基于PLC變頻器革新中海油終端電動大門的電控系統

孫祥明

摘 ? 要：中海油某天然氣終端電動大門頻發故障，其中電控系統是罪魁禍首。基于PLC、變頻器和觸摸屏，革除舊的電控系統，設計研制新的電控系統，根除了現場維保時對廠家電控技術的依賴;同時變更其安裝位置，將新的電控系統安裝在有除濕功能的值班室內，消除了環境潮濕和鹽霧腐蝕的影響。新的電控系統解決了電動大門故障停運的問題，結束了“雪糕桶”+人工控制的管理模式，得到了本質安全的工作狀態。同時，它拓寬了改進機電一體化設備控制系統核心技術的思維模式，值得推廣學習。

關鍵詞：革新 ?PLC ?變頻器 ?觸摸屏 ?電控系統

中圖分類號：TM921.51 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：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故障，從2014年01月到2018年12月，因設備故障停運共計280次，故障停運累計時間約有32個月。

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

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，車輛司機在收集好證件后驅動車輛前行;出現人員與車輛交叉工作的情況，埋下不安全的隱患。曾經出現過，大巴司機誤以為“雪糕桶”已被取走，驅車行駛將“雪糕桶”推行了一段距離。

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

1 ?分析電動大門頻發故障的原因

1.1 電動大門的組成

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

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

（2）操控開關：輸入操控信號給主控制器，控制電動門開門、關門、停止動作。

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

（4）傳動機構：通過齒輪齒條的嚙合，傳輸電動機所產生的動力，牽引鋼質門體行走。

（5）機械本體：它由鋼質門體、導向輪組和走輪系統組成。①導向輪組是導向與定位裝置，防止門體運行時出現擺動現象;②走輪系統就像火車的鐵軌，支撐并帶動門體運行。

1.2 現狀調研與數據統計

根據歷史記錄和維修報告，調研了電動大門從2014年01月到2018年12月發生故障的情況。終端電動大門故障停運共發生280次，其中電控系統導致停運209次，占停運總次數的74%。電控系統是罪魁禍首，也是解決電動大門頻發故障的主要對象。因此，重點分析電控系統，保留原有大門的機械本體、電動機和傳動機構。

1.3 分析電控系統頻發故障的主要原因

針對電動大門的故障情況，分別從環境因素、設計缺陷、維修缺陷3個角度，分析電控系統頻發故障的主要原因。

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

（2）設計缺陷：①電動大門的主控制器、功率變頻器、感應探測器等電氣元件，全部安裝在室外。②感應探測器、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異常，就會導致整個系統癱瘓。③電控箱體的散熱口，直徑較大，便于小動物爬進，因而導致電氣類異常。

（3）維修缺陷：①現場人員沒有經過廠家的專業培訓，多數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當需調整參數或深度維修時，現場人員沒有廠家的專業軟件程序，需要聘請廠家人員進廠工作;容易造成維修成本增加和設備停運時間延長。

2 ?探討解決電控系統問題的最佳方案

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

2.1 設定工作目標

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

2.2 討論并確定最佳方案

首先，現場開展“頭腦風暴”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針對性培訓學習方案、C針對性技術革新方案。

其次，現場從難易度、經濟性、先進性、預期效果4個角度綜合考慮，對以上3大類方案進行評價打分，最終采用得分最高的C針對性技術革新方案。

最后，現場對C針對性技術革新方案，討論出四種具體措施（C.1基于臺式機技術革新、C.2基于單片機技術革新、C.3基于PLC變頻器革新、C.4基于工控機技術革新），再次從編程能力、人機交互、成本時間、方便性4個角度分別進行對比，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，實施電控系統技術革新

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

3.1 總體設計

根據現場實際情況，電控系統革新的總體設計思路：按鈕開關、觸屏信號等產生的開關信號，先輸入到PLC內部，經過邏輯運算后，接著由系統輸出命令，控制變頻器驅動電動機動作，最后帶動大門正常運行。

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

3.2 PLC編程與聯合調試

常用的PLC程序設計方法，主要有經驗設計法、梯形圖法、邏輯設計法、順序控制設計法等。根據控制功能要求，使用經驗法設計PLC控制系統流程圖。

編程并調試PLC控制系統，主要完成檢測、控制和通訊功能。（1）檢測功能：檢測開門信號、關門信號、停止信號、應急保護信號。（2）控制功能：控制開門、關門的動作;控制開門、關門的快慢;手動功能、觸屏功能和保護功能。（3）通信功能：PLC與進口大門變頻器通信，PLC與出口大門變頻器通信，PLC與觸摸屏HMI通訊，PLC與PC機調試通信。

3.3 變頻器設置與聯合調試

使用西門子USS通訊協議，實現西門子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端子都連接到機箱的接地點。

連接好主電路和控制電路后，設置MM420變頻器內部參數;完成MM420變頻器參數設置后，再開展聯合調試工作，測試MM420變頻器功能正常。

3.4 觸摸屏設置與聯合調試

通過西門子PPI通信協議，實現西門子MP277觸摸屏與西門子S7-200的通信。

首先，使用WINCC flexible2008 sp4編程軟件，布置規劃并繪制電動大門監控系統畫面。

其次，設置圖形元件的數據關聯和地址關聯，開展編譯、修改、離線模擬、下載、在線模擬等工作。

最后，反復測試狀態指示、動作控制、參數監視的功能情況，最終達到正常狀態：（1）完全打開、運行中、完全關閉狀態指示燈正常。（2）手動開門、手動關門、手動停止、點動開門、點動關門的操控開關功能都正常。（3）電動機運行電流、運行頻率監視數據都正確。

3.5 革新的效果和亮點

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

（2）革新亮點：①革除舊的電控系統，研制新的電控系統;將核心技術由廠家掌控轉換為自主掌控。②使用西門子變頻器，取代原有變頻板，讓參數調整更便捷、人機交互性更加良好。③使用MOV、RS、庫文件等指令，讓梯形圖的架構簡潔、電控系統的程序易懂。④僅用1條3芯通信線，通過USS協議實現單臺PLC控制兩臺MM420變頻器運行的功能。⑤使用機械式干簧管，取代電子式感應式開關，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 ?結語

革新電動大門的電控系統，有效保障其平穩可靠運行，每年節約維修費約19500元，實現對電控系統的自主掌握，徹底解決設備故障停運的問題。

通過對現場問題研究探討，推動問題原因分析和方案討論，學習借鑒經典案例，成功解決現場疑難問題，把降本增效執行到實處，給企業帶來實實在在的效益，這是每一位中海油員工的職責和使命。

完成電動大門革新工作，如同開啟了一扇技術創新的大門，現場其他設備的技術革新也可參照推行。它拓寬了改進機電一體化設備控制系統核心技術的思維模式，值得推廣學習。

參考文獻

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