選礦廠自動化控制系統常見故障及維護分析

摘 要：隨著現代工業企業的快速發展，自動化控制系統在其中的應用范圍不斷擴大。在選礦廠中，隨著自動化水平的不斷提高以及生產過程控制技術的不斷成熟，要求自動化控制系統具有更高的穩定性。對此，文章對ControlLogix控制系統和西門子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維護保養工作的開展提供一些參考。

關鍵詞：選礦；自動化系統；故障；維護

1 控制器運行緩慢

1.1 故障原因

系統采用美國A-B公司的CompactLogix1769作為PLC控制器，并外加1.5M內存進行擴展。該控制器最大支持同時建立250個通訊連接，可以同時實現對本地框架和遠程框架中的I/O模塊的控制和組態。控制器的最大控制能力可以實現數字量12800或者模擬量400點控制。碎礦控制系統能夠達到模擬量152點的控制能力。控制器在運行過程中內存占用率為40%左右，可以說系統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和使用的連接方法進行標簽共享的功能，需要對生產標簽和使用標簽同時進行連接。生產標簽的數量在127個以下，使用標簽的數量在250個以下，每個生產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CPU的處理效率。

1.2 解決措施

在ControlLogix程序中，系統具有對各類標簽進行強制分類的功能。通過檢查發現其中存在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，程序掃描響應時間也有之前的3019μs降至1815μs，PLC內存消耗也下降了大約10%左右。

2 MES數據中斷故障

2.1 故障原因

選礦過程控制級為分布式結構，一共設置了控制站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置了監控系統。所有控制站均通過現場冗余以網絡互連的方式控制各個控制站。通過網關將控制網和廠級信息網連接起來，同時將底層的生產信息和設備信息上傳到MES系統，實現實時數據庫與關系數據庫在服務器中的互連。以太網屬于廠級信息網，由交換機實現與主干網絡的相互連接。通過以太網將各科室部門的子網絡連接起來，從而實現對各個子系統的實時有效監督管理。但是在以太網發生通訊故障之后，由于Ethernet網采用CSMA/CD作為主要數據訪問方式，如果發生訪問沖突，就會導致數據在傳輸過程中出現不穩定的情況，進而導致整個管理層出現“失控監控”的狀態，嚴重影響對生產過程的有效監管。近一段時間以來，選礦廠以太網磨礦長期占用100%的CPU資源，網絡頻繁發生中斷故障，導致控制設備的狀態信息無法正常向MES系統發送。

2.2 解決措施

首先，通過拔除以太網通信模塊，發現CPU的占用率仍然沒有變化，依然為100%。然后切斷整個網關機架的供電，CPU占用率仍然處于100%。最后將計量上傳計算機與MES系統之間的網絡連接切斷，Ethernet模塊的CPU占用率迅速恢復正常水平，以太網的通信業恢復正常，MES數據傳輸恢復正常。通過這樣的方式發現計量上傳計算機發生軟件故障，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系統進行控制，能夠有效類似故障的再次發生。

3 ControlNet網絡響應速度慢

3.1 故障原因

ControlNet網絡是基于OSI參考模型底層要求建立的一種新型通信網絡。該網絡可以進行具有較高時間要求的控制信息的有效傳輸[2]。ControlNet網絡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，在每個網絡雙薪間隔之間調節節點的信息傳送機會。通過網絡刷新時間組態每個網絡刷新間隔的重復頻率。網絡刷新時間為預定信息、未定信息以及維護信息傳送的時間總和。ControlNet網絡中包括本地網絡和遠程網絡兩個獨立的子網絡。兩個子網絡通過獨立的CNBR模塊分別與CPU框架連接起來。其中，本地網絡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；而在遠程網絡中，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。三臺上網機均通過本地網絡進行掛載。從控制網絡拓撲結構來看，網絡硬件的規劃不但能夠有效分配數據流量，提高系統性能，同時還有利于網絡的維護。因此，可以排除網絡拓撲結構的問題，將網絡速度緩慢的原因定位在網絡組態參數設置方面。

3.2 解決措施

根據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點的數量，以減少用戶預訂信息的總量，從而提高網絡刷新時間中預定信息傳送時間的消耗；通過對網絡刷新時間的值進行合理設置實現對網絡流量的控制，同時使組態中的網絡截至配置符合系統的實際情況，從而提高網絡響應速度，具體按照下面的步驟進行：首先，對系統各個節點地址從01開始按照順序重新進行排列，使用戶最大預定節點號從原來的30下降到14；其次，將網絡刷新時間的值適當調高（從5ms增加到10ms），并適當降低每個網絡間隔時間的值，降低網絡的數據流量；最后，根據兩個子網絡的實際運行狀態重新配置網絡介質參數。在實際優化過程中，需要通過Rsnetworx For ConrolNet軟件重新組態下載ControlNet網絡，從最終優化的運行參數來看，Peak.Scheduled的值比Avg.Scheduled的值更高，優化結果良好。

4 處理器程序丟失

4.1 原因分析

選礦PLC控制系統采用西門子公司的S7-300PLC系統[3]。在使用過程中，系統共有十三個站點，工程師站和操作員站通過iFix組態軟件和STEP7編程軟件，實現建立磨礦過程控制模型，開發相應的磨礦過程控制程序，實現磨礦分級控制的作用；其中有兩個控制站出現了處理器丟失故障，導致設備全部被迫停止運行。選礦控制系統是通過對原有電氣設備改造之后形成的，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中的變頻器對控制站設備產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控制系統接地電阻過大，接地電阻螺絲發生松動或者銹蝕，同時還可能是PLC控制系統周圍存在會產生高頻電磁輻射的設備，影響PLC的正常工作；第二，內存儲器板開關接觸不良。PLC主控器內存儲器板開關、DIP開關電池通斷開關、定時器開關、內存容量選擇開關等開關接觸不良時，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，避免出現開關接觸不良的情況。

5 結束語

通過文章的分析可以看出，隨著現代工業生產技術的不斷發展，自動化系統的應用范圍逐漸擴大。在選礦廠中，自動化控制系統涉及到各個工藝環節的控制，其穩定運行對保證生產安全、生產質量和生產效率具有重要作用。因此，需要加強日常巡檢維修工作，及時發現自動控制系統存在的問題，確保自動化控制系統的可靠、穩定運行。

參考文獻

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

[2]楊琳琳.選礦自動化發展現狀及趨勢[J].現代礦業，2012（4）：116-118.

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