基于PLC 的環(huán)形聯(lián)鎖系統(tǒng)中隱性故障捕捉方法

李剛 盧華亮

（玉溪大紅山礦業(yè)有限公司）

在連續(xù)自動化生產(chǎn)線中，基于PLC 及上位監(jiān)控軟件的綜合報警功能普遍存在一些問題，其主要原因有三點：一是PLC 程序中對絕大多數(shù)現(xiàn)場輸入信號只做讀處理，不進行鎖定。如生產(chǎn)過程中由強烈振動引起的線頭松動、接觸不良等隱性故障，停機后振動消失該類故障能自動消失；二是在上述隱性故障不被鎖定的情況下，由于上位監(jiān)控軟件對PLC的采樣周期大于CPU 自身的循環(huán)掃描時間及關(guān)鍵隱性故障引發(fā)的系統(tǒng)全線跳閘的時間之和，上位監(jiān)控軟件無法準(zhǔn)確及時讀取到該類故障并報警；三是在上述隱性故障被鎖定的情況下，由于故障停機都為急停模式，各設(shè)備間沒有相應(yīng)的停機時間間隔，對于具有環(huán)形聯(lián)鎖的生產(chǎn)系統(tǒng)，上位監(jiān)控軟件捕捉到故障信息但無法區(qū)分發(fā)生的先后順序。上述三條原因也是傳統(tǒng)故障報警模式的通病。針對傳統(tǒng)報警模式存在的問題，通過對PLC 系統(tǒng)運行原理的深入了解，及運行在PLC 系統(tǒng)中的環(huán)形聯(lián)鎖系統(tǒng)的分析，最終找到了基于PLC的環(huán)形聯(lián)鎖隱性故障捕捉方法。

1 選礦廠半自磨機生產(chǎn)工藝與環(huán)形聯(lián)鎖

1.1 半自磨機生產(chǎn)工藝

玉溪大紅山礦業(yè)公司二選廠以半自磨機作為礦石粗磨工序，如圖1 所示。來自井下的原礦石經(jīng)過2#皮帶輸送轉(zhuǎn)至3#皮帶。3#皮帶將礦石輸送至半自磨機進料口。原礦石經(jīng)過半自磨機的研磨后，進入振動篩篩選，細(xì)料進入后續(xù)的生產(chǎn)工序，粗料則經(jīng)過4#皮帶、5#皮帶、6#皮帶后，返回2#皮帶，重新回到半自磨機進行研磨。

圖1 半自磨機生產(chǎn)工藝流程圖

該生產(chǎn)系統(tǒng)是一個典型的環(huán)形輸送系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，任何一個設(shè)備出現(xiàn)故障停機，都會造成輸送系統(tǒng)的堆料。因此，該系統(tǒng)需要使用環(huán)形聯(lián)鎖系統(tǒng)進行設(shè)備保護，聯(lián)鎖系統(tǒng)中，任何一個節(jié)點上的設(shè)備出現(xiàn)故障停機，其他設(shè)備也需要跟隨停機。

1.2 半自磨機環(huán)形聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

半自磨機工作中，進出料的輸送系統(tǒng)成一個環(huán)形結(jié)構(gòu)（見圖1），為了保護半自磨機及皮帶輸送系統(tǒng)，設(shè)計了環(huán)形聯(lián)鎖系統(tǒng)[1]。在環(huán)形聯(lián)鎖系統(tǒng)中，2#皮帶至6#皮帶、直線篩及半自磨機相互聯(lián)鎖，同時，每個個體設(shè)備也有自身的聯(lián)鎖機制。半自磨機環(huán)形聯(lián)鎖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 半自磨機環(huán)形聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)圖

從圖2 可以看出，半自磨機環(huán)形聯(lián)鎖中，每個皮帶及直線篩的斷路器失電信號、自動位丟失信號等異常，均會觸發(fā)本體聯(lián)鎖，停止運行本體設(shè)備。同時，在環(huán)形聯(lián)鎖中，一個設(shè)備停止工作，將聯(lián)鎖停止下一級設(shè)備。

