科技馆展项中控故障及排除

侯 勇

（阜阳市科学技术馆，安徽阜阳 236000）

0 引言

阜阳市科技馆是“十三五”期间投资建设的重点民生工程和综合科普场馆，于2021 年6 月18 日正式开馆，建筑面积约14 000 m2，展教面积约7000 m2，共5 层，以“天地、人、科技”为主题，设有五大常设展厅12 个展区，共计展品268 件。展品展项设置充分体现现代科技馆教育的基本特征和创新趋势，发挥了科普教育提高公民科学素质的功能，并弥补了阜阳市没有此类型场馆的不足。

1 故障表现

科技馆展项中央控制台是整个科技馆的控制中枢，负责整个场馆所有展项的运行操控，如果出现故障对整个场馆的正常运行影响十分巨大。近来在正常开、闭馆展项操作时，中控电源控制软件出现4 楼某一片区展项大面积电源通、断电状态显示异常的现象，具体表现为此片区展项大部分不能正常通、断电，进而导致展项不能正常执行开启和关闭动作。故障涉及的展项相对固定集中在某特定区域，且具有随机性，每次执行操作影响的展项都有可能不同，即使多次执行通、断电操作也不能保证对应区域的展项能正常通、断电，影响展项正常开启。故障造成的后果轻则部分展项打不开、影响展教效果，重则局部区域大面积展项不能工作、导致展教事故。

2 故障分析

由于每次操控展项时涉及的特定区域内并不是所有展项通、断电不正常，有一部分展项是能正常通、断电的，并且每次展项故障出现有一定随机性，所以初步判断故障是电路控制器接触不良、断路或者控制信号线路部分不通、接触不良、传输信号质量变差，导致控制信号不能准确到达执行机构或不能驱动控制器动作。由于从总控制台到故障展项线路较长、中间环节众多，具体故障原因还需进一步排查。

3 故障排除

本着先易后难、先简单后复杂的原则，逐步实施故障排除。

3.1 检查控制器

（1）排查出现故障的楼层展项动力柜内控制器是否工作正常。由于故障表现为部分展项不能正常供电，也就是部分电路不通，最简单的可能原因是控制器短路。一般电器短路可能是控制器内接触器触头由于接触不良或负载过大导致电弧击穿绝缘介质，使绝缘失效，电路短路电流烧毁保险丝或触发过流保护动作，从而造成电路不通。电器短路极易引起烧毁电器元件进而引起火灾。但本文中故障表现为部分展项不规律随机通电，而短路会形成固定的断路，所以可以排除电器短路触发保护断开电路的可能。

（2）控制器断路。控制器断路的原因一般是控制器内接触器触头接触不良。由于控制器工作环境恶劣，触头被空气氧化、受有害气体侵蚀或被灰尘油污污染，在触头处形成不导电的膜层，导致电路接触不良，电流不能导通形成断路。可能的原因还有振动引起控制器接线螺钉松脱、焊点脱焊等。控制器断路引起的开关不良故障影响范围、位置比较固定，与此故障现象表现出的随机性不符，排除此种可能。

检查从电源进入总控制器的各路空气开关断路器、控制器是否存在异常，如破裂、杂声、异味、过热等现象，再用多用表检查，必要时断电检查操作开关的位置以及控制机构、调整装置及联锁信号装置等。对控制器进行全面检查，各部件都表现正常，由于只是部分展项不能正常工作且存在随机性，所以强电控制器也没有明显的功能损坏现象，初步排除了控制器故障。

3.2 检查控制信号线路通断情况

初步排除了动力柜控制电器设备故障后，根据故障现象分析可能的原因，对可疑位置进行检查，特别是被认为最有可能存在故障的区域。要注意这个阶段应尽量避免对设备做不必要的拆卸，防止因操作不当导致的故障扩大。不要轻易对控制器进行调整，因为在故障未排除的情况下盲目调整可能掩盖表象，但随着故障程度的发展而使故障现象重新出现，甚至可能造成更严重的故障。所以，必须避免盲目维修，防止操作不当造成的故障复杂化，避免故障叠加导致故障现象混乱，延长排除故障的时间。

简单地把出现故障的展厅专用强电控制器控制信号输入端信号线调换为其他正常的控制器控制信号输入端信号线，通电调试故障现象仍然存在，排除了信号线断路引起故障的可能。故初步判断故障原因是控制信号线路接触不良或传输信号质量差，导致控制信号不能准确到达执行机构或信号质量变差不能驱动控制器动作形成的。

3.3 调整通、断电动作延时时长

初步判断故障是由于信号线路通信可靠性降低引起的。由于开、闭馆时一键控制通电、断电的展项数量较多，触发按钮到执行动作完成的间隔延时时长如果过短，有可能会造成部分控制单元执行闭合、断开动作质量不高，从而影响展项上电的效果。可以通过软件根据实际情况增加或减少程序发出指令的时间间隔，以控制电路中展项的通、断电执行动作的时间间隔，从而达到提升执行指令质量的目的。例如，当按下按钮时，程序会首先发出第1 条指令，然后经过时间设定值（如0.5 s）后发出第2 条指令，再经过0.5 s 发送第3 条命令…… 指令会根据时间轴上设置的时间依次发送，控制器会根据指令依次执行电路中各展项的通、断电动作。

