王生状

(潞安化工集团 王庄煤矿，山西 长治 046031)

随着科技的不断发展进步与智能化矿井建设的不断推进，矿井提升机电控系统的自动化水平日益提高，但同时也导致系统复杂程度不断增大，从而对电控系统的可靠性、可维护性提出了更高的要求[1]。自动化、智能化水平的提升，对电控系统各个设备的状态监控更加全面，系统的保护功能更加完善，有助于提高电控系统的安全性。但由于提升机电控系统涉及设备繁多、系统复杂，各故障间存在不确定的耦合逻辑关系，又导致了故障诊断困难。据统计，因提升机电控系统故障导致的系统停机时间中，有80%以上用于故障诊断，而故障处理的时间不到20%[2]。因此，如何准确、快速地诊断故障，对提高电控系统故障排查效率，保障矿井安全生产具有重要意义。

目前国内提升机电控系统大部分仅采用上位机对故障进行指示及记录，但受上位机监控软件数据采集速率的限制，一般为500 ms及以上，而PLC控制器的程序执行时间一般仅有几十毫秒[3]，且由于提升机电控系统内部复杂的逻辑闭锁关系，一个故障往往可能导致多条次生故障产生，仅靠上位机监控系统很难判断故障发生的先后顺序及逻辑关系，也就无法实现故障源的诊断。当有故障发生时，上位机上的报警系统会出现好多条记录，现场检修工人普遍反映一红一大片，分不清哪个是初始故障，这给现场分析和故障排除带来了困难，势必导致生产的延误。

根据提升机电控系统的工艺要求及特点，系统故障按照对设备及人员的危害程度可分为以下三类[4]：①安全回路类故障，当发生该类故障时必须立即施加安全制动，否则将造成严重的设备损坏或人员伤亡；②电气制动类故障，当发生该类故障时必须立即停车，但无需直接施加安全制动，运行通过电气制动方式将速度降低为零后再施闸，同时动作电气闭锁回路但不施加安全制动；③电气闭锁类故障，当发生该类故障时不会立即造成设备或人员损伤，允许完成当前提升任务，闭锁后续提升任务的执行，但不施加安全制动。对于电气制动类故障和电气闭锁类故障，由于其不会对设备及人员造成严重损伤，且可在“应急模式”下对相应故障进行屏蔽，以满足应急开车需求。因此，对提升机电控系统故障诊断的研究主要集中在电气制动类故障的诊断。

对于一些因电气设备明显损坏导致的故障，诊断起来非常简单，此处就不再赘述了。本文主要研究不同子系统间故障的诊断与区分，基于时序及逻辑关系的故障源诊断，通讯类故障诊断及偶发性机电耦合型故障的诊断。

1 各类提升机电控系统故障诊断方法

1.1 不同子系统间故障的诊断与区分

提升机电控系统整体上可分为主控系统和闸控系统，而主控系统又可细分为配电与辅助控制系统、工艺控制系统、传动系统、信号系统等，任何一个子系统的故障均会导致电控系统安全回路断开、施加安全制动。由于各个子系统间的相互耦合，很难区分实际故障发生的位置，为故障的诊断带来了困难。本文充分利用PLC“输入扫描”、“程序执行”、“输出刷新”的基本工作方式，“从左向右、从上往下顺序扫描，循环往复”的程序执行原则，在进行合理的子系统故障综合分类基础上，利用“置位复位”功能模块，通过在程序中的合理位置增加故障诊断程序实现了不同子系统间故障的诊断与区分。

如图1所示，实现了主控与闸控之间的故障区分。由于闸控系统故障信息在闸控子系统内部进行逻辑综合，仅反馈给主控两路独立的安全回路信息“I204.6”、“I204.7”，而“M34.3”为主控PLC内部除闸控子系统外其他所有子系统故障的综合。因此，可在主控PLC内部安全回路程序模块的起始位置加入图1(a)所示闸控故障判断程序，依据上述PLC基本工作方式与程序执行原则，当闸控子系统首先发生故障且程序执行到图1(a)所示位置时，还未动作硬件安全回路，也未对电控系统其他子系统产生影响，可判定为闸控首先发生故障，即使下个扫描周期导致了主控系统故障，由于M20.1已经置位也不再对故障区分产生影响。同理，可在主控PLC内部安全回路程序模块内除闸控子系统外其他所有子系统故障的综合标志位后加入图1(b)所示主控故障判断程序。当主控系统首先发生故障时，由于还未动作硬件安全回路，也未对闸控系统产生影响，可判定为主控首先发生故障，下一扫描周期闸控系统必然因硬件安全回路断开而导致故障，但由于M20.3已置位，也不再对故障区分产生影响。

