī)界面通訊不正常，導(dǎo)致人機(jī)界面顯示數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的原因通常就是通訊電纜屏蔽做的不好，接地不良引起干擾。在日常維護(hù)中建議做好以下幾點(diǎn)：

1）Profibus DP 通訊電纜必須套金屬屏蔽管，且屏蔽管要連續(xù)，中間不能斷開，盡可能的減少電磁干擾對(duì)通訊的影響。

2）Profibus DP 連接器內(nèi)通訊電纜壓接要符合標(biāo)準(zhǔn)，減少毛刺、虛接、短路、接地處理不當(dāng)對(duì)通訊影響。

3）CBP2 板安裝要緊固，CBP2 板上Profibus DP連接端口針腳極易斷裂，每次拆裝時(shí)要尤為小心，防止針腳虛接引起通訊故障。

4）Profibus DP 連接器安裝要緊固，杜絕連接器虛接引起的通訊故障[8]。

5）經(jīng)常檢查Profibus DP 連接器上終端電阻開關(guān)是否正常。終端電阻可以起到中止網(wǎng)段，吸收浪涌以及防止干擾等作用。

6）經(jīng)常檢查Profibus DP 通訊電纜屏蔽層是否妥善進(jìn)行接地處理。屏蔽在通訊中有著至關(guān)重要的作用，因?yàn)樵O(shè)備上的電磁兼容環(huán)境比較惡劣，往往會(huì)對(duì)通訊造成較大的影響，因而通訊電纜要求有良好的屏蔽并做接地處理。

7）在屏蔽的處理上，首先要在Profibus DP 連接器內(nèi)按要求做好屏蔽，其次通訊電纜屏蔽層盡量不要從中間斷開，端子連接。最后在通訊電纜進(jìn)入變頻柜時(shí)，必須按要求進(jìn)行屏蔽接地的處理，將電纜外皮剝開，屏蔽層與“地”進(jìn)行大面積的連接。

8）經(jīng)常檢查整個(gè)通訊系統(tǒng)的屏蔽層接地，一旦屏蔽層上有干擾電流，將通過接“地”就近被釋放掉，不會(huì)對(duì)通訊甚至設(shè)備造成影響。

9）日常布線時(shí)動(dòng)力電纜與通訊電纜應(yīng)分線槽或分層布置[9]，通訊電纜應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離強(qiáng)的騷擾源（例如較大的用電設(shè)備、電源、變頻器等）。

4.2 降低F079/F056 故障的措施

主從提升通訊故障代碼F056，主從AFE 通訊故障代碼F079，除報(bào)出的故障代碼不一樣外，其它具有很多共同之處，預(yù)防措施基本相同。

1）通訊光纖必須套金屬屏蔽管，且屏蔽管要連續(xù)，中間不能斷開，盡可能的減少電磁干擾對(duì)通訊的影響。

2）通訊光纖頭制作要符合標(biāo)準(zhǔn)，減少光纖內(nèi)玻璃纖維斷裂、接觸面不平等對(duì)通訊的影響。

3）SLB（SCB1）板安裝要緊固，板上光纖連接端口容易松動(dòng)，防止端口虛接引起通訊故障。

4）通訊光纖頭安裝要緊固到位，杜絕通訊光纖頭虛接引起的通訊故障。

5）灰塵對(duì)通訊光纖影響很大，應(yīng)盡量避免板上光纖連接端口內(nèi)及通訊光纖頭受灰塵污染，影響通訊效果。

6）主從通訊故障發(fā)生之前一般會(huì)影響主從AFE或主從提升逆變器輸出電流，應(yīng)經(jīng)常監(jiān)測(cè)電流變化，提前消除主從通訊不良故障。

5 結(jié)語(yǔ)

WK-20 型電鏟變頻器“通訊”故障不易徹底處理，有時(shí)頻率過高極易造成變頻器損壞，因此提高通訊網(wǎng)絡(luò)可靠性顯得十分重要。同時(shí)，日常預(yù)防性檢修工作時(shí)應(yīng)重點(diǎn)檢查通訊網(wǎng)絡(luò)，杜絕屏蔽、接地不良、虛接、灰塵污染帶來的影響，為設(shè)備的安全可靠運(yùn)行提供保障。