選礦廠自動化控制系統(tǒng)常見故障及維護分析

摘 要：隨著現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)的快速發(fā)展，自動化控制系統(tǒng)在其中的應(yīng)用范圍不斷擴大。在選礦廠中，隨著自動化水平的不斷提高以及生產(chǎn)過程控制技術(shù)的不斷成熟，要求自動化控制系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性。對此，文章對ControlLogix控制系統(tǒng)和西門子S7-300 PLC的常見故障及出力對策進行了分析，希望能夠為選礦廠自動化控制系統(tǒng)維護保養(yǎng)工作的開展提供一些參考。

關(guān)鍵詞：選礦；自動化系統(tǒng)；故障；維護

1 控制器運行緩慢

1.1 故障原因

系統(tǒng)采用美國A-B公司的CompactLogix1769作為PLC控制器，并外加1.5M內(nèi)存進行擴展。該控制器最大支持同時建立250個通訊連接，可以同時實現(xiàn)對本地框架和遠程框架中的I/O模塊的控制和組態(tài)?？刂破鞯淖畲罂刂颇芰梢詫崿F(xiàn)數(shù)字量12800或者模擬量400點控制。碎礦控制系統(tǒng)能夠達到模擬量152點的控制能力?？刂破髟谶\行過程中內(nèi)存占用率為40%左右，可以說系統(tǒng)仍然存在較為豐富的可用資源。而從實際運行效果來看，控制器運行速度非常緩慢，導致這一問題的原因主要是控制器提供了對生產(chǎn)和使用的連接方法進行標簽共享的功能，需要對生產(chǎn)標簽和使用標簽同時進行連接。生產(chǎn)標簽的數(shù)量在127個以下，使用標簽的數(shù)量在250個以下，每個生產(chǎn)標簽和使用標簽的控制器都需要同時占用一個連接。而系統(tǒng)在使用過程中，未對標簽進行及時的整理和修改，導致大量過期無用的標簽被下載到CPU中，嚴重影響了系統(tǒng)CPU的處理效率。

1.2 解決措施

在ControlLogix程序中，系統(tǒng)具有對各類標簽進行強制分類的功能。通過檢查發(fā)現(xiàn)其中存在15%長期未被使用的標簽。對此，通過對這些標簽進行刪除，并下載到PLC控制器，程序的上傳下載速度明顯提升，程序掃描響應(yīng)時間也有之前的3019μs降至1815μs，PLC內(nèi)存消耗也下降了大約10%左右。

2 MES數(shù)據(jù)中斷故障

2.1 故障原因

選礦過程控制級為分布式結(jié)構(gòu)，一共設(shè)置了控制站13個，分別對不同的工藝階段進行控制，另外，還在控制中心以及辦公樓分別設(shè)置了監(jiān)控系統(tǒng)。所有控制站均通過現(xiàn)場冗余以網(wǎng)絡(luò)互連的方式控制各個控制站。通過網(wǎng)關(guān)將控制網(wǎng)和廠級信息網(wǎng)連接起來，同時將底層的生產(chǎn)信息和設(shè)備信息上傳到MES系統(tǒng)，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)庫與關(guān)系數(shù)據(jù)庫在服務(wù)器中的互連。以太網(wǎng)屬于廠級信息網(wǎng)，由交換機實現(xiàn)與主干網(wǎng)絡(luò)的相互連接。通過以太網(wǎng)將各科室部門的子網(wǎng)絡(luò)連接起來，從而實現(xiàn)對各個子系統(tǒng)的實時有效監(jiān)督管理。但是在以太網(wǎng)發(fā)生通訊故障之后，由于Ethernet網(wǎng)采用CSMA/CD作為主要數(shù)據(jù)訪問方式，如果發(fā)生訪問沖突，就會導致數(shù)據(jù)在傳輸過程中出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，進而導致整個管理層出現(xiàn)“失控監(jiān)控”的狀態(tài)，嚴重影響對生產(chǎn)過程的有效監(jiān)管。近一段時間以來，選礦廠以太網(wǎng)磨礦長期占用100%的CPU資源，網(wǎng)絡(luò)頻繁發(fā)生中斷故障，導致控制設(shè)備的狀態(tài)信息無法正常向MES系統(tǒng)發(fā)送。

2.2 解決措施

首先，通過拔除以太網(wǎng)通信模塊，發(fā)現(xiàn)CPU的占用率仍然沒有變化，依然為100%。然后切斷整個網(wǎng)關(guān)機架的供電，CPU占用率仍然處于100%。最后將計量上傳計算機與MES系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)連接切斷，Ethernet模塊的CPU占用率迅速恢復正常水平，以太網(wǎng)的通信業(yè)恢復正常，MES數(shù)據(jù)傳輸恢復正常。通過這樣的方式發(fā)現(xiàn)計量上傳計算機發(fā)生軟件故障，主要可能由病毒引起，通過對計量上傳計算機進行殺毒和軟件重裝之后解決故障。對此，建議定期殺毒或者直接通過獨立的PLC系統(tǒng)進行控制，能夠有效類似故障的再次發(fā)生。

