基于分室脉冲布袋除尘器控制系统的西门子PLC故障诊断分析与研究.pdf

第32 卷增刊12023年6 月文章编号：10 0 4-40 51(2 0 2 3)S1-0277-04中国矿业CHINA MINING MAGAZINED0I:10.12075/j.issn.1004-4051.20230391Vol.32,Suppl 1June2023基于分室脉冲布袋除尘器控制系统的西门子PLC故障诊断分析与研究彭强，唐雄，姜智，姜勇4（1.云南驰宏锌锗股份有限公司会泽冶炼分公司，云南会泽6 542 12；2.云南驰宏锌锗股份有限公司，云南曲靖6 550 11；3.青岛港湾职业技术学院智能制造学院，山东青岛2 6 6 40 4；4.北矿机电科技有限责任公司，北京10 0 16 0）摘要：以有色冶金行业某分室脉冲袋式除尘器中所应用到的西门子可编程控制器（PLC)为研究对象，基于在实际运行过程中所发生的真实案例，对故障处理过程进行了分析与研究，为相关工程技术人员排除同类故障提供了一种快速定位与诊断的方法，具有一定的现实指导意义。关键词：可编程序逻辑控制器；故障；排除；除尘器；西门子中图分类号：TD7；T P2 7 3Analysis and research on Siemens PLC fault diagnosis based onthe control system of chamber pulse bag filterPENG Qiang，T A NG Xi o n g ,JI A NG Zh i ，JI A NG Yo n g(1.Huize Smelting Branch of Yunnan Chihong Zn&Ge Co.，Lt d.，H u i z e 6 542 12,Ch i n a;2.Yunnan Chihong Zn&.Ge Co.,Ltd.,Qujing 65501l,China;3.Qingdao Harbor Vocational and Technical College,School of Intelligent Manufacturing,4.BGRIMM Machinery&Automation Technology Co.,Ltd.,Beijing 100160,China)Abstract:This article analyzes and studies the fault handling process based on the siemens programmablelogic controller(PLC)applied in a chamber pulse bag filter in the non-ferrous metallurgical industry,andactual cases that occur during operation.It provides a rapid positioning and diagnosis method for relevantengineering and technical personnel to eliminate similar faults.Keywords:programmable logic controller;fault;exclude;dust collector;Siemens随着社会经济的发展以及工业自动化进程的不断推进，可编程控制器凭借其高可靠性、高灵活性等特点早已在各行业领域得到了充分的应用与推广1。PLC控制系统控制的正常运行对企业的生产起着至关重要的作用，直接关乎生产作业现场的文献标识码：AQingdao 266404,China;安全，控制系统要求长期稳定运行，出现故障时能快速处理并恢复。以国内某铅锌冶炼厂智能工厂项目为依托,对某分室脉冲袋式除尘器选用西门子S7-300系列PLC控制系统作为对象进行研究，提出了一种西门子PLC故障判断的分析思路与故障排除收稿日期：2 0 2 3-0 4-2 7基金项目：工业和信息化部智能制造专项“新型稀土铝锌合金智能生产系统及示范应用”资助（编号：2 0 17 AA03）第一作者简介：彭强（198 9一），男，汉族，湖南汉寿人，工程师，主要负责电气及自动控制工作，E-mail：t e mp _c h x z 16 3.c o m。引用格式：彭强，唐雄，姜智，等.基于分室脉冲布袋除尘器控制系统的西门子PLC故障诊断分析与研究J.中国矿业，2 0 2 3，32（S1）：2 7 7-280,287.PENG Qiang,TANG Xiong,JIANG Zhi,et al.Analysis and research on Siemens PLC fault diagnosis based on the control system of chamberpulse bag filterJJ.China Mining Magazine,2023,32(S1):277-280,287.