紡織設(shè)備控制裝置弱電故障維修實踐

奶茶色月季 2023-09-14

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《棉紡織技術(shù)》 2023年9月（第51卷，總第623期）火熱發(fā)售中，歡迎訂閱。

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原文刊自：2023年7月

第51卷（總第621期）

摘要

探討紡織設(shè)備控制裝置弱電故障適宜的維修方式。根據(jù)紡織企業(yè)設(shè)備現(xiàn)狀，將紡織設(shè)備控制裝置分為調(diào)速類控制裝置、可編程控制器、開關(guān)電源、集成電路板4種，概括了每種控制裝置的故障特點，并通過№21C型絡(luò)筒機、K44型細紗機等幾個典型的維修實例進行了說明，對比了自主維修和托外維修的成本。認為：企業(yè)通過自主維修，可以獲得明顯的經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞

紡織設(shè)備; 控制裝置; 弱電故障; 變頻調(diào)速; PLC; 開關(guān)電源; 集成電路?

目前我國紡織設(shè)備具有以下特點：一是進口設(shè)備占多數(shù)，這類設(shè)備自動化程度高、技術(shù)復(fù)雜，尤其在弱電方面，一旦出現(xiàn)故障，一般電工根本維修不了，大多數(shù)企業(yè)只能選擇設(shè)備廠家推薦的維修單位進行維修，但高昂的維修費用擠占了企業(yè)的利潤空間；二是機臺數(shù)量多，如普通制衣廠的縫紉設(shè)備多是以百臺計算，而一個10萬錠的紡紗企業(yè)擁有的控制裝置更是在1 000臺以上，隨著許多引進設(shè)備的服務(wù)期限臨近，弱電故障頻出，一個中型以上的紡織企業(yè)每個月的維修量多、費用高。鑒于此，國內(nèi)一些企業(yè)與高校進行技術(shù)合作，通過對一些控制裝置弱電故障進行自主維修，獲得了明顯的經(jīng)濟效益。下面結(jié)合紡織設(shè)備技術(shù)特點，對部分弱電故障維修進行總結(jié)。

1 紡織設(shè)備控制裝置分類

我國引進的紡織設(shè)備大多來自于德國、日本、瑞士、意大利等工業(yè)科技發(fā)達的國家，這些設(shè)備之所以能顯著提高產(chǎn)品質(zhì)量，其關(guān)鍵在于控制系統(tǒng)采用了先進而復(fù)雜的技術(shù)。歸納起來，紡織企業(yè)所用控制裝置大致如下。

1.1　調(diào)速類控制裝置

為保證產(chǎn)品質(zhì)量，一些紡織設(shè)備如精梳機、織機的驅(qū)動采用了調(diào)速技術(shù)。雖然直流調(diào)速有很多的優(yōu)越性，但直流調(diào)速系統(tǒng)的復(fù)雜性和高故障率一直為行業(yè)內(nèi)工程技術(shù)人員所詬病。國外設(shè)備廠家從20世紀七八十年代開始使用交流變頻調(diào)速技術(shù)，目前已成為主流。在我國，現(xiàn)在幾乎所有的紡織設(shè)備也都盡可能地使用了變頻調(diào)速技術(shù)，更先進的直流無刷驅(qū)動應(yīng)用也越來越多。調(diào)速類控制裝置以變頻器最具代表性，如倫茨、ABB、安川等系列。這類設(shè)備的共同之處在于都是以大功率半導(dǎo)體開關(guān)組成的逆變橋作為輸出接口，根據(jù)輸出功率的不同，開關(guān)元件選用的是不同型號的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）功率模塊或單體元件。另外還有微處理器（MCU）及外圍電路。因此，這類設(shè)備的弱電故障主要集中在逆變橋和半導(dǎo)體電路上。