3 ControlNet網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度慢

3.1 故障原因

ControlNet網(wǎng)絡(luò)是基于OSI參考模型底層要求建立的一種新型通信網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)可以進行具有較高時間要求的控制信息的有效傳輸[2]。ControlNet網(wǎng)絡(luò)通過時間存取算法對信息的傳送進行控制，即通過并行時間域多路存取算法，在每個網(wǎng)絡(luò)雙薪間隔之間調(diào)節(jié)節(jié)點的信息傳送機會。通過網(wǎng)絡(luò)刷新時間組態(tài)每個網(wǎng)絡(luò)刷新間隔的重復頻率。網(wǎng)絡(luò)刷新時間為預(yù)定信息、未定信息以及維護信息傳送的時間總和。ControlNet網(wǎng)絡(luò)中包括本地網(wǎng)絡(luò)和遠程網(wǎng)絡(luò)兩個獨立的子網(wǎng)絡(luò)。兩個子網(wǎng)絡(luò)通過獨立的CNBR模塊分別與CPU框架連接起來。其中，本地網(wǎng)絡(luò)中的每個框架相距較近，可以利用阻抗為75Ω的同軸電纜相互連接；而在遠程網(wǎng)絡(luò)中，一共只有三個框架，而且相互之間的距離較大，因此，通過光纜相互連接。三臺上網(wǎng)機均通過本地網(wǎng)絡(luò)進行掛載。從控制網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)來看，網(wǎng)絡(luò)硬件的規(guī)劃不但能夠有效分配數(shù)據(jù)流量，提高系統(tǒng)性能，同時還有利于網(wǎng)絡(luò)的維護。因此，可以排除網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的問題，將網(wǎng)絡(luò)速度緩慢的原因定位在網(wǎng)絡(luò)組態(tài)參數(shù)設(shè)置方面。

3.2 解決措施

根據(jù)前面的分析可以看出，要想提高帶寬的利用率，需要盡量減少用戶節(jié)點的數(shù)量，以減少用戶預(yù)訂信息的總量，從而提高網(wǎng)絡(luò)刷新時間中預(yù)定信息傳送時間的消耗；通過對網(wǎng)絡(luò)刷新時間的值進行合理設(shè)置實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)流量的控制，同時使組態(tài)中的網(wǎng)絡(luò)截至配置符合系統(tǒng)的實際情況，從而提高網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度，具體按照下面的步驟進行：首先，對系統(tǒng)各個節(jié)點地址從01開始按照順序重新進行排列，使用戶最大預(yù)定節(jié)點號從原來的30下降到14；其次，將網(wǎng)絡(luò)刷新時間的值適當調(diào)高（從5ms增加到10ms），并適當降低每個網(wǎng)絡(luò)間隔時間的值，降低網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量；最后，根據(jù)兩個子網(wǎng)絡(luò)的實際運行狀態(tài)重新配置網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)參數(shù)。在實際優(yōu)化過程中，需要通過Rsnetworx For ConrolNet軟件重新組態(tài)下載ControlNet網(wǎng)絡(luò)，從最終優(yōu)化的運行參數(shù)來看，Peak.Scheduled的值比Avg.Scheduled的值更高，優(yōu)化結(jié)果良好。

4 處理器程序丟失

4.1 原因分析

選礦PLC控制系統(tǒng)采用西門子公司的S7-300PLC系統(tǒng)[3]。在使用過程中，系統(tǒng)共有十三個站點，工程師站和操作員站通過iFix組態(tài)軟件和STEP7編程軟件，實現(xiàn)建立磨礦過程控制模型，開發(fā)相應(yīng)的磨礦過程控制程序，實現(xiàn)磨礦分級控制的作用；其中有兩個控制站出現(xiàn)了處理器丟失故障，導致設(shè)備全部被迫停止運行。選礦控制系統(tǒng)是通過對原有電氣設(shè)備改造之后形成的，各個控制站的安裝位置在很大程度上會受到電磁站分布位置的影響。大部分控制站均采用了與低壓柜分離安裝的方式進行安裝，只有發(fā)生故障的兩個控制站采用非分離方式安裝。因此，這兩個控制站的低壓側(cè)中的變頻器對控制站設(shè)備產(chǎn)生了強烈的電池干擾，導致控制站處理器程序丟失。對其具體原因進行分析，主要總結(jié)了兩個方面的原因，具體如下：第一，電磁信號干擾。PLC控制系統(tǒng)接地電阻過大，接地電阻螺絲發(fā)生松動或者銹蝕，同時還可能是PLC控制系統(tǒng)周圍存在會產(chǎn)生高頻電磁輻射的設(shè)備，影響PLC的正常工作；第二，內(nèi)存儲器板開關(guān)接觸不良。PLC主控器內(nèi)存儲器板開關(guān)、DIP開關(guān)電池通斷開關(guān)、定時器開關(guān)、內(nèi)存容量選擇開關(guān)等開關(guān)接觸不良時，就會導致處理器程序丟失。

4.2 解決措施

從上面的分析可以看出，第一種故障現(xiàn)象主要為外界電磁干擾，針對這一原因進行分析，在其它控制站中也存在大量的變頻器，而處理器程序并未出現(xiàn)丟失問題，這主要是由于PLC控制站和低壓柜之間分開安裝，電磁干擾較少；而第二種故障原因則需要加強日常維護檢修工作，避免出現(xiàn)開關(guān)接觸不良的情況。

5 結(jié)束語

通過文章的分析可以看出，隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動化系統(tǒng)的應(yīng)用范圍逐漸擴大。在選礦廠中，自動化控制系統(tǒng)涉及到各個工藝環(huán)節(jié)的控制，其穩(wěn)定運行對保證生產(chǎn)安全、生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率具有重要作用。因此，需要加強日常巡檢維修工作，及時發(fā)現(xiàn)自動控制系統(tǒng)存在的問題，確保自動化控制系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運行。

參考文獻

[1]徐滿意.ControlLogix控制系統(tǒng)早期故障分析及處理[J].機械設(shè)計與制造，2006（5）：177-178.

[2]楊琳琳.選礦自動化發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2012（4）：116-118.

[3]謝瓊澤.選礦廠自動化系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)[J].金屬材料與冶金工程，2009（3）：65-67.