责任编辑：宋菲278方法，可以快速定位PLC现场故障，为设备控制系统的稳定运行提供技术保障与支持。研究成果可推广到铜、铅、锌等有色冶炼行业收尘控制系统应用。1西门子S7系列PLC控制系统概述1979年西门子公司推出了S5系列PLC(Programmable Logic Controller,PLC)，经过不同行业多年的应用，系统的可靠性、稳定性及较低故障率得到了工控行业的一致认可，进入2 0 世纪9 0 年代，随着现代通信技术和IT技术的迅猛发展，S5系列PLC的硬件配置以及CPU的运算处理能力、网络的通信能力越来越不能满足现代化控制的要求，不能满足对实时性、快速性、大量的网络通信和数据管理、分布式控制、集成现场设备的快速诊断要求1。1994年西门子公司推出了S7系列PLC,与S5系列PLC相比，除了保持原有的控制功能和系统的稳定性外，在CPU运算速度、程序执行效率、故障自诊断、网络通信、面向工艺和运动控制功能上有了质的飞跃，并为后续的系统整合打下了良好的基础。S7-300系列PLC是模块化中小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用2 。根据现场需求，可以选用各种信号模块、功能模块，以达到满足和适应自动控制任务。简单实用的分散式结构和多界面网络能力，是能控制与通信变得灵活。方便用户和简易的无风扇涉及。当控制任务变更时，可自由拓展。西门子还提供了封装、测试好的功能库以供用户使用，使得控制任务更加简洁化、标准化。2西门子PLC控制系统报警按照检测的主体，西门子PLC报警可分为系统检测错误产生的报警与功能性错误产生的报警。为查明报警原因，通常利用PLC的自诊断功能，根据报警信息，是检查和排除PLC控制系统报警的基本手段和方法。现场诊断与定位PLC控制系统报警在系统或机器运行阶段非常重要，通常当问题（干扰)导致系统停机，或者使系统或机器不正常时，就需要进行诊断3。由于停机或功能故障所导致的成本往往很高，必须快速定位原因并排除。通过STEP7在线诊断可以快速查看配置的硬件是否有故障，如果模块没有故障，则在模块图标上不显示诊断符号；如果模块有诊断信息，则会在模块的图标上附加一个诊断符号。具有诊断功能的模块，如CPU、模拟量模块、具有诊断功能的数字量输入模块、PROFIBUS-DP从站接口模块等，当模块出现故障时，可通过模块提供的诊断信息快速定位故障原因，并找到解决方法。中国矿业通过CPU的诊断缓冲区可以有效提升编程、调试以及故障排查效率。在CPU诊断缓冲区中可列出所有与CPU故障相关的触发事件，例如模块拔出的事件、模块插入的事件、程序执行故障点、CPU切换模式记录等，利用诊断缓冲区可以跟踪程序执行的故障信息。同时，可以使用SFC52系统功能在诊断缓冲区内写人用户自己的消息4。具有诊断能力的模块（例如带SF指示灯的数字量输入模块)会在硬件故障时触发一个诊断中断，要获得诊断数据，可以在OB82内调用SFC59系统功能。另外，还可以调用SFC51系统功能读出系统状态列表,列表内包含了CPU模块的LED指示灯的状态信息。但是，S7-300系列PLC因部分故障导致通信中断时，CPU无法与外围设备进行正常通信，上述上位机、触摸屏、STEP7在线诊断等方式将不具备诊断、判别功能。需凭借现场经验，采取排除法、替换法等有效方法，逻辑清晰的对可能产生故障的因素进行判别与诊断。3故障案例分析研究分室脉冲布袋除尘器控制系统是铅锌有色冶炼行业中的常用设备，其控制系统的核心部分是西门子PLC,硬件部分CPU通常选用315-2 DP。根据控制逻辑需要，在硬件组态过程中加人数字量输入、输出模块以及模拟量输人模块。数字量输人模块主要采集现场的开关量信号，数字量输出模块主要控制现场电磁阀、传统继电器、接触器的顺序动作从而实现布袋除尘器的正常周期性有效运行，模拟量输人模块主要采集除尘器进出口的温度与压力信号。控制系统中的CPU作为站，并与另外两套西门子PLC(从站)构成一个网段后与艾默生的DeltaV控制系统中的ProfibusDP卡（主站）进行通讯。存储卡选用的是西门子512 kbMMC卡，CPU固件版本号为V3.0。其硬件组态如图1所示。3.1故障现象描述该分室脉冲布袋除尘器控制系统自2 0 13年11月投用后的三年时间内，一直能可靠控制除尘器所属设备与电气部分的正常运转，数据通讯稳定。然而，由于系统电控柜周围空气环境条件恶劣，存在一定的电磁干扰等方面的原因，在2 0 17 年中曾多次出现CPU停机状况。