成套那些事儿|两起线路干扰问题的分析和解决

剑指工控特邀“西门子技术支持论坛S7-1200/S7-1500/S7-300/400版区版主:黄岑(Zane)”在剑指工控开设专栏“成套那些事儿”,和大家一道摆摆电气成套的龙门阵。

(六)成套那些事儿|施工不规范引起的两起对地短路事故

(五)成套那些事儿|说说国产电柜

(四)成套那些事儿|电气柜成套点评

(三)成套那些事儿|XX纸业复卷机电柜+P2开关柜爆炸事故

(二)成套那些事儿|某制药项目西门子触摸屏死机问题技术分析

(一)成套那些事儿|某线缆生产设备电气成套存在问题分析

(七) 线路干扰问题

事一:

2017年的年初,应某客户的请求去调试现场做一次S120的新机调试。项目应用比较简单,10多根矢量轴的速度控制,采用的是S120 CU320-2PN + CUA31 + PM240-2 + 1PH8异步电机,分布式驱动方案,共4个CU320-PN分在4个分柜里,控制器用的是S7-300的CPU 315-2PN/DP,PN通讯通过SCALANCE交换机走星型网络。

调试时用的是客户的电脑,STEP 7 + Starter + USB接口的PC适配器编程电缆,其实可以用网线调试的,因为客户对路由调试很感兴趣,他一直也没做通过,所以一定让我用PC适配器给他做一次路由调试的示范。客户事先已经对所有电柜做了通电检测,在确认软硬件版本都没有问题后,就撸起袖子开工干活。

调试过程还算比较顺利的,一上午下来硬件组态,联网组态,驱动的初始化,优化,单独运行基本都做完了,唯独有一点,就是有一个分柜的CU320-2PN在初始化时通过主站CPU怎么也识别不到,是我单独用我的电脑就近通过CU320-2PN本体的X127端口做了初始化后,才一切正常的,这个让我有些颇为不爽。客户见调试这么顺利,很高兴,又到中午午饭时间,张罗着拉我出去厂区外的饭店吃饭,说实话吃的是啥我不记得了,因为这个问题一直有些心不在焉。

饭后,又回到调试车间,大致跟客户讲了一下调试的要领,让客户自己上手调试,有问题我再帮助他解决。期间空闲的时候,我就又来到先前不能识别的分柜前,仔细看了看,没看出什么的问题,PN网线用的是西门子的原装插头和电缆,做的不是太规范的那种,想想会不会是这个原因导致通讯不畅啊,于是和客户打了招呼,要来工具,打算把这根电缆的插头重新做一下。当我拔下X150的PN插头时,CU320-2PN断电了,我楞了一下,CU的24V电源也是主柜一个专门的电源供过来的,我没有断过主柜电源,怎么24V电源会没有了呢?于是,我把PN电缆放下,想去检查一下24V电源,这时放下的电缆的金属插头碰到了电柜的安装板,CU又上电了亮了,这下问题彻底显现了,这个分柜的CU的24V电源是通过接地和通讯电缆的屏蔽层构成回路的。赶紧叫来客户,让他彻查电源线路,电气图纸是那种特简单的原理图,任何时候都是正确的,查不出毛病来,最后顺着线捋回主柜,发现这个分柜的24V电源的正极和负极分别来自主柜的两个开关电源,如下图所示:

在客户改正线路后,我把出问题的CU恢复工厂设置,重新做初始化,这一次通过主站CPU很顺利就识别出来了这个CU,不爽挥之而去,完美。

事二:

2017年花了不少的精力在V90PN的技术支持上,正是V90PN的推出使许多原先使用脉冲控制伺服方案的客户转向了PN总线控制伺服的方案。但随之而来的是各种V90PN通讯故障和编码器故障的技术支持需求量猛增,刚开始都是按EMC规范指导客户去解决问题的,从各方面的反馈回来看,一多半的问题的确是EMC的问题,但还有些好似顽疾,总也解决不了,颇让人头痛。

在2017年8月份时,有个汽车行业的重要客户在使用V90PN做项目的过程中出现编码器故障,拖了好久没有有效解决问题,案子又辗转到了我这里,要求到现场支持。

在去现场前,与客户的现场工程师简单的沟通了一下,了解了一下情况,得知是一个汽车部件的装配线,采用分布式控制方案,在调试过程中几乎所有的V90PN伺服驱动器都会报F31110、F7452、F7453、以及F7490等的故障,如图所示:

频繁的故障报警导致调试无法正常进行下去,寻求多方支持无果,尤其是在更换其中的两台伺服驱动器后,故障状况依旧;客户因此怀疑伺服电机的接口以及编码器电缆也存在问题,甚至V90系统存在严重的质量问题,甚至软件编程有问题,总之疑神疑鬼怀疑一切,但又束手无策。

到了项目现场,我让客户找一台上述故障依旧非常频繁发生的伺服驱动器,通过在线监控,确认F31110是基础故障,这属于硬件故障类,导致原因一般不是相关硬件出现损坏就是系统存在严重的硬件干扰。于是重点排查了伺服驱动的电源,接地,屏蔽等,虽然发现存在一定的问题,但系统在测试阶段,尚未全负荷工作,一般不会导致如此严重而且频繁的硬件故障。在现场采取了一些常规的EMC应对措施后,故障依旧频繁发生。

然而,在排查过程中发现一个现象,即通过电脑遥控测试发生的故障现象的概率要远低于现地按钮操作发生故障现象的概率,于是检查系统的电源,网络及接地,发现存在较大的设计问题。由于没有原设计图纸,现场调试人员亦不是原设计人员,搞不清楚现场电气线路的设计状况的前提下,我提议采取排除法,即只连接S7-300与单台V90PN,只有简单的电源及单一的直连PN通讯连接,排除所有其他的线路,进行功能测试,看测试过程中故障发生的情况,最后得到的结果是系统完全可以连续工作,上述故障不再发生了。

这时,我心里已经完全有底了,很快给了客户明确的结论如下:

1.V90PN伺服系统(包括驱动器,电机,相关电缆)不存在产品的质量问题;

2.是硬件系统问题,与软件及编程无关;

3.导致F31110故障的直接原因是外围线路存在接线错误,伺服系统的屏蔽接地成为电气回路的一部分,屏蔽层有电流通过引发了伺服编码器的通讯故障;

4.整个项目的电气控制系统在电源系统,接地系统,以及通讯网络系统的架构设计上存在技术缺陷,IO电气线路设计不规范,是导致外围接线错误,引发伺服编码器通讯故障的内在原因。

在这个结论的指导下,客户很快找到了问题症结,改进电气设计,项目得以顺利进展。

通过两件事的问题发现与解决来看,其实这两起事的本质都不是干扰问题,而是在电气成套与现场安装过程中的线路错误造成,只是其表现出来的现象像干扰。但线路干扰与线路错误造成的影响还是有差别的:

1. 接地与屏蔽层导体成为元器件工作电流的回路导体,这是错误;如果是弱电表现为严重的干扰现象,但如果是强电的话,会烧通讯口

2. 线路错误造成的故障报警的频率远高于线路干扰造成故障报警,并且更有规律性,而且系统内功率器件未上电的情况先也会导致频繁的故障报警,表现出来的现象更严重;

3. 线路错误造成的故障报警,在采取EMC应对措施后是基本无效的,现象依旧;但如果让受影响的元器件单独取电工作,故障现象会立即消失;

4. 总线控制,等电势,多电源系统,分布式IO方案,分布式驱动方案,分布式电气柜方案,有以上特征的系统比较容易出现线路错误造成的类似干扰的现象。

       作 者 简 介    — Zane —

工作职务:上海大华总线电气技术有限公司,技术总监

社会职务:西门子技术支持论坛S7-1200/S7-1500/S7-300/400版区版主

个人简介:北京理工大学自动控制系工业自动化专业本科毕业,高级工程师,注册自动化系统工程师,中国自动化协会会员。从事自动化一线技术工作20多年;主要从事自动化产品应用的技术支持工作及自动化控制系统的设计与开发工作;擅长用于中大型装备的分布式系统、多轴传动系统及伺服系统的控制与系统集成;擅长现场总线,网络通讯;擅长电气系统的成套设计,制造,安装,调试的全过程;擅长EMC电磁兼容性问题的诊断与解决;擅长软硬件的标准化与模块化设计;对系统开发的管理及系统的持续改进有比较丰富的经验。

从业经验:所参与或主持设计开发的控制系统涉及国民经济许多行业的应用领域,如核电,纺织,线缆,造纸,食品医药,石化,印刷,包装;船舶,冶金,工程机械,测试仪器等等;有不少重大项目及装备均为当时国内首次研发;多个项目和设备成功替代进口装备,在成功占据国内应用市场的同时又实现出口欧美等发达国家;拥有多次与外方进行项目谈判及项目合作的经历与经验;多次参加西门子专家会议获优秀论文及最佳论文奖,曾获省部级技术进步三等奖,曾获省级高新技术成果转化项目认定,并获得过多项技术发明或实用新型专利。