1.2　可編程控制器（PLC）

PLC是一種性能優(yōu)良的控制裝置，其核心是高性能微處理器。為了適應(yīng)復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境，PLC通常有多樣的信號輸入輸出口，這些接口不但能傳輸信號，還可實現(xiàn)內(nèi)外電路的電氣隔離，最大程度地保證了內(nèi)部電路不受外部干擾，特別適合在工業(yè)環(huán)境中使用。PLC的優(yōu)點是用寄存器替代了傳統(tǒng)的中間繼電器，因為大大減少了觸點數(shù)量，PLC在很大程度上提高了設(shè)備的可靠性。例如德國西門子公司生產(chǎn)的S系列PLC平均無故障時間已經(jīng)超過30萬h。通過編程，PLC的功能更加豐富，可實現(xiàn)對故障的自診斷，這更增加了控制的靈活性、智能化，因此，PLC在國內(nèi)外工業(yè)設(shè)備上的應(yīng)用很廣，是一種標配。歐盟設(shè)備一般選用西門子PLC作為主控裝置，而日本設(shè)備則多選用三菱的PLC。在弱電方面，PLC的故障主要集中在接口電路、內(nèi)部保護電路和電源電路，而最為復(fù)雜的微處理器出現(xiàn)故障的情況卻很少見。

1.3　開關(guān)電源

以上所述各種的自動化、智能化設(shè)備，其共同特點是內(nèi)部都是由微處理器控制，微處理器以及外圍設(shè)備所需的直流電一般是由開關(guān)電源提供的。與傳統(tǒng)的變壓器降壓和串聯(lián)穩(wěn)壓電路相比，開關(guān)電源具有效率高、電壓適應(yīng)范圍寬、抗干擾能力強等優(yōu)點，特別適合在工業(yè)環(huán)境中使用。但不可否認，其故障率高也是不爭的事實。常用的開關(guān)電源其輸入多采用交流220 V供電，經(jīng)低通濾波、整流濾波等環(huán)節(jié)先變換成直流母線電壓，再經(jīng)過高頻開關(guān)電路將直流母線電壓變換成低壓直流電。也有一些采用直流母線直接供電的，這類設(shè)備中有專門的變換電路，形成的直流母線電壓既為逆變器供電，也為機內(nèi)的開關(guān)電源供電。如村田絡(luò)筒機中的開關(guān)電源輸入的就是來自系統(tǒng)直流母線的+280 V直流電。開關(guān)電源的輸出有+5 V、±12 V、+24 V等。通常+5 V用于微處理器供電，±12 V用于放大器的供電，+24 V多用于直流繼電器的驅(qū)動等。再如FA009A型抓棉機使用的西門子SITOP POWER12提供的+24 V DC電源，主要給PLC、信號模塊（數(shù)字量輸入/輸出、模塊量輸入/輸出）、繼電器、接觸器和各種控制設(shè)備供電。開關(guān)電源中分立元件占多數(shù)，各種元件的性能差異很大，壽命長短不一，表現(xiàn)在弱電故障方面主要是一次側(cè)容易出問題。盡管開關(guān)電源會因控制芯片不同在電路上存在差別，但基本結(jié)構(gòu)大同小異，研究清楚一兩款電路，便可做到一通百通。

1.4　集成電路板

自動化設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)的基本控制功能是邏輯運算，可實現(xiàn)對開關(guān)量的控制。更高層次的控制功能是對模擬量的控制，一般包括放大電路及A/D、D/A轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)，這樣的電路是典型的弱電電路，這些電路所在的電路板通稱為集成電路板。在一些諸如控制張力、位置、溫度、壓力、流量等模擬參數(shù)的設(shè)備上都有這種弱電電路板。由于技術(shù)復(fù)雜，集成電路板是弱電故障維修的難點。