停机时CPU上BF、SF等所有指示灯一起以相同的频率快速闪烁，CPU无法与现场触摸屏及上位机进行通讯。以冷启动、暖启动的方式重启CPU后，CPU故障现象依旧。对于西门子S7-300PLC,SF指示灯亮起时代表第32 卷增刊1系统故障，产生的原因有内部寻址错误，超出编程地址区，模块损坏，插件松动，具有硬件诊断模拟量模块其模拟量信号断线、超出量程等。BF指示灯亮起或闪烁时代表总线通信故障，产生的原因有总线故障、DP接口故障、多DP从站/主站接口激活、总线短路、当前总线中没有激活的主站节点。3.2故障原因分析和方法研究3.2.1故障统计与分析CPU的硬件故障一般可分为由传感器、执行器和电缆损坏等造成的硬件故障（总线故障）和由系统自行检测到的如模块故障、信号电缆短路、扫描时间过长、访问不存在的块等编程错误造成的系统故障5。在发生硬件故障时，CPU的BF指示灯会不正常亮起（红色）或闪烁；对于系统故障发生时，CPU的SF指示灯会不正常亮起（红色)或闪烁。结合STEP7软件，在CPU诊断缓冲区和硬件诊断中可以找到与故障相关的详细信息。然而，上述CPU出现故障，所有指示灯一起以同频率或无固定规律快速闪烁时，由于此时CPU无法与任何设备通讯，故无法通过STEP7进行诊断，快速定位故障原因还需采用其他的方法来进行查找与分析,进而排除故障。CPU所有指示灯一起以同频率或无固定规律快速闪烁时，表示有硬件故障。引起这种故障的一般原因有：CPU或信号模块供电不足；接地不可靠，背板总线窜人大电流；C PU 未安装MMC卡或MMC卡损坏；CPU自身以及信号模块出现故障6 。3.2.2故障检查1）供电因素可能导致的故障。为排除CPU或信号模块供电不足可能造成的故障，对PLC系统电源质量进行了检测。然而，该系统CPU与信号模块的供电电源相对独立，CPU由PS307电源模块单独进行供电，信号模块由一欧姆龙开关电源进行供电，经示波器检测交流电源质量、万用表检测开关彭强，等：基于分室脉冲布袋除尘器控制系统的西门子PLC故障诊断分析与研究插槽模块1PS3075A2CPU315-2DP2DP3456789279订货号固件MP.工地址Q地址注释6ES7307-1EA00-0AAD6ES7315-2AH14-0AB0DI32xDC24VBES7 321-1BL00-0AA0DO32xDC24V/0.5A6ES7322-1BL00-0AADDO16xDC24V/0.5A6ES7322-1BH01-0AA0AI2x12Bit6ES7 331-7KB02-0AB0图1控制系统硬件组态Fig.1 Hardware configuration of control system电源的直流电压，排除了系统电源受高次谐波干扰与直流电压不稳定的问题，电源质量良好。另外，当电源模块发生电压故障时，S7-300PLC所对应的SF、BF、5V D C、FR C E、R U N、ST O P指示灯全亮。综上，可排除供电因素造成的影响。2）接地因素可能导致的故障。如果PLC接地不可靠，也会导致CPU发生上述故障状况。为排除此因素，需按步骤检查各设备、电气元件、线缆相关接地的可靠性。S7系列30 0 PLC系统接地检查。检查系统接地电阻是否满足 42；检查机柜中的接地母线与系统PE线是否可靠连接；检查电气设备PE端子与接地母线是否可靠连接；检查机柜金属外壳、设备安装背板与接地母线是否可靠连接7。CPU的接地检查。在S7-300的CPU电源端子处，配置一滑动金属片，该滑动金属片处于推人状态时,DC24V的M端将通过该滑动金属片与CPU的安装导轨形成物理连接与电气导通，从PLC硬件部分M点形成的信号干扰将被释至接地母线。西门子S7系列30 0 PLC在出厂设置情况下，滑动金属片是推进去的。如果机柜内系统接地不可靠或需将系统设置成“浮地”状态，可将上述金属片抽出，使PLC硬件部分M点与导轨分离。信号模块的接地检查。为确保系统EMC特性，检查屏蔽线缆对应屏蔽层的接地处理是否在机柜内形成单端接地并与接地母线形成可靠连接。对于电气隔离模拟量输人模块，通过万用表检查测量电气回路中的参考点（M A NA 或M-）与CPU/IM153的M端子之间是否存在电位差，若存在较大电位差且超出对于模块指定的Viso值时，建议将MANA与CPU/IM153的M端子进行短接8-9。对于非隔离模拟量输模块，必须连接测量电气回路中的参考点（MANA或M-)与M端，非隔离传感器本身还需将M-与机柜接地母线进行可靠连接。机柜所处的环境条件或干扰都有可能引起本地分布的测量点之间的电位差VcM（静态或V3.022047*JD.3304.3070.34.5280动态）。