基于PLC变频器革新中海油终端电动大门的电控系统

孙祥明

摘   要：中海油某天然气终端电动大门频发故障，其中电控系统是罪魁祸首。基于PLC、变频器和触摸屏，革除旧的电控系统，设计研制新的电控系统，根除了现场维保时对厂家电控技术的依赖;同时变更其安装位置，将新的电控系统安装在有除湿功能的值班室内，消除了环境潮湿和盐雾腐蚀的影响。新的电控系统解决了电动大门故障停运的问题，结束了“雪糕桶”+人工控制的管理模式，得到了本质安全的工作状态。同时，它拓宽了改进机電一体化设备控制系统核心技术的思维模式，值得推广学习。

关键词：革新  PLC  变频器  触摸屏  电控系统

中图分类号：TM921.51                           文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）08（b）-0090-02

中海油某天然气终端电动大门频发故障，从2014年01月到2018年12月，因设备故障停运共计280次，故障停运累计时间约有32个月。

从2018年12月到2019年6月，该电动大门再次故障后，因采购周期和费用控制等因素，长时间处于故障停运状态。公司保安改用“雪糕桶”+人工控制管理方式控制车辆进出。

这种工作方式存有弊端：值班保安在检查完车辆后，需要低头弯腰取走“雪糕桶”;同时，车辆司机在收集好证件后驱动车辆前行;出现人员与车辆交叉工作的情况，埋下不安全的隐患。曾经出现过，大巴司机误以为“雪糕桶”已被取走，驱车行驶将“雪糕桶”推行了一段距离。

因此，亟需恢复原电动大门的功能，以便有效管理控制车辆的进出;切实降低电动大门的故障率，促进备品备件的通用性，提高现场人员的维修技能水平。

1  分析电动大门频发故障的原因

1.1 电动大门的组成

终端电动大门的生产厂家是深圳红门科技公司。它采用的是平移驱动方式，其主要组成如下。

（1）电控系统：是电动大门的核心部件，主要由主控制器、功率变频器和感应探测器组成。①主控制器是电动大门的指挥中心，通过内部编有指令程序的集成块，发出相应指令，指挥系统正常工作。②功率变频器是功率中心，能够给电动机输入电能动力，控制电动门运动。③感应探测器负责采集保护信号，如同人的眼睛，提供给主控制器。

（2）操控开关：输入操控信号给主控制器，控制电动门开门、关门、停止动作。

（3）动力电机：通过功率变频器驱动交流电动机，提供给电动大门主动力，完成开门与关门的功能。

（4）传动机构：通过齿轮齿条的啮合，传输电动机所产生的动力，牵引钢质门体行走。

（5）机械本体：它由钢质门体、导向轮组和走轮系统组成。①导向轮组是导向与定位装置，防止门体运行时出现摆动现象;②走轮系统就像火车的铁轨，支撑并带动门体运行。

1.2 现状调研与数据统计

根据历史记录和维修报告，调研了电动大门从2014年01月到2018年12月发生故障的情况。终端电动大门故障停运共发生280次，其中电控系统导致停运209次，占停运总次数的74%。电控系统是罪魁祸首，也是解决电动大门频发故障的主要对象。因此，重点分析电控系统，保留原有大门的机械本体、电动机和传动机构。

1.3 分析电控系统频发故障的主要原因

针对电动大门的故障情况，分别从环境因素、设计缺陷、维修缺陷3个角度，分析电控系统频发故障的主要原因。

（1）环境因素：中海油天然气终端所在地区，常年受南亚热带季候风侵袭，多雨降水量大，周边环境潮湿;其地理位置特殊，三面环海，空气中盐分较多，属于室外腐蚀环境。根据调研数据，也证实电动大门在雨季发生故障的概率较高。

（2）设计缺陷：①电动大门的主控制器、功率变频器、感应探测器等电气元件，全部安装在室外。②感应探测器、主控制器、遥控接收板卡、功率变频器等电气元件，直流供电电源共用。如果有一个小元件出现异常，就会导致整个系统瘫痪。③电控箱体的散热口，直径较大，便于小动物爬进，因而导致电气类异常。

（3）维修缺陷：①现场人员没有经过厂家的专业培训，多数情况下直接更换备件或板卡。这种维修方式容易造成：备件需求加快，价格受制于厂家，人员维修技能得不到提高。②当需调整参数或深度维修时，现场人员没有厂家的专业软件程序，需要聘请厂家人员进厂工作;容易造成维修成本增加和设备停运时间延长。

2  探讨解决电控系统问题的最佳方案

若想降低电动大门维修成本，就要解决电控系统存在的问题。其中，维修人员对厂家的电控系统不够熟知，或者说是厂家掌控电控系统的核心技术，就是问题的关键所在。因此，现场维修人员：设定工作目标，讨论各种措施，并确定最佳方案。

2.1 设定工作目标

（1）提高人员对电控系统熟知度，解决电动大门故障停运的问题;（2）将电动大门每年累计停运时间，从大于200h降低到小于50h;（3）将电动大门每年预算维修成本，从20000元降低到800元。

2.2 讨论并确定最佳方案

首先，现场开展“头脑风暴”活动，针对问题提出多条意见和方案，使用亲和图整理，最终归纳为3大类方案：A备货熟练性更换方案、B针对性培训学习方案、C针对性技术革新方案。

