大伙房水库闸门控制系统故障分析及维修

孙 博，于海波，胡桂云

（辽宁省大伙房水库管理局，辽宁抚顺113007）

1 自动控制的基本构成单元

大伙房水库自动控制系统主要为主溢5孔630 kN液压启闭机与输水洞出口630 kN液压启闭机服务，共7孔闸门，每孔闸门采用一套PLC通讯模块来进行逻辑控制。7套PLC通过通讯模块和双绞线连起来组成DP通讯网。所有闸门均可达到在授权情况下，实现网络远距离操作自动控制水平。自动控制系统分为以下几个基本单元：远程控制单元←→可编程控制单元←→各传感器单元→执行单元。

以下将以各单元为基础，对在实际运行工作中常遇见的主要故障进行划分。

2 远程控制故障

远程控制单元，是闸门计算机监控系统的核心设备，使启闭机自动控制系统得到有效延伸。采用10/100 Mbp以太网结构，与编程单元采用Profibus总线标准进行通讯。

2.1 故障现象

1）用远程控制主机操作时，各子站出现随机通讯故障，导致系统报警，无法使用。粗略检测回路电阻，阻值为91 Ω，阻值不正常。

2）启闭机重新送电启动，中控机偶尔报通讯故障，粗略检测回路电阻，阻值为110 Ω，属于正常范围。

3）正常运行时，控制信号连接显示时断时续，工控机显示器画面整体变灰，或者显示状态与实际状态不符以及画面不刷新。特别是在主溢和输水洞出口控制状态均为远控时，出现率较为频繁，造成启闭机不能随命令动作。粗略测量回路阻值为110 Ω，阻值在正常范围内。

4）正常运行时，偶尔部分子站报通讯故障，造成报警停机，但不频繁。粗略检测回路电阻，阻值在110 Ω以上，偶尔有波动。

2.2 故障的分析及解决

1）检查故障报警子机两端的DP通讯头，其阻值正常应为220 Ω，如果不符，应该进行更换。如不是，应对Profibus-DP通讯处理器进行检测。上位机系统工作，是以DP总线通讯的正常为前提。

2）首先检查接线顺序问题，通讯DP头A、B端子的电缆是否有接反现象，其次看接线是否有不良现象，然后测量总线上的回路阻值，理论上电阻值在110 Ω即为正常。偶尔信号故障一般是信号衰减的问题。PROFIBUS-DP现场总线的接口是物理接口方式，它传输的电缆长度与波特率的理论关系见表1。

表1 传输电缆长度与波特率的理论关系表

总线中所有设备必须支持主站所设定的传输速率，投运总线上所有设备的传输速度是相同的，可以在9.6 kbit/s～12 Mbit/s之间选择。每个总线分段最多可以连接32个设备，可允许的最远传输距离同设定的传输速率有关（见表1）。也可以使用中继器来延长总线长度或者扩充设备台数。主溢洪道子站距离中控室直线距离150 m，输水洞出口子站距离中控室直线距离1070 m。但是电缆一般为曲折铺设的，并且进出子站、主站都有一定长度，可能要超出规定范围，这样就会导致信号的衰减以至于通讯不正常。在增设中继器后，信号进行稳定，通讯稳定。

3）阻值在正常范围内，在电缆没有新增的情况下，应该是整个系统运行时产生的故障，但如果把主溢或者输水洞其一线路关闭，故障现象便消失。综合判断应该是线路之间的电磁干扰影响通讯所致。重新铺设通讯电缆，更换路径，同时尽量避免和其他动力电缆同隧道。或者更换高质量的屏蔽双绞线电缆，但费用较高。实际工作中采用第一种方案，施行后经过长时间观察，效果良好。

4）经过对 1），2），3）故障排查后，故障原因是干扰。处理干扰首先检查接地，接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环电流，影响系统正常工作。通讯系统要求一端接地，或是将相关做成一个系统接地。在测量中发现屏蔽对地阻值非常大，达到17 Ω。在重做系统接地后，故障消失。

2.3 建 议

1）由于闸门控制室处于水库工作环境，属于多雷区域。远程控制系统多为弱电系统，建议在安装时DP总线、电源线、信号线尽量配置防雷和防浪涌保护。

2）上位机供电系统巡视检查十分必要，要重点检查电压是否正常，电缆是否过载发热。

3 可编程控制器故障

可编程控制器属于编程控制单元，是整个自动控制系统的核心，完成PLC的信号处理、逻辑运算、Profibus通讯、控制输出等功能。

3.1 故障现象

1）控制柜内CP342-5信号发出模块上电后，电源灯常亮，信号发送灯TXD没有任何闪烁。粗测回路电压24 V正常范围。工控机显示器画面整体变灰，无法操作。

2）控制柜内西门子S7-300型号CPU314模块及CP342-5信号发出模块故障，报警指示灯SF常亮。触摸屏显示PLC地址错误。系统远程控制信号无反应，触摸屏控制开度部分无法输入数据。

3.2 故障的分析及解决

1）故障处理一般有两种方向：检查主站PLC是否在工作状态下；检查一下程序OB1中是否采用触发或是自动方式中的一种。

①当采用触发发送方式时信号发出模块发送一次数据，即TXD灯闪烁一次，只有当中控机设备做出回应后接收灯RXD灯跟着闪烁。接着总线桥再发送第二次数据，如此反复。如果不连接中控机设备，只能看见信号发出模块发送灯TXD灯闪烁一次。在编程时需要用第二个状态字节的最低位（接收完毕/发送允许位）来控制第二个控制字节的最低位（启动发送位），使之有一个上升沿脉冲信号。