2 維修實例

2.1　№21C型絡(luò)筒機單錠設(shè)備報MPC通信錯誤

№21C型絡(luò)筒機在控制上分車頭電腦和單錠電腦，前者是上位機，后者是下位機。通過兩者之間的通信，可使上位機獲得單錠設(shè)備的生產(chǎn)信息。單錠MPC其實也是一個微型電腦，其主板結(jié)構(gòu)與常規(guī)電腦類似，如運行程序保存在E2ROM中，而與生產(chǎn)有關(guān)的信息保存在RAM中。RAM存儲器的特點是停止供電后，里面的信息會丟失。為保持信息不丟失，必須持續(xù)供電，即在交流電源停止供電時，要用后備電池為其供電。這也是計算機主板都帶有紐扣電池的原因?！?1C型絡(luò)筒機單錠MPC主板使用了更為環(huán)保的超級電容來替代后備電池。由于采用了低功耗RAM，一般的超級電容可保證一年以上的可靠供電。然而，設(shè)備的現(xiàn)場工作環(huán)境，如濕度較大、棉粉塵及絮狀物較多等，造成了超級電容正負極間的隔離電阻降低，漏電流超過額定值，結(jié)果造成電容兩端電壓的降低，使得后備電容供電能力變?nèi)?、有效供電時間縮短。盡管有專門的電路對其充電，但在停機時間過長或者漏電較大時，常會出現(xiàn)電容電壓不足的情況，以致于對RAM無法進行有效供電，RAM中的數(shù)據(jù)丟失。在上位機索要這些數(shù)據(jù)時，下位機因為查詢不到合格的數(shù)據(jù)，只能繼續(xù)進行查詢。經(jīng)過一段時間后，上位機在得不到數(shù)據(jù)后，就報通信錯誤。經(jīng)過對發(fā)生通信超時的故障板進行檢測后發(fā)現(xiàn)，一般后備電容的電壓都在2 V以下，已達不到RAM的供電要求。如果確認后備超級電容電壓低的原因是由外部因素引起的，除了對可能的漏電區(qū)域進行徹底清理外，還需要通過外接直流穩(wěn)壓電源在二極管D1的陽極與GND之間施加+5 V電壓，將后備電容的電壓充滿后停止。為防止再次出現(xiàn)類似的故障，建議噴一些隔離劑覆蓋在可能的漏電區(qū)域。

2.2　西門子SITOP POWER12型電源上電無輸出

SITOP POWER12型電源是西門子控制系統(tǒng)最常用的配套模塊電源，在歐洲紡織設(shè)備中多有應(yīng)用，比如瑞士立達K44型細紗機用的就是這種電源。它的輸入電壓是集成整流裝置輸出的+600 V直流電壓，輸出的是+24 V直流電壓，用于對各個分系統(tǒng)提供直流電。

根據(jù)車間提供的信息，已確認該電源存在故障。打開外殼，可見該電源由上下兩層電路板組成。上層板主要是控制電路，下層板是高壓部分，主要組成元件是濾波、保護元件，還有輸出部分的整流器等。兩層板通過幾個金屬導(dǎo)線柱連接。經(jīng)檢查，在上層板除了有個別元件外殼變黃外，并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的燒毀、燒焦部位。由于沒有技術(shù)圖紙可供參考，維修只能從繪制簡單的原理圖開始。

圖1是根據(jù)實物繪制的局部電路。其中1端是啟動電路的一部分，+600 V電壓經(jīng)數(shù)個高阻值電阻（在下層板）降壓后在A、O間產(chǎn)生12 V直流電壓（框1）。該電壓是末端功率管（型號ON1534）的偏置電壓?？?中的電路是饋電電路，采用簡單的串聯(lián)穩(wěn)壓，將饋電繞組的輸出電壓變換成穩(wěn)定的+12 V?？?中的電路是機內(nèi)開關(guān)電源控制電路，場效應(yīng)管SS98是主控芯片UC3843的電源端（引腳7）的控制開關(guān)，其導(dǎo)通后，UC3843才可得到+12 V直流電壓。測得UC3843電源端電壓只有5.6 V左右，沒有達到UC3843輸出PWM脈沖所需的最低供電電壓8.4 V，此時UC3843工作在欠壓鎖定狀態(tài)，沒有輸出是正常的。根據(jù)圖1中電路，逐一檢測每個元件發(fā)現(xiàn)，與SS98柵?源并聯(lián)的穩(wěn)壓二極管存在局部擊穿的現(xiàn)象，反向電阻約480 Ω。顯然，在上電后，SS98柵?源間偏置電壓降低了，使得SS98處于未導(dǎo)通狀態(tài)，UC3843的供電電壓偏低，因欠壓而停止輸出PWM信號。更換穩(wěn)壓管后，電源輸出正常。

