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实现空压站无人值守

1．应用背景
在冶金，化工，电力，制药等许多大型工程中，空压站建设是一项重要的辅助工程。空压站的主设备为空气压缩机，空气干燥器，配套过滤器，储气罐，连接管道和阀门等组成一供气系统。大型空压站通常拥有多套设备，以**不同负荷的需求。确保合格的供气品质，满足稳定的气源压力，供气的自动调节等是空压站自动化的基本任务。随着自动化水平的不断提高，建设无人值守空压站的要求已是一个发展趋势。
本案例应用于大型空压站。该站有6台每分钟供气200立方的螺杆式空压机，6台200立方处理量的冷冻式干燥器，另有两台80立方处理量的吸附式干燥器，采用母管制连接方式生产压缩空气。用户要求：
1） 每台设备应有自动控制和联锁保护装置，并配有触摸屏供现场观察各工艺参数和设备状态，可手动/自动切换操作及紧急停机；
2） 现场控制室应有计算机操作站，通过建立设备网络，监控整个生产过程；
3） 空压房的操作站应与厂区控制中心联网，由控制中心的实时远程监控，实现空压站无人值守。
2．系统构成
2.1．控制网络结构的确立
由于空压房的操作站应与厂区控制中心联网，由控制中心的实时远程监控，实现空压站无人值守。为保持一致性，空压站自控设备全部选用硕人时代公司的STEC—2000系列模块化可编程控制器，其带有1个RJ45以太网接口，1个RS232接口，1个485接口，支持标准的TCP/IP、PPP和MODBUS协议。仔细分析了生产实际情况和各设备的特点，以及可能存在的问题，综合各方面因素后确立了“*监测，统一调度，现场控制”的实施方案。其基本理由是：
1） 技术性考虑，单一结构网络在节点数量较大时安全性不够理想。因为各设备控制器均挂在同一网络上，任何一台出现通信故障都可能影响整个网络，严重时会引起网络瘫痪，无法实现远程监控。虽然本案例的设备总数并不算很多，但考虑到对无人值守的高标准要求，将设备网确定为分散控制网络，以达到分散危险，提高网络有效性和可靠性的目的，同时要实时远程监控，实现无人值守。
2） 经济性考虑，满足基本要求的前提下，采用可扩展的STEC控制器，根据不同需要选用不同模块，较大节约成本。
*监测，统一调度，现场控制的特点：
a) 通讯层——工业以太网络连接控制中心通讯服务器与各空压站控制器1#STEC2000—6#STEC2000，以及各干燥器控制站7#STEC2000—14#STEC2000和现场控制室15#STEC2000，传输空压站系统和干燥器的重要信息参数及各设备运行状态，并实现控制中心的远程控制操作。
b) 监控中心——通讯服务器：负责所有控制器的远程通讯，以及相应的指令下发。数据库服务器：负责承担所有子站的数据存储和数据处理。WEB服务器：负责现场控制室应有计算机操作站，通过建立设备网络，监控整个生产过程；以及厂区控制中心的实时远程监控，实现空压站无人值守。
c) 现场设备层——和控制器子站采集现场各种信号，并且通过以太网传到监控中心， STEC和彩色操作面板均可通过面板通信接口直接相连，现场智能仪表可以通过RS232和RS485相连。
硕人时代公司推出的STEC模块化以太网控制器，它为可编程序控制器提供远程编程支持的产品。它可以在可编程序控制器、操作员界面系统、个人计算机、主计算机、数字控制设备、可编程的具有以太网/RS-232 /RS-485接口的设备之间提供通信。它采用以太网线和双绞线连接。
2.2 硬件配置
现场控制室——操作站计算机PC，15#STEC2000配置模拟量输入/输出模块，开关量输入/输出模块，共计128点，所有开关量输出均采用继电器隔离。15#STEC2000控制各设备子站以外的系统测点和阀门。
空压机子站——1#STEC2000—6#STEC2000可编程控制器，分别配有包括模拟量输入在内的64点I/O模块。
干燥器子站——7#STEC2000—14#STEC2000可编程控制器，分别配有包括模拟量输入在内的36点I/O模块。彩色操作面板均可通过面板通信接口直接相连。
2.3．软件组成和工作程序
编程软件SRDev2.0 可使用户在自己的电脑上组态开发，并且通过以太网线对控制器（STEC2000）进行编程，网络上的任一个工业终端可以用来对网络上的所有控制器编程。用户既可以将程序下载到有关设备中，又可以从设备上载已有的程序，调试程序，的运行。
HOMS5.0 安装在监控中心的服务器上，现场控制室的操作站可以根据权限来监视和操作整个生产过程，为控制系统提供通讯、显示及报表管理等功能，以及相应的指令下发，数据的处理及存储。  

随着社会信息化程度的不断提高，机房计算机系统的数量与俱增，其环境设备也日益增多，机房环境设备（如供配电系统、UPS电源、空调、消防系统、保安系统等）必须时时刻刻为计算机系统提供正常的运行环境。因此，对机房动力设备及环境实施监控就显得尤为重要。