2 半自磨機環(huán)形聯(lián)鎖問題分析

半自磨機的環(huán)形聯(lián)鎖機制對設(shè)備起到很好的保護作用，是一個非常有效的聯(lián)鎖保護機制。然而，環(huán)形聯(lián)鎖最大的問題是沒有明顯的聯(lián)鎖源，當(dāng)某個設(shè)備出現(xiàn)故障時，將一連串停止所有設(shè)備。如果該設(shè)備故障為顯性故障，檢修人員通過故障排查將很快能夠查明故障源。但如果該故障為隱性故障或瞬時性故障，故障產(chǎn)生后又很快恢復(fù)原狀，如信號干擾，或者線頭松動等故障，這時因聯(lián)鎖動作，所有設(shè)備均停止工作，但檢修人員將無法定位故障源，因為在事后的檢修中，將發(fā)現(xiàn)所有設(shè)備均可正常工作。

由于隱性故障發(fā)生及消失的時間間隔非?？欤驹诤撩爰墐?nèi)完成，上位機監(jiān)控系統(tǒng)同下位機PLC 的通訊時間有較長的延遲（一般為500 ms 以上），由于通訊時間延遲太長，上位機很難捕捉隱性故障的觸發(fā)信號。

隱性故障如果不能及時定位故障源，將變成生產(chǎn)系統(tǒng)中的定時炸彈，隨時會發(fā)生，偶然性強，很難預(yù)防，嚴(yán)重影響正常的生產(chǎn)秩序。

3 環(huán)形聯(lián)鎖故障捕捉系統(tǒng)解決方案

由于隱性故障從故障產(chǎn)生到消失的時間非常短，靠上位機的狀態(tài)記錄無法實現(xiàn)，只能在運行聯(lián)鎖程序的PLC 內(nèi)實現(xiàn)。通過實時監(jiān)視聯(lián)鎖程序的觸發(fā)情況，一旦發(fā)現(xiàn)聯(lián)鎖程序被觸發(fā)，立即記錄觸發(fā)源狀態(tài)。

3.1 心跳數(shù)的概念

我們將PLC 的周期性重復(fù)運行比喻為心臟的反復(fù)跳動，PLC 運行一次比喻為心臟跳動一次，PLC 的心跳數(shù)是指PLC 循環(huán)運行的次數(shù)。

心跳數(shù)記錄的程序?qū)崿F(xiàn)見圖3 所示，圖中變量注釋見表1。

表1 變量注釋表

圖3 心跳數(shù)記錄程序

圖3 程序主要用于累計PLC 運行心跳數(shù)，PLC 每順序運行一圈，第一行程序執(zhí)行一次，心跳數(shù)累加一次。

第二行程序用于復(fù)位心跳數(shù)，當(dāng)心跳數(shù)達(dá)到1 億時，或者狀態(tài)記錄復(fù)位時，將心跳數(shù)清零。

3.2 設(shè)計思路

PLC 的運行原理在于循環(huán)運行，及按照指令順序運行[2]。二選廠中控及輔機系統(tǒng)均為AB1756系列的PLC，其運行周期大約為10 ms[3]。

而自磨機環(huán)形聯(lián)鎖系統(tǒng)中，聯(lián)鎖觸發(fā)后，設(shè)備按照順序逐臺停止，在已知PLC 循環(huán)掃描時間的基礎(chǔ)上，通過PLC 記錄進行現(xiàn)場設(shè)備啟停測試，得出設(shè)備控制接觸器動作時間大約在100-160 ms,且每臺設(shè)備的停止時間是不一致的，即按照聯(lián)鎖順序，每臺設(shè)備停止時的心跳數(shù)是不一致的試驗結(jié)果。

3.3 設(shè)計方案程序描述

本設(shè)計方案主要程序如圖4 所示，圖中變量注釋見表2。

表2 變量注釋表

圖4 設(shè)計方案程序

圖4 中列舉了兩個聯(lián)鎖信號源的心跳數(shù)記錄程序。

第一行程序為3#皮帶運行輸出位心跳數(shù)記錄觸發(fā)器。只有在半自磨機處于中正常運行中（CLUTCH_ON_204=1）,并且3#皮帶運行輸出位從ka_203=1（運行狀態(tài)）變?yōu)閗a_203=0（停止?fàn)顟B(tài)）時，觸發(fā)心跳記錄觸發(fā)器REC_ka_203_OSR。