2.3　ABB ACS401001632型變頻器加電引起空氣開關(guān)跳閘

ACS401001632型變頻器是一款適配11 kW交流電機的變頻器，在棉紡行業(yè)應(yīng)用較多。該機采用380 V交流供電。在配電柜內(nèi)，交流三相電經(jīng)過空氣開關(guān)后接入變頻器的電源輸入端。一上電就引起空氣開關(guān)跳閘，說明機內(nèi)出現(xiàn)了嚴重的過流故障，而且這種故障多與主電路有關(guān)。圖2是根據(jù)實物繪制的主電路圖，主要有外接的空氣開關(guān)，機內(nèi)的三相整流橋、濾波電感、浪涌電流限制電阻、繼電器主觸頭、平滑電容以及三相逆變橋等。

用萬用表逐一檢測整流橋、平滑電容和逆變橋。發(fā)現(xiàn)這3個主要元件都沒問題。但看到繼電器K1的外殼因受熱已發(fā)生變形，這說明，K1的主觸頭出現(xiàn)過頻繁的大電流切換。在這種容量的變頻器中，為了保證直流母線電壓的穩(wěn)定，電路中需要接入較大容量的平滑電容，這種設(shè)計帶來了一個不容忽視的問題，就是開機瞬間因電容充電會出現(xiàn)較大的浪涌電流。這個電流常常超出變頻器額定電流數(shù)倍，引起過流跳閘。為降低開機瞬間的浪涌電流，在電路中需要強制接入限制浪涌電流的電阻（R1、R35和R3、R199）。待電容基本充滿后，主電路中才投入繼電器主觸頭，將電阻旁路掉。更換K1繼電器后仍然出現(xiàn)空氣開關(guān)跳閘的問題，再檢查發(fā)現(xiàn)K1線圈的驅(qū)動三極管V1擊穿，具體電路見圖3。

從圖3中看出，V1是繼電器K1與K201的驅(qū)動三極管，V1擊穿后，其工作狀態(tài)已不受主板信號的控制，導(dǎo)致一上電，K1、K201線圈得電?？赡苡捎谧陨斫Y(jié)構(gòu)參數(shù)的差異，K1總是先于K201動作，其主觸頭先閉合，由于浪涌電流較大，直接導(dǎo)致了外接的空氣開關(guān)跳閘。更換V1后，故障消除。

3 維修效益

自2016年開始，某高校與駐地紡織企業(yè)合作，除了對企業(yè)人員進行設(shè)備弱電故障維修培訓(xùn)外，雙方還展開了線路板的維修業(yè)務(wù)。表1列出了一段時間內(nèi)，雙方維修的業(yè)務(wù)量，在費用上與托外維修的情況進行了比較。從表1可以看出，自主維修成本顯著低于托外維修，經(jīng)濟效益明顯。

4 結(jié)束語

現(xiàn)階段，我國紡織企業(yè)擁有數(shù)量龐大的進口設(shè)備，每個企業(yè)都面臨著設(shè)備維修的難題。上述實例表明，即便是復(fù)雜的設(shè)備，產(chǎn)生故障的原因也可能是很簡單的，這關(guān)鍵取決于維修人員對故障原因的精準分析和判斷。企業(yè)與高校的合作，可以將維修所需的理論知識和實用技術(shù)引入企業(yè)，通過對維修人員的重點培訓(xùn)和有針對性的指導(dǎo)，以簡單的故障維修為突破口，就能逐漸擴大維修范圍，經(jīng)過一段時間的技術(shù)積累，完全可以實現(xiàn)大部分弱電故障的自主維修。實踐證明，這種自主維修可大幅度降低維修費用，無疑是企業(yè)降費增效的有效路徑。

資料來源：《棉紡織技術(shù)》