滌綸短纖維裝置增壓泵變頻器故障剖析

張欣然，張 薇

（中國石化股份有限公司天津分公司化工部，天津 300271）

1 裝置簡介

某石化公司滌綸短纖維裝置是20萬噸/年聚酯二階段工程的主要生產(chǎn)裝置之一。采用直接紡絲工藝，從熔體輸送系統(tǒng)、紡絲、后加工直到打包，全部工藝技術(shù)和設(shè)備由國外引進。紡絲泵、卷繞、喂入、絲桶橫動裝置的控制是通過可編程控制器（PLC）來實現(xiàn)，其主要參數(shù)送至DCS進行監(jiān)視和操作。后加工生產(chǎn)線采用PCS7系統(tǒng)，其控制功能通過可編程控制器（PLC）來實現(xiàn)。該裝置生產(chǎn)能力為20萬噸/年滌綸短纖維，配置兩條生產(chǎn)線，單線能力為150噸/天。本文中的增壓泵設(shè)備在該裝置中處于“龍頭”位置，來自聚酯裝置的紡絲原料在熱媒系統(tǒng)的保溫下，以熔體的形式經(jīng)輸送管線輸送至增壓泵處，在通過增壓泵設(shè)備加壓后輸送到各個紡絲箱體，然后經(jīng)過紡絲、卷繞、喂入、鋪絲后再進行后并進行加工處理。

增壓泵設(shè)備是由電機、減速機和泵體組成，電機為1LA系列三相異步電動機，電機的運轉(zhuǎn)則是由6SE70系列變頻器控制，其控制系統(tǒng)采用S7400系列PLC。通過熔體的壓力傳感器輸出4-20mA信號來控制變頻器的輸出頻率，從而實現(xiàn)對熔體的恒壓控制。控制增壓泵電機的啟停信號以及相關(guān)的聯(lián)鎖信號點全部進入PLC的ET200M模塊，PLC與ET200M通過Profibus通訊方式來聯(lián)系，系統(tǒng)的控制命令均由PLC發(fā)出。

2 故障現(xiàn)象

2011年12月19日11點58分前紡增壓泵裝置停車，電氣人員檢查增壓泵變頻器發(fā)現(xiàn)F011（該裝置由于過流而停機）報警，查看增壓泵PLC系統(tǒng)的故障診斷信息，出現(xiàn)PLC總線上的ET200M掉站故障。變頻器復(fù)位后即刻恢復(fù)生產(chǎn)。2012年3月6日09點58分前紡增壓泵裝置再次停車，增壓泵變頻器F011報警，PLC系統(tǒng)的故障診斷信息再次出現(xiàn)ET200M掉站故障，兩次的故障現(xiàn)象幾乎一致。故障的難點在于變頻器故障和PLC故障之間是否存在因果關(guān)系還是各自獨立的。

3 原因分析

通過對PLC系統(tǒng)的故障診斷信息進行仔細分析，發(fā)現(xiàn)故障發(fā)生和恢復(fù)返回的時間均為毫秒級，有的甚至為幾十毫秒。在短時間內(nèi)幾乎無法判斷變頻器故障和PLC故障的先后順序，這使得故障分析處于停滯狀態(tài)。但是通過查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)使用“drivemoniter”軟件中的“trace”功能，對分析故障原因起到了關(guān)鍵作用。

首先介紹一下“trace”功能的使用：在ONLINE模式下點擊TRACE圖標(biāo)，→進入TRACE畫面→點擊SETTING→進入SETTING對話框→在對話框的左半部分選擇想檢測的連接器（K或B）,在右半部分的上半部分設(shè)定采樣周期,在下面部分選擇觸發(fā)條件→保存→點擊START,然后等待觸發(fā)激活后即可記錄曲線數(shù)據(jù)?！皌race”功能是“drivemoniter”軟件中的亮點,它完全可以替代示波器的功能,而且相比普通示波器有以下優(yōu)點：①保存數(shù)據(jù),并具有打印功能；②最多可同時監(jiān)控10個數(shù)據(jù),并以不同顏色的曲線顯示；③可監(jiān)控K或B連接器的狀態(tài)；④采樣時間可以選擇設(shè)定，最短采樣周期可以達到5ms。

為了獲取第一手信息采取長期在線連接變頻器，并將變頻器故障報警信息作為數(shù)據(jù)采樣的觸發(fā)條件，采集到變頻器發(fā)生故障時的歷史數(shù)據(jù)曲線，通過對這幾次的曲線情況進行比較，針對變頻器發(fā)生F011（變頻器過流報警）進行了認真分析。如圖1所示為變頻器故障數(shù)據(jù)曲線。圖1中1為輸出電流曲線；2為輸出實際速度曲線；3為變頻器U相輸出電流波形。

通過對以上兩次變頻器故障時采樣的數(shù)據(jù)曲線進行比對不難發(fā)現(xiàn)，這兩次的故障曲線基本一致。主要表現(xiàn)在：①輸出電流曲線1在變頻器報警點時間后延時幾十毫秒變?yōu)榱悖虎谳敵鰧嶋H速度曲線2在變頻器報警點時間變?yōu)榱悖虎圩冾l器輸出電流波形曲線3出現(xiàn)在故障時間點前100ms的時間段內(nèi)沒有曲線記錄的情況，而在故障點則出現(xiàn)2-3倍于正常波形幅值的曲線。

