西门子传动及网络系统升级优化
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作者:朱卫红
摘 要：河钢集团宣钢公司型材车间项目来源于河钢集团宣钢公司型材车间电气设备在线运行10年，部分电气设备老化，功率降低，故障频繁发生，影响正常生产顺利进行。经测试分析，发现型材生产线电气系统存在大量设备隐患，主要问题出现在DP网络系统、传动装置、接地系统。在生产运行过程中，不定期就会出现问题，随机出现通讯故障和变频器故障，造成系统停车。一旦出现该类故障，就会使轧机里堆钢，对设备损害非常严重，而且处理起来时间较长，严重影响工厂的正常生产运行。本文针对此问题进行了细致的排查，通过对DP网络的优化和变频器升级改造从而处理了此故障，确保设备的稳定运行。
关键词：PROFIBUS-DP 6SE70传动装置 PLC
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）04（c）-0162-03
宣钢型材生产线工程是全连轧，建设规模为年产70万吨合格角槽钢矿用U型钢及大规格圆钢。宣钢型材车间电气设备在经过10年使用后，部分电气故障率高，重复性故障发生频繁，影响正常生产顺利进行。
1 故障现象
型材线在生产过程中，由于设计、环境等诸多因素的影响，并随着电气设备的老化电气事故不断增多。主要问题在DP网络系统、传动装置、接地系统，通过DP网络测试软件Profitrace测试，重新设置DP网络，重新敷设对加屏蔽防护，6SE70逆变器技改后，使型材电气设备故障率大幅降低，保证了设备的正常运行。
2 故障分析
根据故障现象分析原因如下。
2.1 PLC的DP网络故障问题
由于网络中断，导致轧机区急停信号进入PLC，从而使全线轧机停车堆钢，编码器信号缆和PLC的总线电缆受到动力缆的干扰;由于前期设计不完善以及施工不严谨，使得编码器信号缆和总线电缆在敷设时没有严格按照DP电缆布置说明施工。总线电缆连接头连接不好;由于前期施工时没有使用DP线剥线的专用工具，而使用电工刀和钳子等工具，可能在剥DP线时对铜芯造成伤害。总线电缆信号衰减，经过几年的使用后，IM通讯模块有可能出现功能减退等问题，严重影响生产。
2.2 6SE70逆变器故障处理问题
型材生产线主、辅交流传动设备均采用西门子6SE70变频系统，精整、收集传动设备是以多台逆变器共用整流装置供电方式的交-直-交变频方式。在实际使用中，由于负荷量大或现场因素极容易造成逆变器频繁过载、过流，对设备损害非常严重，容易造成逆变器内部IGBT组件击穿，从而减少装置的使用寿命。在更换过程中，由于安全起见，需整体停电（将整流装置电源拉闸），然后待放电结束后，才可断开各个装置的分送电刀熔开关。这样，更换逆变器处理故障的时间长，同时，影响精整、收集整体设备的运行，严重影响生产的顺利进行。
2.3 接地问题
型材主电室接地系统较差，未达到标准的接地要求，易对通讯信号的传输造成干扰，使系统通讯重故障。
3 故障解决办法
根据以上故障原因分析结果，特提出以下解决办法。
3.1 PLC的DP网络故障问题的处理
通过DP网络测试软件Profitrace测试轧线PLC就地远程站路DP网络，网路顺序：CPU（2）→三号台（9）→精轧远程站右（4）→精轧远程站左（3）→轧机液压站（6）→粗轧远程站（5），DP网络电压（CPU处测试），改波特率500 kbps至187.5kbps，分别在CPU、精轧远程站（3）（4）和粗轧远程站（5），发现信号不正常，并依次甩掉各个远程站，测试波形，发现信号依然不正常。
根据测试结果决定采取以下改造措施：①在精轧远程站（3）后加中继器;②更换粗轧远程站（5）IM153模板;③更改网络拓扑结构，网路顺序由原来CPU（2）→三号台（9）→精轧远程站右（4）→精轧远程站左（3）→轧机液压站（6）→粗轧远程站（5），改为CPU（2）→精轧远程站右（4）→精轧远程站左（3）→轧机液压站（6）→粗轧远程站（5），精轧远程站左（3）→三号台（9）。降低原来的DP通讯速率，由原來的500kbps降低为现在的187.5kbps，使其降低故障发生率。④延长网络报文故障时间，由1ms改为1000ms，降低逆变装置网络重故障。⑤将PROFIBUS-DP连接头改为光电隔离连接，进一步将电磁干扰对DP网络的影响降低;使用了FastConnect（DP网头专用工具）并在做好的DP头上加锡，消除网络接头处接触不良引起的信号问题。⑥更换部分干扰较为严重的编码器信号缆和总线电缆，重新铺设。⑦网络路末端装置上加装端结PROFIBUS的电阻，使其起到屏蔽干扰的作用。
改造后网络各站电压基本恢复正常。改造前后对比图如下。
3.2 6SE70逆变器故障处理的方法及应急措施
造成逆变器故障原因有以下情况电机故障、负荷线路故障、电机运行时重启动、启动时加速时间过短，针对以上原因我们采取如下应急措施：
