WK-20 型电铲变频器“通讯”故障分析

程金营

（华能伊敏煤电有限责任公司，内蒙古呼伦贝尔 021134）

伊敏露天矿WK-20 型电铲驱动系统采用的是西门子6SE70 系列装机柜型变频器，核心控制系统采用的是西门子S7-300PLC。自2007 年陆续投入运行以来，电铲各类电气故障时有发生，大致可分为辅助部分故障、PLC 故障和变频器故障。在这些故障中，同时涉及PLC 部分和变频器部分的“通讯”故障尤为典型，经常是“小毛病引发大问题”，且故障点隐蔽不易查找，处理时间较长。

“通讯”故障是指WK-20 型电铲上西门子6SE70 系列变频器报出的PLC 通讯故障，主从AFE或主从提升通讯故障及人机界面与PLC 通讯不正常等一系列关于通讯的故障总称。

“通讯”故障具体表现为变频器报故障代码F082、F056、F079 和人机界面数据显示不准确等，其中F082 是PLC 通讯故障，指在报文故障时间内，从TB 或CB 收不到新的过程数据；F056 是主从提升逆变器柜通讯故障，指SIMOLINK 环的通讯受扰；F079是主从AFE 柜通讯故障，指在电报故障时间内，从SCB 接收不到报文。

1 通讯网络构成

1.1 PLC 系统通讯控制网络

伊敏露天矿WK-20 型电铲采用变频调速电气系统，“上位机人机界面+PLC 现场总线+AFE 变频传动”三级控制系统如图1。PLC 采用西门子S7-300PLC 系统通过Profibus DP 现场总线与变频器、司机室等连接实现分布式控制，实现整铲运行的时序逻辑控制；上位机人机界面监控整机采用Wincc flexible 2008 软件，通过CPU 模块MPI 接口与S7-300PLC 通讯，实现运行状态监控；变频器内数据通过Profibus DP 传输通讯至PLC，实现PLC 运算控制[1-2]。

图1 “上位人机界面+PLC 现场总线+AFE 变频传动”三级控制系统

通讯方式采用SIMATIC S7 中的S7 通讯，S7 通讯（S7-communication） 主要用于S7-400/400、S7-400/300 PLC 之间的通讯，是S7 系列PLC 基于MPI、PROFIBUS 过程现场总线和工业以太网的一种优化的通讯协议。WK-20 型电铲变频器装置通过标准变频器的Profibus 通讯模板CBP2 板与Profibus DP 总线联结器连接，PLC 作为Profibus DP 总线的主站，AFE、提升/行走变频器、推压变频器、回转变频器等安装CBP2 通讯板后作为设备从站[3-4]，使装置和装置以及PLC 构成Profibus DP 网络，实现与S7-300 PLC数据交换。AFE 柜安装CBP2 板时，需要ADB 适配板。在逆变器柜CUVC 板上扩展槽可以直接插CBP2通讯板。通讯中断变频器将会报出故障代码F082[5]。

1.2 主从提升逆变器通讯控制网络

WK-20 型电铲提升机构采用双电动机控制，由2 台逆变器分别驱动。为了保证2 台电动机做功相等，在2 台逆变器之间采用了转矩主从控制技术，1台逆变器作为主装置，采用闭环速度控制模式；另1台逆变器为从装置，采用转矩控制模式，其转矩给定值直接来自主装置[6]。

使用SIMOLINK 板（SLB）实现提升装置间的高速主从控制，将主提升速度调节器输出的力矩信号K153 取出，由光纤传输到从提升，通过P486 参数接到从提升的速度环，从而既保证了提升机构2 台电动机的速度可控，又保证了2 台电动机的出力均衡，使2 台电动机的运行配合达到最佳。2 台提升逆变器之间的主从通讯控制采用SLB 选件板，来进行SIMOLINK 通讯，SLB 直接插在逆变器的CUVC 主板的扩展槽上，通过光纤将主从提升装置SLB 板来连接成闭合环形回路。通讯中断将会报出故障代码F056。SLB 选件板框图如图2。