圖1 變頻器故障歷史曲線

首先，針對記錄曲線所反映的現(xiàn)象，通過查看變頻器矢量大全中的矢量圖可以發(fā)現(xiàn)，輸出電流（output Amps）曲線1所采樣的數(shù)值為變頻器輸出電流互感器反應(yīng)的電流值，通過計算后又經(jīng)過一個2s的濾波延時后才送給連接量k0022（輸出電流值），而輸出實際速度曲線2則是直接采用了變頻器的實時頻率進行計算而未進行濾波直接送到連接量上。因此這就解釋了曲線圖中輸出電流曲線1滯后于速度曲線的原因。變頻器的輸出電流矢量圖如圖2所示。

變頻器輸出電流波形曲線3、4分別是通過變頻器輸出電流互感器采集到的Phase1和Phase3的電流值通過控制板進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后送給相應(yīng)的連接量，通過連接量顯現(xiàn)為曲線圖中的正弦曲線。其矢量圖如圖3所示。

針對這兩次同時出現(xiàn)電流波形曲線3、4在故障時間點前幾十毫秒左右的時間段內(nèi)沒有曲線記錄的情況進行分析，研究發(fā)現(xiàn)沒有曲線記錄的這段時間是因為電流互感器沒有采集到電流數(shù)據(jù)導(dǎo)致的，而造成這種現(xiàn)象是因為變頻器的輸出接觸器出現(xiàn)了瞬間的釋放斷開。斷開的這段時間電流互感器檢測不到電流因此沒有曲線記錄，但是這段時間變頻器一直處于正常輸出狀態(tài)，而當(dāng)接觸器瞬間吸合時相當(dāng)于電機全壓啟動，其瞬時電流峰值必然會很大，這就是圖1中在變頻器發(fā)生故障的時間點出現(xiàn)的2-3倍于正常波形幅值的曲線。當(dāng)這個波形峰值達到或超過變頻器的過流報警閥值時，變頻器便發(fā)送故障指令F011（變頻器過流）來關(guān)斷變頻器的輸出，從而導(dǎo)致本次事故的發(fā)生。

分析變頻器的輸出接觸器為何出現(xiàn)瞬間的吸合狀態(tài)，由于變頻器的輸出接觸器的線圈是通過PLC的輸出點控制的，因此將PLC系統(tǒng)作為突破點，通過查看PLC系統(tǒng)的診斷信息來分析其原因。

在正常狀態(tài)下PLC運行時的工作步驟如圖4所示。

PLC正常上電啟動后會執(zhí)行一次OB100啟動塊，然后CPU不斷循環(huán)操作以下三個主要部分：①CPU檢查輸入信號的狀態(tài)并刷新過程映象輸入表；②執(zhí)行用戶程序；③把過程輸出映象輸出表寫到輸出模塊。

在每個掃描周期，CPU檢查輸入和輸出的狀態(tài)。過程映象輸入表建立在CPU存儲器區(qū)，所有輸入模塊的信號狀態(tài)存放在這里。而PIQ過程映象輸出表包含程序執(zhí)行的結(jié)果值，掃描結(jié)束后傳送到實際輸出模塊上，如圖5所示。

圖2 變頻器輸出電流矢量圖

圖3 電流矢量圖

圖4 正常狀態(tài)下PLC運行時的工作步驟

圖5 過程映象

圖6 部分代表性報警信息

當(dāng)PLC發(fā)生通訊中斷時，其無法訪問映象區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)，CPU會將其存儲區(qū)內(nèi)的輸入輸出信號置為“0”，一旦通訊恢復(fù)正常CPU繼續(xù)執(zhí)行用戶程序，按照程序進行輸入輸出分配。由此調(diào)取了發(fā)生故障時增壓泵變頻器所在的ET200發(fā)生的故障信息，如圖6所示為截取的部分具有代表性的報警信息。

通過對診斷信息的分析認為是由于PLC與變頻器所在的ET200模塊發(fā)生通訊后出現(xiàn)掉站現(xiàn)象，直接導(dǎo)致其在過程映像區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)無法正常訪問，致使ET200的輸入輸出點均為“0”，而變頻器的輸出接觸器線圈是由PLC的輸出點來控制的。因此，當(dāng)增壓泵變頻器所在的ET200模塊出現(xiàn)瞬時的通訊中斷后，其輸出點輸出為“0”，導(dǎo)致其所控制的接觸器斷開，而當(dāng)通訊恢復(fù)正常后其輸出恢復(fù)到正常狀態(tài)“1”，接觸器吸合，而接觸器瞬間的斷開吸合會產(chǎn)生一個很大的電流峰值，當(dāng)峰值達到變頻器的報警閥值時變頻器故障停車。

4 處理措施

本次故障其根本原因在于如何解決PLC的通訊問題，一旦PLC的通訊問題解決上述問題也不復(fù)存在了，因此對變頻器所在的ET200M進行改造，將增壓泵變頻器所在的ET200M從站取消，將其從站所有的輸入輸出點全部引至PLC的主機架的輸入輸出卡上，這樣就不會出現(xiàn)ET200M的通訊故障導(dǎo)致的掉站現(xiàn)象。

改造后將從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制原理上避免了通訊故障的產(chǎn)生，確保短絲裝置的安全穩(wěn)定運行，徹底擺脫通訊故障對短絲生產(chǎn)的長期困擾。

［1］SIMOVERT MASTERDRIVES矢量控制使用大全.西門子.

［2］西門子S7-400使用手冊.西門子.

［3］化工部短纖維裝置工藝手冊.天津石化公司化工部.