（1）硬件方面：凡现场电机侧未加装保护空气开关的均根据电机容量及逆变器容量，结合实际使用中负荷的分布情况，选择合适容量的空开加装。这样，一方面多一级保护，另一方面，便于现场维护及时断掉负荷电源，实现安全维护。一般情况选取电机额定电流的1.8倍作为安装现场空气开关的选取值。对于用于驱动多台变频电机的装置，我们采取在逆变器输出侧增加电抗器容量，以补偿对地容性电流，从而降低电机电压，提高电机的运转扭矩，对逆变器起到更好的保护作用。 （2）参数方面：针对经常报故障F011（过流）、F015（堵转）、F006（直流母线过压）、F008（直流母线欠压）这一现象。对于启动过程，我们采取调节参数P462（斜坡函数发生器加速时间），P463（斜坡函数发生器加速时间单位），将时间单位设为秒，范围控制在10～30（根据容量大小选取），同时调用斜坡函数发生器带圆弧运行方式，调节参数P468（斜坡函数发生器带圆弧运行方式）、P469（斜坡函数发生器初始圆弧时间）、P470（斜坡函数发生器终止圆弧时间），从而减小启动电流对逆变器的冲击。另外，考虑到工艺过程需急停设备，为防止制动电流对逆变器的冲击，调整参数P464（斜坡函数发生器减速时间）、P465（斜坡函数发生器减速时间单位）、P466（快停的减速时间从100%到静止），从而达到对电机及逆变器的保护。
（3）对于使用矢量控制+测速编码器控制方式的逆变器，如遇到编码器故障或者急需判断是否是编码器故障的情况，将P100由4改为3（无测速编码器矢量控制）或0（v/f控制），这样，如果为编码器故障，不仅能够迅速恢复生产，同时能偶迅速判断故障原因。
（4）针对逆变器内部故障导致逆变器无法正常工作，我们采取以下预案。由于型材生产的特殊性（轧制槽、角、矿-U材时，圆钢设备暂停使用;反之亦然）。一旦型材收集某一设备（假设为A设备）出现逆变器坏故障，立刻将同等容量或大于A设备的其他收集的某一设备（假设为B设备）替代A，工作时，先拆除逆变器A、B各自所带的负荷线，然后将A的负荷线接至B的逆变器输出上;同时，在PLC程序屏蔽B的操作输入点，将A的操作输入点加入，实现A设备的正常操作和稳定运行（反之亦然）。此方法在实际运用中，已得到大家认可。不但提高了维护质量，加快了维护效率，同时，提高了维护技能;而且大大缩短了处理故障的时间，保障了生产的顺利进行。
通过以上应急预案措施，使型材车间逆变器突发损坏故障严重影响生产节奏的问题得到了很好的解决。一方面在解决传动装置损坏造成停产局面的情况下如何快速解决问题，恢复生产找到了应急方法;另一方面提高了设备的重复利用率，我们通过专业技术论证和超强的技能敢想、会干、勇于创新，开创了型材车间在线逆变器设备突发损坏的情况下，如何应急维护，而且两者之间相互替代、互不干扰的先河，为将来设备维护打开了新思路，提供了新方法;另一方面为生产的快速恢复，加快生产节奏，提高生产效益奠定了扎实的基础。
3.3 接地系统改造
针对主电室现场勘查情况，特制定以下整改方案：在主电室接地主线引入处加装等电位连接母汇流排，为使接地性能连接可靠，焊接一段铜条与母汇流排螺栓压接，做好标示。接地连线采用多股绞合铜芯绝缘电线或电缆，采用镀锌或铜螺栓连接，接地汇流排应使用铜材，并由绝缘支架固定。接地线的截面积应符规定，接地连线大于2mm，接地分干线大于6mm，接地干线大于20mm，接地总干线大于30mm。接地总干线与接地体之间应用焊接。埋地的接地干线用有效截面积相同的热镀锌扁钢或圆钢进行焊接。接头采用搭接，扁钢搭接长度为宽度的2倍，园钢为直径的6倍，接触良好，连接应牢固，焊接处应做防腐处理。
4 故障分析总结
这里遇到故障都是由于设计、制造等方面存在不合理的地方和现场环境恶劣造成的，因此，要注意以下几点： （1）通过DP网络测试软件Profitrace测试DP网络，有针对性的处理问题;（2）采取在逆变器輸出侧增加电抗器容量，以补偿对地容性电流，从而降低电机电压，提高电机的运转扭矩;合理的功能块组态及实际运用参数的调整使设备满足生产工艺的要求;闲置与在线设备的互相替代，为解决逆变器突发损坏提供了新思路、新方法;（3）利用型材生产工艺特殊性，遇到逆变器损坏的情况，采用逆变器替代的方式，能够迅速恢复生产
5 结语
综上所述，通过对DP网络等故障的处理，使得设备自改造升级投入运行以来，设备的故障率大幅度降低。生产更加稳定，设备的安全运行保护措施更加完善，彻底扭转了之前设备故障率高的情况，从而达到了节约成本的目的，提升产品质量，为型材生产线的设备提供了有力保障，也使得我们的维护水平得到提升。
参考文献
[1] 阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京：清华大学出版社，1999.
[2] 潘晓宁.PROFIBUS-DP工控网的通讯原理[J].电气传动，1999（5）：25-28.
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