1.3 主从AFE 通讯控制网络

图2 SLB 选件板框图

WK-20 型电铲AFE 系统采用2 套容量相同的系统并联使用，通过SCB1 板和光纤将2 台AFE 控制柜连接起来，第1 套AFE 控制柜设为主装置，第2套AFE 控制柜设为从装置。SCB1 是具有光纤连接端子的接口模块，可实现装置对装置的连接功能[7]。SCB1 板将主装置的启动信号和电流信号通过光缆传输给从装置，实现装置对装置的通讯，主从2 个装置启动同步，电流相同，出力均衡，2 台AFE 装置的“运行”、“故障”信号输入到PLC 进行集中控制，用以保证传动系统正常运行。

接口板SCB1 插到AFE 主板CUSA 的电子箱插糟中，装置对装置通过光纤连接。主从AFE 间的数据耦合通过Peer to Peer 方式耦合，主AFE 负责控制中间回路电压，电压调节器输出作为电流给定值传送给从AFE，从AFE 接收和控制来自主AFE 的电流给定值，实现2 台AFE 并联使用。通过参数设置来定义主从AFE，主从AFE 参数设置P587=0，从AFE 参数设置P587=1。主从AFE 间通讯中断将会报出故障代码F079。主从AFE 装置连接及参数设置简图如图3。

2 “通讯”故障实例

2.1 F082 故障典型实例

2002#电铲约1 个月时间不定时AFE 或各部机构逆变器停机，一般没有故障代码，有时6 个变频器柜会随机不定时报出F082，简单处理或断开PLC 电源再上电均能正常作业，之后AFE 开始频繁停机。

2.1.1 故障现象

1）各部机构逆变器停止使能，其他正常，柜子显示0009（运行准备状态）。

2）试运过程中AFE 及各部逆变器停止使能，AFE柜显示0008，但高压正常工作（高压启动后，AFE 柜正常应显示0009）。

图3 主从AFE 装置连接及参数设置简图

3）试运过程中空气压力指示灯灭，提升模式指示灯灭，各部机构逆变器停止使能，AFE 运行指示灯灭，但AFE 和高压正常工作。

4）试运过程中空气压力指示灯灭，提升模式指示灯灭，AFE 及各部机构逆变器停止使能，显示0008，但高压正常。在晚上试运中还发现1#机架10#槽模块灯迅速顺序亮灭，之后约1 min 内就会出现以上4 种现象的1 种。

2.1.2 故障原因分析

结合故障现象，检查相关控制线路及元件，首先排除了高压启动控制回路、AFE 启动控制回路出现异常的可能性，检查对照控制程序后排除了AFE 及各机构控制PLC 程序段出现异常的可能性，之后结合PLC 输出模块指示不正常现象，将故障锁定在PLC 硬件方面。

1）0#架10#槽输出模块（各部机构逆变器使能输出）停止工作，导致各逆变器得不到使能处输出信号，对应故障现象1。

2）2#架4#槽输出模块停止工作，导致AFE 得不到Q2.0（AFE 使能）、Q2.2（主AFE 急停）、Q3.1（从AFE 急停）输出信号，对应故障现象2。

3）0#架10#槽输出模块和1#架9#槽输出模块停止工作，导致各各逆变器得不到使能处输出信号，Q17.7（空气压力指示）、Q17.6（提升模式指示）、Q16.3（AFE 运行指示）无输出，对应故障现象3。

4）综合1、2、3 情况，2#架4#槽输出模块停止工作，1#架9#槽输出模块停止工作，0#架10#槽输出模块状态不定，对应故障现象4。

基本均是由数量不定的输出模块停止工作引起的各类故障现象。PLC 输出模块停止工作可能是电源问题、模块自身性能下降、丢站等原因引起。

2.1.3 故障处理方法

引起此类故障的原因大致可以分为电源问题、模块自身性能下降、丢站等，需要进一步排除。

通过检查、测试、替换等方式排查PLC 电源模块（PS307）电源输出异常，电源开关（Q411、Q412）性能不良，U 形连接器、接线端子及导线虚接等电源问题和模块自身性能下降的原因。PLC 丢站的原因可能由硬件异常、PLC 通讯不良、通讯电缆虚接、屏蔽不良等。最后此故障重新制作各柜Profibus 通讯电缆屏蔽层接地后试铲正常。