第二行程序中，一旦心跳記錄觸發(fā)器觸發(fā)了，則將當(dāng)前的心跳數(shù)賦值給3#皮帶運行輸出位心跳數(shù)。賦值過程只執(zhí)行一次，觸發(fā)器自動復(fù)零。

按照上述程序，一旦某信號源發(fā)生故障而觸發(fā)環(huán)形聯(lián)鎖后，在半自磨機停止工作前，所有發(fā)生狀態(tài)變化的信號源的心跳數(shù)均被記錄下來。通過查看心跳數(shù)的數(shù)值差異，即能夠分析出觸發(fā)聯(lián)鎖的最初信號源。心跳數(shù)最低的信號源即為故障源。

舉例說明，某次聯(lián)鎖系統(tǒng)被觸發(fā)，事后查看心跳數(shù)，獲得以下心跳數(shù)清單，詳見表3。

表3 舉例-心跳數(shù)清單

根據(jù)表3 內(nèi)心跳數(shù)清單，數(shù)值為0 的，在半自磨機分離合器之前，均未發(fā)送任何動作。數(shù)值不為0 的，則半自磨機分離合器之前，有發(fā)送動作。其中，數(shù)值最小的為6#皮帶自動位及6#皮帶運行輸出位，心跳數(shù)最小，意味著最早開始動作。自動位與運行輸出位同一時間發(fā)送了變化，肯定為自動位的變化，引起運行輸出位的變化。最終，確定本次環(huán)形聯(lián)鎖機制的觸發(fā)源為6#皮帶自動位。

4 應(yīng)用實績

2017 年初，針對礦業(yè)公司二選廠半自磨機給礦系統(tǒng)頻繁跳閘且無法準(zhǔn)確找到故障的情況，在二選廠半自磨機給礦系統(tǒng)實施了此故障捕捉方法，取得了比較好的效果，如圖5。

圖5 中控上位機組態(tài)畫面

該故障捕捉方法在二選廠實施后，對半自磨機系統(tǒng)各個故障點進行了全面監(jiān)測，發(fā)生故障時能通過記錄及時分析找到故障點，采用此方法后，二選廠自磨機運行平穩(wěn)，再未出現(xiàn)因電氣原因不明而頻繁跳閘。按照運用前二選廠每月電氣故障平均處理時間9 h 分析，按原礦處理量600 噸/小時算，預(yù)計損失原礦處理量5 400 噸，按選比2.8計算，損失精礦產(chǎn)出量1 928 噸，按450 元/噸精礦計算，精礦銷售損失86.78 萬元；磨機停機造成電費損失按0.5 元/度計算（電費按容量收取），二選廠生產(chǎn)平均負(fù)荷13 000 kW/h，電費損失13 000×0.5×9=58 500 元；加上節(jié)省的水費、人工及其它，預(yù)計每月可創(chuàng)造效益90 萬元以上。

5 結(jié)論

（1）跳數(shù)記錄法由于能夠準(zhǔn)確的記錄環(huán)形聯(lián)鎖中設(shè)備停機時間，同時具有重復(fù)記錄功能，能夠適用于各種故障情況，是一種非常有效的環(huán)形聯(lián)鎖故障捕捉方法。通過心跳數(shù)，能夠清楚判斷聯(lián)鎖動作過程各個設(shè)備的運行時間節(jié)點，從而能夠更準(zhǔn)確的進行故障分析，在實際生產(chǎn)過程中能夠非常準(zhǔn)確的定位故障源，節(jié)省大量的檢修時間（約9h/月），消除隱患。

（2）該故障捕捉方法在二選廠實施后，加上節(jié)省的水費、人工及其它，預(yù)計每月可創(chuàng)造效益90 萬元以上。此方法已成功運用到礦業(yè)公司一、三選廠半自磨機給礦系統(tǒng)以及井下提升膠帶運輸系統(tǒng)，其他行業(yè)如冶金、建材、石油化工、食品藥品等有聯(lián)鎖工藝生產(chǎn)線的生產(chǎn)系統(tǒng)也可以借鑒使用，具有較大的推廣應(yīng)用價值。