选中要调整的通电闭合按钮，打开时间轴调整窗口，然后点击外部编辑，弹出用记事本打开的文件。找到需要调整时间展项的ID（身份标识号码），并把每条指令前的时间间隔修改为需要设置的时长，间隔时间的格式为［00（min）：00.00（s）］。保存并关闭记事本，然后在时间轴调试窗口点击重新加载，修改后的指令就被自动加载到控制器，最后点击保存。如果需要对所有展项的时间间隔同时进行修改，可以使用时间轴调试窗口自动调整时间一键修改功能，在弹出的自动调整时间按钮窗口中将时间间隔改为新的设定值，然后点击确定，就可以看到时间轴窗口左侧的时间已经自动调整完毕，最后点击窗口上的保存按钮，将设定值写入控制器并生效。

断电关闭按钮调整动作响应时长的设置方法与此类似，此处不赘述。

调整通、断电动作延时时长后，开启中控调试，故障现象仍在，问题没有得到解决。

3.4 改变故障动力柜内信号线路连接方式

由于馆内展项众多，各CAN 总线大节点动力柜内控制器采用标准的“手牵手”接口与布线规则，使分支线路长度最小，同一动力柜内展厅专用强电控制器有若干个，图1 将中间的控制器简化表示为1 个，实际使用的多个控制器间的连接方式与图1相同。

按原始设计考虑到施工成本及便利性，同一动力柜内控制器之间的信号线路连接采用普通网线，总线网线接入动力柜后接入第一个控制器的A 处接线柱，然后从A 处用网线接到下一个控制器的相同位置（图1），用相同的方式把N 个相同的控制器连接起来。为表达简洁，图中只保留首、尾2 个和中间的1 个控制器。在最后一个控制器的接线端B 用网线接出动力柜去往下一个节点。

出现故障的控制器在动力柜内信号线路中的靠后或最后的位置，前面经过了N 段网线连接和N 个控制器由小螺钉压紧网线的接线柱，信号传输的速率和准确性都会有所衰减，这可能就是展项出现故障的根本原因。基于上述考虑，利用控制器的串口扩展总线功能，把故障控制器上原来连接上一个控制器的网线去掉，为达到最好的效果，把控制器作为总线网关用串口线直接连接到总线接入处控制器的串口上。串口连接相较于原来的网线螺钉压紧连接，连接的稳定性和可靠性明显提升，并且串口网关总线提升了信号强度和质量，且减少了中间环节的干扰（图2）。

图2 串口连接方式

经过以上改变，重新开机调试，故障现象仍未排除。

3.5 彻底排查故障

在排查了动力柜内网线连接及出现故障的强电控制器本身可能存在的故障点后，没有找到明显的故障原因，只能把故障排查放在比较困难的外部连接线路中。由于中控设备在1 楼而故障出现在4 楼，信号线路较长，且跨楼层中间环节众多，给排查带来了不便。

为尽可能少走弯路，提高排查的准确性，首先要找到原始设计的线路施工图纸，按照原始设计排线查找实际施工中可能出现的问题，从故障动力柜信号线的接入端开始追根溯源一直排查到中控主机服务器。设计图纸中，中控机房到各楼层机房动力配电箱大节点直连，中控主机信号线经控制器接线端子和接线端子排的扩展采用星形拓扑结构或就近原则布线，中间即使经过其他楼层机房也只是利用动力柜内控制器接线端子分出一路即可，并不实际参与该动力柜内线路连接。

实际排查中发现施工方在线路途经其他楼层机房时，错误的把线路串接进机房动力柜节点，以“手牵手”方式连接在总线中，进而让线路串接进N 个强电控制器，线路中多出N 个断点由N 段网线串接。由于线路中增加了节点数量和长度，导致信号的传输速率和强度衰减变弱，不能保证后续节点控制器的正常工作。

找到原因后，在途经的机房动力柜内利用强电控制器内置的串口进行总线扩展，把控制器作为总线网关的接线，恢复了线路的原始设计，减少了途径节点数量和线路长度。4 楼动力柜内故障展项控制器也采取同样接法，保证信号传输质量。经上电调试，故障现象排除，展项功能恢复。

4 总结

科技馆在实际工作中展项设备难免会遇到各种问题，但只要遵循科学规律，坚持细致的工作作风，避免不规范的操作，就能保持设备的高质量运行和完好率。从这次故障的排除过程中可以得到以下经验：

（1）根据故障现象，结合设备的原理及控制特点进行分析和判断，是电气设备故障还是信号线路故障、是主电路强电故障还是控制线路弱电、参数调整不合理还是人为失误等，确定故障发生范围逐步缩小直至找到故障点。也可将故障设备或控制系统划分为若干个小部分，然后检查这些部分的输入和输出是否正常。在确定某一部分时，再去关注该部分内部的问题，找出故障点。在确保设备安全的情况下，可以通过替换法来发现故障点。

（2）在控制线路中，不规范的布线方式会导致信号通信的可靠性、稳定性及传输数据准确性明显下降。因此建议严格采用CAN 总线网络布线规范进行作业，以降低后期的维护工作量。

（3）尽量减少CAN 总线信号线路中的节点，如果中控到展项经过的环节较多线路较长，线路可按照中控机房—途经机房—途经机房—动力柜的顺序布线。