2.2 F056 故障典型实例

2005#电铲从提升柜报出几次故障代码F056，可复位，复位后正常作业。作业过程中运行人员正常停机再启动时，按下提升制动器打开按钮，提升逆变器开始使能，提升减速机传出异声，提升机构出现零位爬行上升现象。检查提升主从逆变器励磁电流、握持电流两者不一致，结合之前报出的故障代码F056，重新处理主从提升通讯SIMOLINK 光纤后正常。

2.3 F079 故障典型实例

2001#电铲AFE 柜几次报出故障代码F079，均是处理主从AFE 通讯板SCB1 光纤后正常，但效果不佳，主AFE 空载电流94 A，从AFE 空载电流74 A。之后对主AFE 进行测试盒、模拟测试均正常。对从AFE进行测试，模拟测试正常，测试盒测试不正常，VIGBT 导通不正常，UV 地=5 V，UVW=17 V，更换V 相IGD，再测还是V-IGBT 导通不正常，更换IVI 板，通过模拟测试和测试盒测试。启动试运，主从AFE 空载电流均是58 A。从AFE 的IVI 板触发不正常影响从AFE 空载电流，进而影响主AFE 空载电流。

3 “通讯”故障常用处理方法

PLC 通讯故障的现象一般反应在通讯模板CBP2 板上，CBP2 通讯板LED 指示灯：红代表电源，CBP2 板运行；黄代表与基本装置进行数据交换；绿灯代表由Profibus DP 总线传送有用数据。正常运行时，3 个LED 灯同时点亮和以相同时间长度闪烁。一般红灯和黄灯出问题，大部分是CBP2 板或主板CUVC 有问题，绿灯出问题则是通讯受扰引起的。从CBP2 板上LED 灯状态可以诊断故障信息，通过LED 灯显示，可以分为以下状态：①红闪、黄断、绿通：CBP2 板等待基本装置开始初始化；②红闪、黄闪、绿断：没有有用的数据，原因可能由于EMC 干扰，Profibus DP 总线连接器拉出，连接极性错，对有用的数据没有提供结点号等，一般是连接器松动、通讯电缆接线有问题等；③红断、黄通、绿通：CBP2 板没有电源，需要更换CBP2 板或检查装置内其他电子板；④红通、黄断、绿通：与基本装置不能进行数据交换，需要更换CBP2 板或检查装置内其他电子板；⑤红通、黄通、绿断：没有有用数据，一般是Profibus DP 通讯电缆未连接或损坏。

SLB 通讯板上LED 灯指示和CBP2 通讯板一致，是查找“通讯”故障的根本依据。在CBP2（SLB/SCB1）板上LED 指示正常的情况下，报出故障代码F056/F079/F082 等，则需要考虑通讯干扰、主从光纤接触不良、电子板自身问题、电源问题等，出现此类故障现象时一般处理起来比较繁琐，必要时进行逐个替换电子板处理。

对于F082 故障，1 个柜子报出故障代码F082，网络中前后相邻的2 个装置的通讯系统也要仔细检查处理。在做现场诊断时，往往发现很多情况下，通讯出现的问题都是Profibus DP 连接器的内部连接出现问题造成的，比如通讯电缆的屏蔽层没有压接在接头的屏蔽金属层上，通讯电缆的屏蔽层毛刺搭接在通讯电缆上等，因而每次报出故障代码F082 都需要尽可能多的检查Profibus DP 总线连接器内的连接情况。