此情况下，非隔离传感器产生的信号源是以就地为电势基准点，信号模块是以M点作为电势基准点，为消除两者之间可能产生的共模电压UcM，建议使用线径足够的铜导线进行等电位连接，在各测量点之间也建议进行等电位导线连接10 1。其他检查。可通过对CPU安装导轨增设一根12 mm接地线至机柜内接地母线，并严格检查并紧固电源模块的工作接地、信号线缆的屏蔽接地以及机柜本地的安全接地与保护接地，仍然无法排除故障。至此，基本可排除接地因素造成的影响。3.2.3故障检测与分析1）M M C 卡的检测和分析。存在MMC卡故障造成此故障现象的可能，有必要做出对应的监测与分析。通过对比排除法，一方面，将原CPU中的MMC卡装人与此系统独立的另一套西门子S7-300的系统中，下装相关程序后观察，CPU能正常运行；与此同时，将另一张已确认无任何故障的MMC卡装入原除尘器控制系统的CPU，下装相同的程序后，经冷、暖两种启动方式启动后，仍然表现出同样故障。以此，可以排除MMC卡产生故障的可能性。2）C PU 自身故障检测和分析。考虑到CPU自身故障的原因，有必要做出对应的检查、排除工作。一方面，将原CPU更换为另一订货号与固件号相同且确认无任何故障的CPU,装入原MMC卡，下装程序，启动，仍然表现出相同的故障；另一方面,拆除原系统中除电源和CPU之外所有的模块，保留原MMC卡及其内部数据，上电后原CPU可正常启动，指示灯正常亮起。以此，排除了CPU自身存在故障的可能性。3）信号模块故障检测和分析。AI模块。对于AI模块产生故障时，应主要检查供电接线是否牢固，电源是否正常供电，检查前连接器是否插牢到位，必要时可重新拔插；项目文件中的硬件组态和实际是否一致，包含侧面量程卡与组态的一致性检查（对原项目文件进行离线检查）。AO模块。对于AO模块产生故障时，先观察AO模块尚是否有SF故障等亮起；检查项目文件中的硬件组态和实际是否一致；检查项目文件中对AO模块输出地址的赋值是否正确；检查输出回路接线是否存在对M短路情况以及断线情况；检查执行器参数设置是否与组态的电压、电流输出匹配；检查现场电气环境等。另外，模块量输出模块均需要对模块本身提供2 4VDC工作用电，确保供电正常且可靠。DI/DO模块。对于DI/DO模块产生故障时，先检查模块本身供电，由于由于部分模块本身（非通道）需要2 4V中国矿业DC供电，因此先检查所使用模块是否有电源接线。检查通道的指示灯是否有点亮或在确保安全的前提下可对相关通道进行现场短接后观察对应通道指示灯是否点亮。检查背板U型连接器，确保无故障。对于DI模块，如外部有信号，但指示灯不亮时，还需对外部接线和背板连接器进行检查，判断是否正常或模块安装是否牢靠；对于DO模块，如给定了True信号，但指示灯不亮，还需对外部接线和组态的IO地址是否在CPU的过程映像区范围内。3.2.4故障排除用PS307电源模块单独配置原CPU(CPU不挂其他任何信号模块、功能模块），保留原有MMC卡及数据，上电后使CPU投至运行状态。通过“停机断电拆除信号模块原有的前连接器，在CPU右侧逐一添加原信号模块中的某一块上电暖启动”的方法，可快速逐一检测出致使原CPU产生所有指示灯一起以同频率快速闪烁故障的信号模块，更换之即可。4结语基于现场工程项目实际与所遇到的真实案例，系统分析了西门子S7-300系列PLC发生严重故障时所采用的分析思路与故障排除方法，该方法是基于硬件故障发生后STEP7无法正常处于在线模式的探索，结果表明通过电气检测结合排除法，能快速定位故障点，是对STEP7在线进行故障诊断的有效补充。随着企业自动化生产规模的扩大，PLC在工业控制中的应用越来越广泛，由于PLC控制柜大部分安装生产现场，在不可避免的恶劣环境下长期运行，导致设备硬件故障率不断增加，而可能导致西门子S7-300系列PLC产生故障的因素众多，我们在不能依靠上位机、触摸屏、STEP7在线诊断提供相关信息和依据的情况下，通过本文阐述的方法，可以快速定位故障点与故障原因，通过采取相应措施，故障能得以快速排除，确保控制系统与设备的稳定运行。该方法在工程实践领域具有广阔的应用前景。参考文献1崔坚.西门子S7可编程序控制器：STEP7编程指南M.北京：机械工业出版社，2 0 0 9.2朱翔宇，梁宏.S7-300在海上浮式输油管道综合强度测试仪上的应用C/2018西门子工业专家会议论文集（上册），2018.3SIEM ENS信息与培训自动化与驱动.A7111SMATICS7-300/400系统、维护与编程综合课程ST-SERV1&2R.西门子（中国）有限公司，2 0 2 0.（下转第2 8 7 页）第32 卷增刊1HE Manchao,GUO Pengfei,WANG 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