其次，现场从难易度、经济性、先进性、预期效果4个角度综合考虑，对以上3大类方案进行评价打分，最终采用得分最高的C针对性技术革新方案。

最后，现场对C针对性技术革新方案，讨论出四种具体措施（C.1基于台式机技术革新、C.2基于单片机技术革新、C.3基于PLC变频器革新、C.4基于工控机技术革新），再次从编程能力、人机交互、成本时间、方便性4个角度分别进行对比，最终决定采用C.3基于PLC变频器革新的方案。

3  基于PLC、变频器和触摸屏，实施电控系统技术革新

基于PLC、变频器和触摸屏技术，革除旧的电控系统，设计研制新的电控系统，根除了现场维保时对厂家电控技术的依赖;同时变更其安装位置，将新的电控系统安装在有除湿功能的值班室内，消除了环境潮湿和盐雾腐蚀的影响，彻底解决电动大门故障停运的问题。

3.1 总体设计

根据现场实际情况，电控系统革新的总体设计思路：按钮开关、触屏信号等产生的开关信号，先输入到PLC内部，经过逻辑运算后，接着由系统输出命令，控制变频器驱动电动机动作，最后带动大门正常运行。

革新电控系统的主要器件：西门子S7-200 PLC、西门子420变频器、MP277触摸屏、干簧管、开关组件、急停按钮、声光告警灯组成。

3.2 PLC编程与联合调试

常用的PLC程序设计方法，主要有经验设计法、梯形图法、逻辑设计法、顺序控制设计法等。根据控制功能要求，使用经验法设计PLC控制系统流程图。

编程并调试PLC控制系统，主要完成检测、控制和通讯功能。（1）检测功能：检测开门信号、关门信号、停止信号、应急保护信号。（2）控制功能：控制开门、关门的动作;控制开门、关门的快慢;手动功能、触屏功能和保护功能。（3）通信功能：PLC与进口大门变频器通信，PLC与出口大门变频器通信，PLC与触摸屏HMI通讯，PLC与PC机调试通信。

3.3 变频器设置与联合调试

使用西门子USS通讯协议，实现西门子MM420变频器与西门子S7-200的通讯。将PLC通讯插头3号端子的引线接到MM420变频器14端子上，将PLC通讯插头8号端子的引线接到MM420变频器15端子上。为防止电路中产生电流干扰，必须将通讯屏蔽线和变频器0V端子都连接到机箱的接地点。

连接好主电路和控制电路后，设置MM420变频器内部参数;完成MM420变频器参数设置后，再开展联合调试工作，测试MM420变频器功能正常。

3.4 触摸屏设置与联合调试

通过西门子PPI通信协议，实现西门子MP277触摸屏与西门子S7-200的通信。

首先，使用WINCC flexible2008 sp4编程软件，布置规划并绘制电动大门监控系统画面。

其次，设置图形元件的数据关联和地址关联，开展编译、修改、离线模拟、下载、在线模拟等工作。

最后，反复测试状态指示、动作控制、参数监视的功能情况，最终达到正常状态：（1）完全打开、运行中、完全关闭状态指示灯正常。（2）手动开门、手动关门、手动停止、点动开门、点动关门的操控开关功能都正常。（3）电动机运行电流、运行频率监视数据都正确。

3.5 革新的效果和亮点

（1）革新效果：①实现现场人员对电控系统的自主掌握，成功解决电动大门故障停运的问题;②将电动大门每年累计停运时间，从大于200h降低到小于20h;③将电动大门每年预算维修成本，从20000元降低到500元。

（2）革新亮点：①革除旧的电控系统，研制新的电控系统;将核心技术由厂家掌控转换为自主掌控。②使用西门子变频器，取代原有变频板，让参数调整更便捷、人机交互性更加良好。③使用MOV、RS、庫文件等指令，让梯形图的架构简洁、电控系统的程序易懂。④仅用1条3芯通信线，通过USS协议实现单台PLC控制两台MM420变频器运行的功能。⑤使用机械式干簧管，取代电子式感应式开关，避免共用电源的相互影响。⑥使用声光告警灯具，取代红外对射电子元件，避免共用电源的相互影响。

4  结语

革新电动大门的电控系统，有效保障其平稳可靠运行，每年节约维修费约19500元，实现对电控系统的自主掌握，彻底解决设备故障停运的问题。

通过对现场问题研究探讨，推动问题原因分析和方案讨论，学习借鉴经典案例，成功解决现场疑难问题，把降本增效执行到实处，给企业带来实实在在的效益，这是每一位中海油员工的职责和使命。

完成电动大门革新工作，如同开启了一扇技术创新的大门，现场其他设备的技术革新也可参照推行。它拓宽了改进机电一体化设备控制系统核心技术的思维模式，值得推广学习。

参考文献

[1] 解泓立.自动门设计说明书[D].河南工业大学，2011.

[2] 王宗刚.基于S7-200与MM440变频器联机的多段速控制[J].电气开关，2014（1）：67-69.

[3] 王好凝.基于PLC变频器触摸屏自动生产线控制系统的设计[J].科学技术创新，2018（21）：188-189.