紡織設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》 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)設備現(xiàn)狀，將紡織設備控制裝置分為調(diào)速類控制裝置、可編程控制器、開關電源、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。

關鍵詞

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

目前我國紡織設備具有以下特點：一是進口設備占多數(shù)，這類設備自動化程度高、技術復雜，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，隨著許多引進設備的服務期限臨近，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)合紡織設備技術特點，對部分弱電故障維修進行總結(jié)。

1 紡織設備控制裝置分類

我國引進的紡織設備大多來自于德國、日本、瑞士、意大利等工業(yè)科技發(fā)達的國家，這些設備之所以能顯著提高產(chǎn)品質(zhì)量，其關鍵在于控制系統(tǒng)采用了先進而復雜的技術。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，一些紡織設備如精梳機、織機的驅(qū)動采用了調(diào)速技術。雖然直流調(diào)速有很多的優(yōu)越性，但直流調(diào)速系統(tǒng)的復雜性和高故障率一直為行業(yè)內(nèi)工程技術人員所詬病。國外設備廠家從20世紀七八十年代開始使用交流變頻調(diào)速技術，目前已成為主流。在我國，現(xiàn)在幾乎所有的紡織設備也都盡可能地使用了變頻調(diào)速技術，更先進的直流無刷驅(qū)動應用也越來越多。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。這類設備的共同之處在于都是以大功率半導體開關組成的逆變橋作為輸出接口，根據(jù)輸出功率的不同，開關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，這類設備的弱電故障主要集中在逆變橋和半導體電路上。

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。為了適應復雜的工業(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)設備上的應用很廣，是一種標配。歐盟設備一般選用西門子PLC作為主控裝置，而日本設備則多選用三菱的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，而最為復雜的微處理器出現(xiàn)故障的情況卻很少見。

1.3　開關電源

以上所述各種的自動化、智能化設備，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備所需的直流電一般是由開關電源提供的。與傳統(tǒng)的變壓器降壓和串聯(lián)穩(wěn)壓電路相比，開關電源具有效率高、電壓適應范圍寬、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)的開關電源供電。如村田絡筒機中的開關電源輸入的就是來自系統(tǒng)直流母線的+280 V直流電。開關電源的輸出有+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備供電。開關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。盡管開關電源會因控制芯片不同在電路上存在差別，但基本結(jié)構大同小異，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)的設備上都有這種弱電電路板。由于技術復雜，集成電路板是弱電故障維修的難點。

2 維修實例

2.1　№21C型絡筒機單錠設備報MPC通信錯誤

№21C型絡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)酢⒂行Ч╇姇r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，在歐洲紡織設備中多有應用，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)開關電源控制電路，場效應管SS98是主控芯片UC3843的電源端（引腳7）的控制開關，其導通后，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)過空氣開關后接入變頻器的電源輸入端。一上電就引起空氣開關跳閘，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。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，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，導致一上電，K1、K201線圈得電?？赡苡捎谧陨斫Y(jié)構參數(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，直接導致了外接的空氣開關跳閘。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)人員進行設備弱電故障維修培訓外，雙方還展開了線路板的維修業(yè)務。表1列出了一段時間內(nèi)，雙方維修的業(yè)務量，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)量龐大的進口設備，每個企業(yè)都面臨著設備維修的難題。上述實例表明，即便是復雜的設備，產(chǎn)生故障的原因也可能是很簡單的，這關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引入企業(yè)，通過對維修人員的重點培訓和有針對性的指導，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》