②当采用自动发送方式时信号发出模块向中控机设备连续发送数据。如果不连接中控机设备，能看见信号发出模块TXD灯按设定的时间间隔闪烁。当连接中控机设备时，中控机设备做出回应后，RXD灯也跟着闪烁。此时注意，设定的自动发送时间间隔要满足主站接收到所有串口发送回来的数据时间。在编程时，需要将第二个控制字节的最低位D0（启动发送位）和倒数第二位D1（自动发送位）全置为1。 另外注意，一定要在程序中将发送报文的长度写到控制字节的第一个字节中。

2）利用西门子组态编程检测工作站对故障模块进行检测，发现该故障原因为CPU用户程序区为空载。应当将CPU复位，重读其自带MMC卡内备份程序，操作步骤如下：将CPU314自带MMC卡取出，将供电电源关闭。通电重启，模块处于STOP状态。将其档位开关按到MRES位保持不动，当STOP灯慢闪2次，保持常亮后，将开关回到STOP位。再次将开关按到MRES位不动，当STOP灯开始快闪，然后慢闪2次保持常亮后，松开开关回到STOP位。切断电源插回MMC卡。通电3～5 imn后将开关由STOP位扳倒RUN为既可。

中央处理器CPU用户程序丢失原因很多。但结合具体情况，总结出以下几个主要原因，希望在工作维护中，多加注意避免：CPU长期处于断电停机状态；CPU长期处于大低温及大湿度状态；CPU处于某种过电压环境中。

3.3 建 议

1）中央处理单元CPU程序及触摸屏程序备份至外部独立存储介质内。

2）为能及时诊断可编程控制器故障，恢复其使用功能，应建立相配套的移动实验工作站。

4 传感器故障

高度显示器和磁位移传感器属于传感控制器单元。每台启闭机配有左右2套该控制器组合，在显示闸门开度的同时，及时为控制处理器提供闸门左右2个动力支臂运行高度和速度信号，使处理器随时对两动力臂进行纠偏处理，保证其工作的同步状态，从而达到有效保护启闭设备和基础设施的目的，是自动控制过程中最主要的传感器，也是故障较多的设备。

4.1 故障现象

1）高度显示器上电开机即出现最大开度显示，即使闸门处在全关状态。造成自动控制系统出现开度超限，系统报警无法进行闸门开启动作。将故障显示器清零，自动控制状态下启动闸门，闸门动作，但故障高度显示器显示数字并不随高度进行变化。粗量电压12 V，不属于正常范围。

2）高度显示器开机时黑屏。设备用自动控制模式运行失灵，在手动模式下，可运行。或者高度显示器开机时显示零位，运行闸门时，示数不变化。粗量显示器电压24 V正常，传感器回路中并无短接。

4.2 故障的分析及解决

1）故障1）分析处理一般为以下两种方向：高显正常使用电压为24 V，先检查控制柜直流供电电源是否正常；输入信号异常，多为闸门支臂液压缸上磁位移传感器故障，磁位移传感器是通过内在的磁环在得电导杆上移动来获得闸门运行信息。所以磁环损坏或者导电杆不能正常得电都会导致高显得到的信号异常。在实际工作中发现磁位移器得电异常的故障发生频率较高，这与其安装在室外且运行在水库潮湿环境有极大关系。磁位移传感器与高度显示器之间通过7芯信号电缆联通，接头为航空接头。7芯信号线分别为电源线正、电源线负、地线、速度信号线、位移信号等。因为其处在室外，环境影响对弱电电器元件影响较大，特别是电源正极线，本身在工作时有发热现象，气温炎热时，容易造成线皮破损与其他线路发生短路。水汽大时航空接头容易结露，也易造成短路现象，所以额外对航空接头处进行防水处理十分必要。

2）将异常高显仪表摘下安装到其他正常设备上，如果故障现象仍然出现。在电路其他参数都正常的情况下，应该是高度显示器本身损坏，需要更换。

4.3 建议

1）备份一套完好的磁位移传感器及其配套信号线。

2）春秋季湿度较大时间段，长期停机的情况下需要拆卸传感器，以便在干燥环境下保存，达到维护及延长寿命周期，保护核心资产的目的。

3）消除传感器回路过电压条件及环境。

5 液压启闭机常见故障

闸门液压启闭机是自动控制系统的执行部分，它将自动系统的各种信号命令最终转化为闸门的实际运行动作。

5.1 故障现象

1）系统油压不足，流量偏小；

2）油缸运行时有震动或爬行现象；

3）启闭机动作失灵。

5.2 故障分析及解决

1）该现象故障原因分为以下几个可能：油泵磨损，需要调节油泵流量或者更换油泵；吸油管漏气，仔细排查管路，消除漏气；油箱油位太低，给油箱补充清洁液压油；系统压力阀调压失灵，需对阀件进行清洗和更换。

2）故障原因多为液压系统中有气体，应该对油箱及支臂缸体进行排气。同时清洗压力阀效果会更好。

3）该现象故障原因分为以下几个可能：电磁阀失灵，进行清洗或更换；开度测量仪位置不对或失灵，校准位置或更换；回油滤油器堵塞，清洗或更换滤油器；油箱液位过高或过低，给油箱补油或排除多余油液；压力继电器失灵，跟换压力继电器。

［1］刘延俊.液压元件及系统的原理、使用与维修［M］.北京：化学工业出版社，2010，9.

［2］马宝印.浅谈 Profibus现场总线技术［J］.科技传播，2011（14）.