王生狀

(潞安化工集團(tuán) 王莊煤礦，山西 長治 046031)

隨著科技的不斷發(fā)展進(jìn)步與智能化礦井建設(shè)的不斷推進(jìn)，礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的自動化水平日益提高，但同時也導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜程度不斷增大，從而對電控系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性提出了更高的要求[1]。自動化、智能化水平的提升，對電控系統(tǒng)各個設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控更加全面，系統(tǒng)的保護(hù)功能更加完善，有助于提高電控系統(tǒng)的安全性。但由于提升機(jī)電控系統(tǒng)涉及設(shè)備繁多、系統(tǒng)復(fù)雜，各故障間存在不確定的耦合邏輯關(guān)系，又導(dǎo)致了故障診斷困難。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因提升機(jī)電控系統(tǒng)故障導(dǎo)致的系統(tǒng)停機(jī)時間中，有80%以上用于故障診斷，而故障處理的時間不到20%[2]。因此，如何準(zhǔn)確、快速地診斷故障，對提高電控系統(tǒng)故障排查效率，保障礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。

目前國內(nèi)提升機(jī)電控系統(tǒng)大部分僅采用上位機(jī)對故障進(jìn)行指示及記錄，但受上位機(jī)監(jiān)控軟件數(shù)據(jù)采集速率的限制，一般為500 ms及以上，而PLC控制器的程序執(zhí)行時間一般僅有幾十毫秒[3]，且由于提升機(jī)電控系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)雜的邏輯閉鎖關(guān)系，一個故障往往可能導(dǎo)致多條次生故障產(chǎn)生，僅靠上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)很難判斷故障發(fā)生的先后順序及邏輯關(guān)系，也就無法實(shí)現(xiàn)故障源的診斷。當(dāng)有故障發(fā)生時，上位機(jī)上的報(bào)警系統(tǒng)會出現(xiàn)好多條記錄，現(xiàn)場檢修工人普遍反映一紅一大片，分不清哪個是初始故障，這給現(xiàn)場分析和故障排除帶來了困難，勢必導(dǎo)致生產(chǎn)的延誤。

根據(jù)提升機(jī)電控系統(tǒng)的工藝要求及特點(diǎn)，系統(tǒng)故障按照對設(shè)備及人員的危害程度可分為以下三類[4]：①安全回路類故障，當(dāng)發(fā)生該類故障時必須立即施加安全制動，否則將造成嚴(yán)重的設(shè)備損壞或人員傷亡；②電氣制動類故障，當(dāng)發(fā)生該類故障時必須立即停車，但無需直接施加安全制動，運(yùn)行通過電氣制動方式將速度降低為零后再施閘，同時動作電氣閉鎖回路但不施加安全制動；③電氣閉鎖類故障，當(dāng)發(fā)生該類故障時不會立即造成設(shè)備或人員損傷，允許完成當(dāng)前提升任務(wù)，閉鎖后續(xù)提升任務(wù)的執(zhí)行，但不施加安全制動。對于電氣制動類故障和電氣閉鎖類故障，由于其不會對設(shè)備及人員造成嚴(yán)重?fù)p傷，且可在“應(yīng)急模式”下對相應(yīng)故障進(jìn)行屏蔽，以滿足應(yīng)急開車需求。因此，對提升機(jī)電控系統(tǒng)故障診斷的研究主要集中在電氣制動類故障的診斷。

對于一些因電氣設(shè)備明顯損壞導(dǎo)致的故障，診斷起來非常簡單，此處就不再贅述了。本文主要研究不同子系統(tǒng)間故障的診斷與區(qū)分，基于時序及邏輯關(guān)系的故障源診斷，通訊類故障診斷及偶發(fā)性機(jī)電耦合型故障的診斷。

1 各類提升機(jī)電控系統(tǒng)故障診斷方法

1.1 不同子系統(tǒng)間故障的診斷與區(qū)分

提升機(jī)電控系統(tǒng)整體上可分為主控系統(tǒng)和閘控系統(tǒng)，而主控系統(tǒng)又可細(xì)分為配電與輔助控制系統(tǒng)、工藝控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、信號系統(tǒng)等，任何一個子系統(tǒng)的故障均會導(dǎo)致電控系統(tǒng)安全回路斷開、施加安全制動。由于各個子系統(tǒng)間的相互耦合，很難區(qū)分實(shí)際故障發(fā)生的位置，為故障的診斷帶來了困難。本文充分利用PLC“輸入掃描”、“程序執(zhí)行”、“輸出刷新”的基本工作方式，“從左向右、從上往下順序掃描，循環(huán)往復(fù)”的程序執(zhí)行原則，在進(jìn)行合理的子系統(tǒng)故障綜合分類基礎(chǔ)上，利用“置位復(fù)位”功能模塊，通過在程序中的合理位置增加故障診斷程序?qū)崿F(xiàn)了不同子系統(tǒng)間故障的診斷與區(qū)分。

