基于PLC變頻器革新中海油終端電動大門的電控系統(tǒng)

孫祥明

摘 ? 要：中海油某天然氣終端電動大門頻發(fā)故障，其中電控系統(tǒng)是罪魁禍?zhǔn)??；赑LC、變頻器和觸摸屏，革除舊的電控系統(tǒng)，設(shè)計研制新的電控系統(tǒng)，根除了現(xiàn)場維保時對廠家電控技術(shù)的依賴;同時變更其安裝位置，將新的電控系統(tǒng)安裝在有除濕功能的值班室內(nèi)，消除了環(huán)境潮濕和鹽霧腐蝕的影響。新的電控系統(tǒng)解決了電動大門故障停運(yùn)的問題，結(jié)束了“雪糕桶”+人工控制的管理模式，得到了本質(zhì)安全的工作狀態(tài)。同時，它拓寬了改進(jìn)機(jī)電一體化設(shè)備控制系統(tǒng)核心技術(shù)的思維模式，值得推廣學(xué)習(xí)。

關(guān)鍵詞：革新 ?PLC ?變頻器 ?觸摸屏 ?電控系統(tǒng)

中圖分類號：TM921.51 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）08（b）-0090-02

中海油某天然氣終端電動大門頻發(fā)故障，從2014年01月到2018年12月，因設(shè)備故障停運(yùn)共計280次，故障停運(yùn)累計時間約有32個月。

從2018年12月到2019年6月，該電動大門再次故障后，因采購周期和費(fèi)用控制等因素，長時間處于故障停運(yùn)狀態(tài)。公司保安改用“雪糕桶”+人工控制管理方式控制車輛進(jìn)出。

這種工作方式存有弊端：值班保安在檢查完車輛后，需要低頭彎腰取走“雪糕桶”;同時，車輛司機(jī)在收集好證件后驅(qū)動車輛前行;出現(xiàn)人員與車輛交叉工作的情況，埋下不安全的隱患。曾經(jīng)出現(xiàn)過，大巴司機(jī)誤以為“雪糕桶”已被取走，驅(qū)車行駛將“雪糕桶”推行了一段距離。

因此，亟需恢復(fù)原電動大門的功能，以便有效管理控制車輛的進(jìn)出;切實降低電動大門的故障率，促進(jìn)備品備件的通用性，提高現(xiàn)場人員的維修技能水平。

1 ?分析電動大門頻發(fā)故障的原因

1.1 電動大門的組成

終端電動大門的生產(chǎn)廠家是深圳紅門科技公司。它采用的是平移驅(qū)動方式，其主要組成如下。

（1）電控系統(tǒng)：是電動大門的核心部件，主要由主控制器、功率變頻器和感應(yīng)探測器組成。①主控制器是電動大門的指揮中心，通過內(nèi)部編有指令程序的集成塊，發(fā)出相應(yīng)指令，指揮系統(tǒng)正常工作。②功率變頻器是功率中心，能夠給電動機(jī)輸入電能動力，控制電動門運(yùn)動。③感應(yīng)探測器負(fù)責(zé)采集保護(hù)信號，如同人的眼睛，提供給主控制器。

（2）操控開關(guān)：輸入操控信號給主控制器，控制電動門開門、關(guān)門、停止動作。

（3）動力電機(jī)：通過功率變頻器驅(qū)動交流電動機(jī)，提供給電動大門主動力，完成開門與關(guān)門的功能。

（4）傳動機(jī)構(gòu)：通過齒輪齒條的嚙合，傳輸電動機(jī)所產(chǎn)生的動力，牽引鋼質(zhì)門體行走。

（5）機(jī)械本體：它由鋼質(zhì)門體、導(dǎo)向輪組和走輪系統(tǒng)組成。①導(dǎo)向輪組是導(dǎo)向與定位裝置，防止門體運(yùn)行時出現(xiàn)擺動現(xiàn)象;②走輪系統(tǒng)就像火車的鐵軌，支撐并帶動門體運(yùn)行。

1.2 現(xiàn)狀調(diào)研與數(shù)據(jù)統(tǒng)計

根據(jù)歷史記錄和維修報告，調(diào)研了電動大門從2014年01月到2018年12月發(fā)生故障的情況。終端電動大門故障停運(yùn)共發(fā)生280次，其中電控系統(tǒng)導(dǎo)致停運(yùn)209次，占停運(yùn)總次數(shù)的74%。電控系統(tǒng)是罪魁禍?zhǔn)?，也是解決電動大門頻發(fā)故障的主要對象。因此，重點(diǎn)分析電控系統(tǒng)，保留原有大門的機(jī)械本體、電動機(jī)和傳動機(jī)構(gòu)。