图1 主控闸控系统故障区分

综上所述，基于不同子系统功能划分、PLC基本工作方式和程序执行原则，可以从系统层面判定故障源的大体位置，当该子系统内部同时有多条故障时仍然无法确定最终故障原因，仍需进一步基于时序与逻辑关系的故障诊断。

1.2 基于时序与逻辑关系的故障诊断

由于工业组态软件在进行故障记录与指示时的扫描周期一般设置为500 ms以上，根本无法实现基于时间顺序的故障显示，而由于提升机电控系统的复杂性，一条故障往往又会导致多条次生故障的产生，给故障诊断带来困难。同时,由于各个带CPU功能的子系统运行时均遵循“输入扫描”、“程序执行”、“输出刷新”的基本工作方式，“从左向右、从上往下顺序扫描，循环往复”的程序执行原则，导致主控PLC很难严格按照时序原则实现所有故障的判断，必须结合故障逻辑顺序加以区分。

以图2所示提升机工艺控制类故障为例，对于S7-400+FM458配置的提升机主控系统，该部分工艺保护功能在FC458内完成。由于FM458属于并行定周期处理器，工艺保护程序一般扫描周期不超过10 ms，且与主控CPU之间是通过背板总线传输，二主控CPU的扫描周期一般大于10 ms，所以主控无法简单地通过时序判断故障发生的先后顺序。此时必须详细分析各个故障之间的逻辑关系才能准确诊断故障。当发生井筒同步开关故障时，必然引起行程监视类故障，如行程跳变故障、行程互相比较故障，同时可能导致速度监视类故障发生，如速度给定与实际监视故障。以井筒同步开关故障、行程跳变故障、行程互相比较故障、速度给定与实际监视故障为例，如果4个故障同时出现，则说明根本故障源为井筒同步开关故障；如果仅有后3条故障，则说明根本故障源为行程跳变故障；如果仅有后两条故障，则说明根本故障源为行程互相比较故障。

图2 提升机工艺控制故障

为实现首发根本故障源的诊断，必须根据子系统功能划分详细分析所有故障的逻辑关系，并按照由低到高的故障逻辑顺序建立相应的故障树结构图[5]，从逻辑顺序最低的安全回路总故障开始，依次向下延伸直至逻辑顺序最高的根本故障，对于具有相同逻辑顺序的故障并列指示，然后将所有故障进行编码，利用PLC自带的堆栈功能按照逻辑顺序由高到低原则进行记录，并在上位机组态软件内进行显示。当有故障发生时，仅需关注当前故障信息的第1条故障即可，从而大大提高故障排查效率。

1.3 基于软件“看门狗”的通讯故障诊断

随着工业现场总线技术的发展与应用，现有提升机电控系统均采用总线技术以减少信号电缆接线、简化系统结构。由于工业总线传输的信号看不见、摸不到，因此由通讯问题导致的故障较难排查，是现场维护人员最怕遇到的一类故障[6-7]。本文通过设置软件“看门狗”程序实现了不同CPU之间的通讯状态监视与故障诊断。

以主控与监控间的通讯监视为例，主控PLC内的软件“看门狗”实现流程如下：在每个扫描周期将主控PLC静态计数值“DB30.DBB1”加1并发送给监控PLC，监控PLC收到该数值后不做任何处理，再通过通讯发回主控PLC并存放在计数反馈道通“DB31.DBB1”内。主控PLC 比较当前周期收到的技术反馈值与上周期收到的技术反馈值，如果连续两个周期收到的反馈值一直相同，且时间超过设定的通讯中断监控时间阈值，则认为主控PLC与监控PLC间发生通讯故障。将上述通讯软件“看门狗”程序封装后形成如图3所示的标准功能模块，可直接应用于其他需进行通讯监视的PLC控制器之间。

图3 软件“看门狗”程序模块

2 结 语

本文充分利用PLC“输入扫描”、“程序执行”、“输出刷新”的基本工作方式和“从左向右、从上往下顺序扫描、循环往复”的程序执行原则，通过合理的子系统故障综合分类，从系统层面实现了故障源大体位置的判定与区分；在详细分析故障逻辑关系基础上，按照故障逻辑顺序由低到高的顺序建立相应的故障树结构图，实现了基于时序与逻辑顺序的故障诊断与指示，解决了首发故障源诊断困难问题；针对通讯故障诊断困难问题，设计了一种软件“看门狗”诊断程序，实现了通讯数据的动态监控与故障诊断。本文关于提升机电控系统故障诊断方法的研究与应用，有助于进一步完善基于PLC的电控系统故障诊断体系，提高了故障排查效率。