4 降低“通讯”故障频率的措施

4.1 降低F082 故障的措施

F082 故障是关于PLC 通讯的问题，每个涉及Profibus 通讯电缆的柜体都要有良好的接地，Profibus DP 总线连接器头内通讯电缆要做好，包括压接、毛刺、虚接、短路、接地处理等，才能把干扰消除掉。Profibus DP 总线连接器头内有金属壳，Profibus 通讯电缆屏蔽层要和头内金属壳良好紧密接触，同时要与柜体良好接触，做好各柜屏蔽接地，避免干扰。接地不良引起的干扰表现出的故障现象多集中在PLC 通讯、硬件或组态上，不定时爆发，比较难发现和处理。其中PLC 与人机界面通讯不正常，导致人机界面显示数据不准确的原因通常就是通讯电缆屏蔽做的不好，接地不良引起干扰。在日常维护中建议做好以下几点：

1）Profibus DP 通讯电缆必须套金属屏蔽管，且屏蔽管要连续，中间不能断开，尽可能的减少电磁干扰对通讯的影响。

2）Profibus DP 连接器内通讯电缆压接要符合标准，减少毛刺、虚接、短路、接地处理不当对通讯影响。

3）CBP2 板安装要紧固，CBP2 板上Profibus DP连接端口针脚极易断裂，每次拆装时要尤为小心，防止针脚虚接引起通讯故障。

4）Profibus DP 连接器安装要紧固，杜绝连接器虚接引起的通讯故障[8]。

5）经常检查Profibus DP 连接器上终端电阻开关是否正常。终端电阻可以起到中止网段，吸收浪涌以及防止干扰等作用。

6）经常检查Profibus DP 通讯电缆屏蔽层是否妥善进行接地处理。屏蔽在通讯中有着至关重要的作用，因为设备上的电磁兼容环境比较恶劣，往往会对通讯造成较大的影响，因而通讯电缆要求有良好的屏蔽并做接地处理。

7）在屏蔽的处理上，首先要在Profibus DP 连接器内按要求做好屏蔽，其次通讯电缆屏蔽层尽量不要从中间断开，端子连接。最后在通讯电缆进入变频柜时，必须按要求进行屏蔽接地的处理，将电缆外皮剥开，屏蔽层与“地”进行大面积的连接。

8）经常检查整个通讯系统的屏蔽层接地，一旦屏蔽层上有干扰电流，将通过接“地”就近被释放掉，不会对通讯甚至设备造成影响。

9）日常布线时动力电缆与通讯电缆应分线槽或分层布置[9]，通讯电缆应尽可能远离强的骚扰源（例如较大的用电设备、电源、变频器等）。

4.2 降低F079/F056 故障的措施

主从提升通讯故障代码F056，主从AFE 通讯故障代码F079，除报出的故障代码不一样外，其它具有很多共同之处，预防措施基本相同。

1）通讯光纤必须套金属屏蔽管，且屏蔽管要连续，中间不能断开，尽可能的减少电磁干扰对通讯的影响。

2）通讯光纤头制作要符合标准，减少光纤内玻璃纤维断裂、接触面不平等对通讯的影响。

3）SLB（SCB1）板安装要紧固，板上光纤连接端口容易松动，防止端口虚接引起通讯故障。

4）通讯光纤头安装要紧固到位，杜绝通讯光纤头虚接引起的通讯故障。

5）灰尘对通讯光纤影响很大，应尽量避免板上光纤连接端口内及通讯光纤头受灰尘污染，影响通讯效果。

6）主从通讯故障发生之前一般会影响主从AFE或主从提升逆变器输出电流，应经常监测电流变化，提前消除主从通讯不良故障。

5 结语

WK-20 型电铲变频器“通讯”故障不易彻底处理，有时频率过高极易造成变频器损坏，因此提高通讯网络可靠性显得十分重要。同时，日常预防性检修工作时应重点检查通讯网络，杜绝屏蔽、接地不良、虚接、灰尘污染带来的影响，为设备的安全可靠运行提供保障。