1.3 分析電控系統(tǒng)頻發(fā)故障的主要原因

針對電動大門的故障情況，分別從環(huán)境因素、設(shè)計缺陷、維修缺陷3個角度，分析電控系統(tǒng)頻發(fā)故障的主要原因。

（1）環(huán)境因素：中海油天然氣終端所在地區(qū)，常年受南亞熱帶季候風(fēng)侵襲，多雨降水量大，周邊環(huán)境潮濕;其地理位置特殊，三面環(huán)海，空氣中鹽分較多，屬于室外腐蝕環(huán)境。根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，也證實電動大門在雨季發(fā)生故障的概率較高。

（2）設(shè)計缺陷：①電動大門的主控制器、功率變頻器、感應(yīng)探測器等電氣元件，全部安裝在室外。②感應(yīng)探測器、主控制器、遙控接收板卡、功率變頻器等電氣元件，直流供電電源共用。如果有一個小元件出現(xiàn)異常，就會導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓。③電控箱體的散熱口，直徑較大，便于小動物爬進(jìn)，因而導(dǎo)致電氣類異常。

（3）維修缺陷：①現(xiàn)場人員沒有經(jīng)過廠家的專業(yè)培訓(xùn)，多數(shù)情況下直接更換備件或板卡。這種維修方式容易造成：備件需求加快，價格受制于廠家，人員維修技能得不到提高。②當(dāng)需調(diào)整參數(shù)或深度維修時，現(xiàn)場人員沒有廠家的專業(yè)軟件程序，需要聘請廠家人員進(jìn)廠工作;容易造成維修成本增加和設(shè)備停運(yùn)時間延長。

2 ?探討解決電控系統(tǒng)問題的最佳方案

若想降低電動大門維修成本，就要解決電控系統(tǒng)存在的問題。其中，維修人員對廠家的電控系統(tǒng)不夠熟知，或者說是廠家掌控電控系統(tǒng)的核心技術(shù)，就是問題的關(guān)鍵所在。因此，現(xiàn)場維修人員：設(shè)定工作目標(biāo)，討論各種措施，并確定最佳方案。

2.1 設(shè)定工作目標(biāo)

（1）提高人員對電控系統(tǒng)熟知度，解決電動大門故障停運(yùn)的問題;（2）將電動大門每年累計停運(yùn)時間，從大于200h降低到小于50h;（3）將電動大門每年預(yù)算維修成本，從20000元降低到800元。

2.2 討論并確定最佳方案

首先，現(xiàn)場開展“頭腦風(fēng)暴”活動，針對問題提出多條意見和方案，使用親和圖整理，最終歸納為3大類方案：A備貨熟練性更換方案、B針對性培訓(xùn)學(xué)習(xí)方案、C針對性技術(shù)革新方案。

其次，現(xiàn)場從難易度、經(jīng)濟(jì)性、先進(jìn)性、預(yù)期效果4個角度綜合考慮，對以上3大類方案進(jìn)行評價打分，最終采用得分最高的C針對性技術(shù)革新方案。

最后，現(xiàn)場對C針對性技術(shù)革新方案，討論出四種具體措施（C.1基于臺式機(jī)技術(shù)革新、C.2基于單片機(jī)技術(shù)革新、C.3基于PLC變頻器革新、C.4基于工控機(jī)技術(shù)革新），再次從編程能力、人機(jī)交互、成本時間、方便性4個角度分別進(jìn)行對比，最終決定采用C.3基于PLC變頻器革新的方案。

3 ?基于PLC、變頻器和觸摸屏，實施電控系統(tǒng)技術(shù)革新

基于PLC、變頻器和觸摸屏技術(shù)，革除舊的電控系統(tǒng)，設(shè)計研制新的電控系統(tǒng)，根除了現(xiàn)場維保時對廠家電控技術(shù)的依賴;同時變更其安裝位置，將新的電控系統(tǒng)安裝在有除濕功能的值班室內(nèi)，消除了環(huán)境潮濕和鹽霧腐蝕的影響，徹底解決電動大門故障停運(yùn)的問題。

3.1 總體設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，電控系統(tǒng)革新的總體設(shè)計思路：按鈕開關(guān)、觸屏信號等產(chǎn)生的開關(guān)信號，先輸入到PLC內(nèi)部，經(jīng)過邏輯運(yùn)算后，接著由系統(tǒng)輸出命令，控制變頻器驅(qū)動電動機(jī)動作，最后帶動大門正常運(yùn)行。

革新電控系統(tǒng)的主要器件：西門子S7-200 PLC、西門子420變頻器、MP277觸摸屏、干簧管、開關(guān)組件、急停按鈕、聲光告警燈組成。

3.2 PLC編程與聯(lián)合調(diào)試

常用的PLC程序設(shè)計方法，主要有經(jīng)驗設(shè)計法、梯形圖法、邏輯設(shè)計法、順序控制設(shè)計法等。根據(jù)控制功能要求，使用經(jīng)驗法設(shè)計PLC控制系統(tǒng)流程圖。