如圖1所示，實(shí)現(xiàn)了主控與閘控之間的故障區(qū)分。由于閘控系統(tǒng)故障信息在閘控子系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行邏輯綜合，僅反饋給主控兩路獨(dú)立的安全回路信息“I204.6”、“I204.7”，而“M34.3”為主控PLC內(nèi)部除閘控子系統(tǒng)外其他所有子系統(tǒng)故障的綜合。因此，可在主控PLC內(nèi)部安全回路程序模塊的起始位置加入圖1(a)所示閘控故障判斷程序，依據(jù)上述PLC基本工作方式與程序執(zhí)行原則，當(dāng)閘控子系統(tǒng)首先發(fā)生故障且程序執(zhí)行到圖1(a)所示位置時，還未動作硬件安全回路，也未對電控系統(tǒng)其他子系統(tǒng)產(chǎn)生影響，可判定為閘控首先發(fā)生故障，即使下個掃描周期導(dǎo)致了主控系統(tǒng)故障，由于M20.1已經(jīng)置位也不再對故障區(qū)分產(chǎn)生影響。同理，可在主控PLC內(nèi)部安全回路程序模塊內(nèi)除閘控子系統(tǒng)外其他所有子系統(tǒng)故障的綜合標(biāo)志位后加入圖1(b)所示主控故障判斷程序。當(dāng)主控系統(tǒng)首先發(fā)生故障時，由于還未動作硬件安全回路，也未對閘控系統(tǒng)產(chǎn)生影響，可判定為主控首先發(fā)生故障，下一掃描周期閘控系統(tǒng)必然因硬件安全回路斷開而導(dǎo)致故障，但由于M20.3已置位，也不再對故障區(qū)分產(chǎn)生影響。

圖1 主控閘控系統(tǒng)故障區(qū)分

綜上所述，基于不同子系統(tǒng)功能劃分、PLC基本工作方式和程序執(zhí)行原則，可以從系統(tǒng)層面判定故障源的大體位置，當(dāng)該子系統(tǒng)內(nèi)部同時有多條故障時仍然無法確定最終故障原因，仍需進(jìn)一步基于時序與邏輯關(guān)系的故障診斷。

1.2 基于時序與邏輯關(guān)系的故障診斷

由于工業(yè)組態(tài)軟件在進(jìn)行故障記錄與指示時的掃描周期一般設(shè)置為500 ms以上，根本無法實(shí)現(xiàn)基于時間順序的故障顯示，而由于提升機(jī)電控系統(tǒng)的復(fù)雜性，一條故障往往又會導(dǎo)致多條次生故障的產(chǎn)生，給故障診斷帶來困難。同時,由于各個帶CPU功能的子系統(tǒng)運(yùn)行時均遵循“輸入掃描”、“程序執(zhí)行”、“輸出刷新”的基本工作方式，“從左向右、從上往下順序掃描，循環(huán)往復(fù)”的程序執(zhí)行原則，導(dǎo)致主控PLC很難嚴(yán)格按照時序原則實(shí)現(xiàn)所有故障的判斷，必須結(jié)合故障邏輯順序加以區(qū)分。

以圖2所示提升機(jī)工藝控制類故障為例，對于S7-400+FM458配置的提升機(jī)主控系統(tǒng)，該部分工藝保護(hù)功能在FC458內(nèi)完成。由于FM458屬于并行定周期處理器，工藝保護(hù)程序一般掃描周期不超過10 ms，且與主控CPU之間是通過背板總線傳輸，二主控CPU的掃描周期一般大于10 ms，所以主控?zé)o法簡單地通過時序判斷故障發(fā)生的先后順序。此時必須詳細(xì)分析各個故障之間的邏輯關(guān)系才能準(zhǔn)確診斷故障。當(dāng)發(fā)生井筒同步開關(guān)故障時，必然引起行程監(jiān)視類故障，如行程跳變故障、行程互相比較故障，同時可能導(dǎo)致速度監(jiān)視類故障發(fā)生，如速度給定與實(shí)際監(jiān)視故障。以井筒同步開關(guān)故障、行程跳變故障、行程互相比較故障、速度給定與實(shí)際監(jiān)視故障為例，如果4個故障同時出現(xiàn)，則說明根本故障源為井筒同步開關(guān)故障；如果僅有后3條故障，則說明根本故障源為行程跳變故障；如果僅有后兩條故障，則說明根本故障源為行程互相比較故障。

