摘要：加热炉电气控制系统PLC故障严重威胁加热炉运行安全。针对故障进行排查分析，从网络故障、PLC主站硬件故障、信号干扰、散热等影响因素查找原因，通过采取故障排除及系统优化措施，降低了PLC故障发生率，保障了加热炉的运行安全。
关键词：加热炉：PLC故障；排查
0前言
某钢厂厚板生产线加热炉的PLC控制系统分为仪控、电控两大部分，各配置一套S7－400系列PLC。电气控制系统PLC主要负责加热炉步进梁、推钢机、出钢机、上料辊道、出料辊道、助燃风机、引风机、液压站电机以及汽化冷却循环泵、给水泵等设备的电气控制。在加热炉运行中，电气控制系统PLC死机故障会造成步进梁的相应电气设备不能动作，严重时还会导致助燃风机停止运行以及汽化冷却系统循环泵、给水泵等设备故障停机，严重威胁加热炉的运行安全。PLC故障主要有网络故障、PLC主站硬件故障、信号干扰及散热等4个方面原因［1］，结合厚板生产线加热炉现场工况进行排查、分析，对影响加热炉电气控制系统PLC正常运行的因素进行优化，降低PLC的故障发生率，保证电控系统安全运行。
1故障排查与分析
1．1网络故障原因
经现场观察，在出现网络故障时，加热炉远程控制画面中有关电气控制的部分显示灰色，如同WinCC未连接PLC时的状况，电气柜内CP网卡的指示灯响应缓慢，甚至常亮，PROFIBUS－DP相应的硬件指示灯不闪烁，PLC主站的CP网卡通讯无法链接、读取数据，直到CP网卡死机。由于故障发生时的表面现象为PLC主站CP网卡通讯无法链接、读取数据和网卡死机，维护人员通常都会首先从有关网络的安装以及所处环境等方面开始检查。通过检查电气控制系统PLC的PROFIBUS－DP配置，发现整个网络采用一根PROFIBUS－DP网线的配置，当某处出现故障时，将导致整个网络通讯中断;远程站设置在炉前远离加热炉设备的另一端，各电气设备通过网络链接，部分PROFIBUS－DP网线敷设经过高温高湿环境，其铺设路径上方紧邻辊道电机且并未与工作电源分开，电机运转时存在电磁干扰现象，影响通讯质量，也能导致通讯故障。原电气控制系统PLC网络硬件配置见图1。
1．2PLC主站硬件故障原因
PLC主站硬件主要包括CP网卡、CPU主控卡、MMC存贮卡、RANK背板。在针对厚板生产线加热炉电气控制系统PLC进行跟踪时，发现PLC死机后CPU指示灯颜色会有不同的变化，西门子资料中有关CPU故障时指示灯状态的含义如表1所示。根据表1信息，PLC故障时，CPU的Run灯为常绿，而Stop灯为橙黄色，为此，怀疑CPU或CP卡件内部有存在“软故障”的可能，于是对厚板生产线加热炉在线S7－400系列PLC的CPU、CP卡件进行测试，结果卡件正常，排除PLC主站硬件影响因素。
1．3信号干扰原因
PLC主站、远程站接地及信号屏蔽等出现问题可能对信号产生干扰，而PLC安装接地是否正常会直接影响系统的稳定性、安全性以及数据的准确性［2］。在确认CPU及CP卡件正常后，考虑到加热炉电气控制系统PLC所处的高温、潮湿、电磁干扰环境，对构建及连接加热炉电气控制系统PLC主站及远程站PROFIBUS－DP网线、主站及远程站的接地情况进行逐一检查和测量，主站及远程站的接地均合格。考虑到PROFIBUS－DP网线没有可靠接地会产生干扰，引起相关信号干扰故障，将所有连接的PROFIBUS－DP网线外皮剥开，再用电缆线将其屏蔽层重新连接并接地，见图2。经检测，同样没有异常情况发生。
1．4散热不良原因
PLC系统柜内CPU及其他模块工作时会产生热量，如果散热不良，将导致工作温度偏高，影响CPU及其他模块运行。厚板生产线加热炉的仪表控制系统S7－400系列PLC以及电气控制系统S7－400系列PLC的主站全部配置在一个系统柜内，其中1#插槽是电源模块，2#插槽或3#插槽是CPU模块，4#插槽是CP网卡，属于标准设计。鉴于电气设备在正常或非正常运行过程中均产生大量热量的情况，必须有高效的散热装置，否则电气设备自身产生的热量足以引发设备故障。因此对CPU以及卡件的安装方式、环境温度都有严格要求，尤其对CPU的安装要求更加严格，一般水平安装时工作温度0～60℃，而垂直安装时工作温度0～40℃。在加热炉运行过程中检查电气控制系统PLC的CPU及CP模块温度，确认其温度偏高，散热不良是故障原因之一。
2系统优化
根据上述导致PLC故障原因的排查分析结果，确认厚板生产线加热炉网络通讯不良及CPU工作温度偏高是导致电气控制系统PLC发生故障的主要原因。
2．1网络优化改造
考虑到电气控制系统PLC的数据通讯量比仪表控制系统PLC大，为减轻PPROFIBUS－DP网络通讯的负担，避免发生因其故障导致整个网络瘫痪的现象，并且方便故障排查，针对电气控制系统PLC的PROFIBUS－DP网络进行改造，将其分为两路，并将现场的PROFIBUS－DP网络重新布线，避开高温潮湿区域。改造后电气控制系统PLC的PROFIBUS－DP网络硬件配置见图3。从图3可见，新的PROFIBUS－DP网络分为两个部分:(1)CPU的DP接口→出炉操作台(1#站)→加热炉液压站(6#站)→集中电气室。(2)CPU的MPI/DP接口→P7远程站(加热炉入口侧)→上料操作台。如此设计可以避免因电气控制系统PLC的PROFIBUS－DP网络中某1个远程站故障导致整个网络瘫痪，确保某一部分的网络通讯正常，控制网络故障对生产和设备的影响范围。
2．2模块散热优化
为了使系统柜中CPU和其他模块更快速地降温，借鉴计算机CPU散热片以及大功率开关电源散热片多栅格状或栅片状的设计，将加热炉电气控制系统PLC系统柜中的CP模块重新配置到其他插槽，使CPU与CP模块之间形成类似散热片的栅片状。优化前CP443－1模块在4#插槽内，见图4(a)，紧邻CPU模块;优化后CP443－1模块位于5#插槽内，见图4(b)，与CPU模块间隔1个模块的位置，提高了散热效率。
3结语
通过对影响PLC正常运行、导致其发生故障的因素逐条排查，分析出厚板生产线加热炉电气控制系统PLC故障的原因并进行优化，将电气控制系统PLC的PROFIBUS－DP网络进行布置优化并分为两路，现场PROFIBUS－DP网络重新布线，避免了电气控制系统PLC的PROFIBUS－DP网络中因某个远程站出现故障而导致整个网络瘫痪，控制了故障对生产和设备的影响范围;将CP模块优化配置到其他插槽，使CPU与CP模块之间形成类似散热片的栅片状以便于降温，解决了此案列中温度高导致的PLC死机现象。此次优化实践排除了导致PLC故障的影响因素，提高了厚板生产线加热炉S7－400系列PLC安全运行效率，降低了故障发生率。
作者：刘永龙 周焱民 刘天纬 单位：新余钢铁集团有限公司轧钢厂