編程并調(diào)試PLC控制系統(tǒng)，主要完成檢測、控制和通訊功能。（1）檢測功能：檢測開門信號、關(guān)門信號、停止信號、應(yīng)急保護(hù)信號。（2）控制功能：控制開門、關(guān)門的動作;控制開門、關(guān)門的快慢;手動功能、觸屏功能和保護(hù)功能。（3）通信功能：PLC與進(jìn)口大門變頻器通信，PLC與出口大門變頻器通信，PLC與觸摸屏HMI通訊，PLC與PC機(jī)調(diào)試通信。

3.3 變頻器設(shè)置與聯(lián)合調(diào)試

使用西門子USS通訊協(xié)議，實現(xiàn)西門子MM420變頻器與西門子S7-200的通訊。將PLC通訊插頭3號端子的引線接到MM420變頻器14端子上，將PLC通訊插頭8號端子的引線接到MM420變頻器15端子上。為防止電路中產(chǎn)生電流干擾，必須將通訊屏蔽線和變頻器0V端子都連接到機(jī)箱的接地點(diǎn)。

連接好主電路和控制電路后，設(shè)置MM420變頻器內(nèi)部參數(shù);完成MM420變頻器參數(shù)設(shè)置后，再開展聯(lián)合調(diào)試工作，測試MM420變頻器功能正常。

3.4 觸摸屏設(shè)置與聯(lián)合調(diào)試

通過西門子PPI通信協(xié)議，實現(xiàn)西門子MP277觸摸屏與西門子S7-200的通信。

首先，使用WINCC flexible2008 sp4編程軟件，布置規(guī)劃并繪制電動大門監(jiān)控系統(tǒng)畫面。

其次，設(shè)置圖形元件的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和地址關(guān)聯(lián)，開展編譯、修改、離線模擬、下載、在線模擬等工作。

最后，反復(fù)測試狀態(tài)指示、動作控制、參數(shù)監(jiān)視的功能情況，最終達(dá)到正常狀態(tài)：（1）完全打開、運(yùn)行中、完全關(guān)閉狀態(tài)指示燈正常。（2）手動開門、手動關(guān)門、手動停止、點(diǎn)動開門、點(diǎn)動關(guān)門的操控開關(guān)功能都正常。（3）電動機(jī)運(yùn)行電流、運(yùn)行頻率監(jiān)視數(shù)據(jù)都正確。

3.5 革新的效果和亮點(diǎn)

（1）革新效果：①實現(xiàn)現(xiàn)場人員對電控系統(tǒng)的自主掌握，成功解決電動大門故障停運(yùn)的問題;②將電動大門每年累計停運(yùn)時間，從大于200h降低到小于20h;③將電動大門每年預(yù)算維修成本，從20000元降低到500元。

（2）革新亮點(diǎn)：①革除舊的電控系統(tǒng)，研制新的電控系統(tǒng);將核心技術(shù)由廠家掌控轉(zhuǎn)換為自主掌控。②使用西門子變頻器，取代原有變頻板，讓參數(shù)調(diào)整更便捷、人機(jī)交互性更加良好。③使用MOV、RS、庫文件等指令，讓梯形圖的架構(gòu)簡潔、電控系統(tǒng)的程序易懂。④僅用1條3芯通信線，通過USS協(xié)議實現(xiàn)單臺PLC控制兩臺MM420變頻器運(yùn)行的功能。⑤使用機(jī)械式干簧管，取代電子式感應(yīng)式開關(guān)，避免共用電源的相互影響。⑥使用聲光告警燈具，取代紅外對射電子元件，避免共用電源的相互影響。

4 ?結(jié)語

革新電動大門的電控系統(tǒng)，有效保障其平穩(wěn)可靠運(yùn)行，每年節(jié)約維修費(fèi)約19500元，實現(xiàn)對電控系統(tǒng)的自主掌握，徹底解決設(shè)備故障停運(yùn)的問題。

通過對現(xiàn)場問題研究探討，推動問題原因分析和方案討論，學(xué)習(xí)借鑒經(jīng)典案例，成功解決現(xiàn)場疑難問題，把降本增效執(zhí)行到實處，給企業(yè)帶來實實在在的效益，這是每一位中海油員工的職責(zé)和使命。

完成電動大門革新工作，如同開啟了一扇技術(shù)創(chuàng)新的大門，現(xiàn)場其他設(shè)備的技術(shù)革新也可參照推行。它拓寬了改進(jìn)機(jī)電一體化設(shè)備控制系統(tǒng)核心技術(shù)的思維模式，值得推廣學(xué)習(xí)。

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