圖2 提升機(jī)工藝控制故障

為實(shí)現(xiàn)首發(fā)根本故障源的診斷，必須根據(jù)子系統(tǒng)功能劃分詳細(xì)分析所有故障的邏輯關(guān)系，并按照由低到高的故障邏輯順序建立相應(yīng)的故障樹結(jié)構(gòu)圖[5]，從邏輯順序最低的安全回路總故障開始，依次向下延伸直至邏輯順序最高的根本故障，對于具有相同邏輯順序的故障并列指示，然后將所有故障進(jìn)行編碼，利用PLC自帶的堆棧功能按照邏輯順序由高到低原則進(jìn)行記錄，并在上位機(jī)組態(tài)軟件內(nèi)進(jìn)行顯示。當(dāng)有故障發(fā)生時，僅需關(guān)注當(dāng)前故障信息的第1條故障即可，從而大大提高故障排查效率。

1.3 基于軟件“看門狗”的通訊故障診斷

隨著工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，現(xiàn)有提升機(jī)電控系統(tǒng)均采用總線技術(shù)以減少信號電纜接線、簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由于工業(yè)總線傳輸?shù)男盘柨床灰?、摸不到，因此由通訊問題導(dǎo)致的故障較難排查，是現(xiàn)場維護(hù)人員最怕遇到的一類故障[6-7]。本文通過設(shè)置軟件“看門狗”程序?qū)崿F(xiàn)了不同CPU之間的通訊狀態(tài)監(jiān)視與故障診斷。

以主控與監(jiān)控間的通訊監(jiān)視為例，主控PLC內(nèi)的軟件“看門狗”實(shí)現(xiàn)流程如下：在每個掃描周期將主控PLC靜態(tài)計(jì)數(shù)值“DB30.DBB1”加1并發(fā)送給監(jiān)控PLC，監(jiān)控PLC收到該數(shù)值后不做任何處理，再通過通訊發(fā)回主控PLC并存放在計(jì)數(shù)反饋道通“DB31.DBB1”內(nèi)。主控PLC 比較當(dāng)前周期收到的技術(shù)反饋值與上周期收到的技術(shù)反饋值，如果連續(xù)兩個周期收到的反饋值一直相同，且時間超過設(shè)定的通訊中斷監(jiān)控時間閾值，則認(rèn)為主控PLC與監(jiān)控PLC間發(fā)生通訊故障。將上述通訊軟件“看門狗”程序封裝后形成如圖3所示的標(biāo)準(zhǔn)功能模塊，可直接應(yīng)用于其他需進(jìn)行通訊監(jiān)視的PLC控制器之間。

圖3 軟件“看門狗”程序模塊

2 結(jié) 語

本文充分利用PLC“輸入掃描”、“程序執(zhí)行”、“輸出刷新”的基本工作方式和“從左向右、從上往下順序掃描、循環(huán)往復(fù)”的程序執(zhí)行原則，通過合理的子系統(tǒng)故障綜合分類，從系統(tǒng)層面實(shí)現(xiàn)了故障源大體位置的判定與區(qū)分；在詳細(xì)分析故障邏輯關(guān)系基礎(chǔ)上，按照故障邏輯順序由低到高的順序建立相應(yīng)的故障樹結(jié)構(gòu)圖，實(shí)現(xiàn)了基于時序與邏輯順序的故障診斷與指示，解決了首發(fā)故障源診斷困難問題；針對通訊故障診斷困難問題，設(shè)計(jì)了一種軟件“看門狗”診斷程序，實(shí)現(xiàn)了通訊數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)控與故障診斷。本文關(guān)于提升機(jī)電控系統(tǒng)故障診斷方法的研究與應(yīng)用，有助于進(jìn)一步完善基于PLC的電控系統(tǒng)故障診斷體系，提高了故障排查效率。