机房环境及动力设备监控系统主要是对机房设备（如供配电系统、UPS电源、防雷器、空调、消防系统、保安门禁系统等）的运行状态、温度、湿度、洁净度、供电的电压、电流、频率、配电系统的开关状态、测漏系统等进行实时监控并记录历史数据，实现对机房遥测、遥信、遥控、遥调的管理功能，为机房的管理和安全运营提供有力的保。

动力环境监控系统概述

1、系统的目的
本系统的目的是为了**中心机房系统的正常运行，实时监测机房环境的各项指标，遇到机房停电、电源故障、环境温度过高、非法闯入、火灾和漏水等紧急意外情况，能够及时、查询和自动快速报警。

2、原则
从实际出发，在有限的预算下，追求较高的性能。在重要的机房，采用嵌入式网络型监控设备，辅于传感器，组建综合监控管理系统具有较好的成本优势，其建设成本远远低于采用传统ＰＬＣ模块，工控组态软件之和；建设周期只有传统方案的1/4；系统维护成本只有传统方案的1/2。

3、系统的**性
· 采用**、成熟、实用的技术。目前监控系统的技术的发展已经比较成熟，我们现在规划的是面临21世纪的系统，要经得起时代的考验。因此，我们的产品在技术上已经达到**水平，成熟、可靠；在使用上简便实用，十分适合我国各企事业单位机房使用。
· 系统具有集中统一的管理能力，为系统管理大大提供方便。根据实际的管理体制，管理是要集中统一的，因此，我们的系统具有多级集中统一的管理中心，并实施科学合理的管理，使监控技术发挥较高的效用。
· 系统具有开放性、可扩性、兼容性和灵活性。监控系统以安全为核心，随着21世纪的到来，安全技术在广度和深度上的发展，使得监控系统演绎成综合性集成系统。因此，我们的系统具有很强的开放性，能灵活的与企业内部网络刺痛连接，不管是何种网络传输方式都能有机融合成一个整体。系统应用范围大小差异很大，这就要求系统能适合多种规模，要有较强的可扩性。我们的系统能随时适应对系统的扩容要求，系统具有很强的兼容性和灵活性，能适应产品的升级换代。
· 系统必须具有安全性、可靠性、容错性。系统设备的安全性、可靠性是个非常重要的指标。我们的系统具有较强的容错性和自检功能，能够避人员误操作等引起系统工作不正常现象的发生。
· 合理的性能价格比。在系统设计时，从实际出发，在有限的价格下，追求较高的性能。我们的系统采用嵌入式网络型监控，辅于传感器，组建综合监控管理系统具有较好的成本优势。

4、系统的稳定性和安全性
本系统适应监控网络化趋势，不落后，不重复投资；采用内部局域网通信和管理，更稳定更安全。采用TCP/IP方式，各监控机房可以很容易地与监控管理中心及数据库建立起联系，用较低的成本，对监控机房的动力设备、机房环境、安全保卫消防、视频图像等信息实施统一平台下的监控。

监控功能

· 供配电：电源参数监控；
    监控机房内电源进线柜和出线柜电压、电流、频率状态。

· 机房设备：UPS监控；
    监控机房内UPS电源输入、输出电压、电流、频率等各项参数，设置报警参数，设备出现故障及达到报警参数设置范围，可随时向监控中心发出警告。

· 机房环境：机房温湿度、漏水监控；
    在机房设置温湿度传感器，在中心机房可通过网络显示出各机房的实时温湿度情况，当温度、湿度越界时向监控中心发出警告报警。在机房主要是地板下设置漏水感应线圈，在出现水源时可及时发出警告。

· 图像监控：对机房现场进行图像实时监控与传输，**在市局监控中心可随时查看每个分局机房内视频图像。

· 集中监控：对以上内容通过计算机进行集中监控。

系统解决方案

本方案将配电电源监控、环境监控、和安全视频结合在一起，提出建设基于IP网络传输技术的数字化、网络化监控系统工程。
    在机房安装我公司产品网络型智能监控数据采集机CRTAE2008，将各数据采集模块，如温湿度传感器、烟雾探测器、红外探测器等设备连接到采集机上。给CRTAE2008分配好IP地址，用浏览器方式就可以实现多个机房的参数监控和告警的查询、排序、统计等功能。监控中心安装数据库服务器及相关监控管理软件，并安装智能电话语音机和GSM短信报警机，在机房出现异常情况下，可拨打预先设置的电话及码或发送。监控中心都可以同时进行机房监控管理和收到告警通知。

   编者按：俞鸿虎工程师目前在越南北方一家新开的越南国营塑料模具厂担任厂长顾问。越南的情况比较特殊，维修人员的素质普遍比较低，优质的配套元器件都要由中国生产商供应，不能保及时到位。较近，一台从中国进口的Mell-5060型数控雕刻机较近出现了故障，俞工把排除数控雕刻机的2例故障的方法与过程记录下来，希望可以给在*三世界工作的中国作一个参考，同时也可以给中国国内的，特别是中西部不发达地区企业从事设备维护保养的技术提供一点借鉴。

    排除故障例一

    数控雕刻机出现以下故障：手脉有时能够动作，有时不能动作，或者干脆不能工作。长驻胡志明市的供应商外派专家前后来现场4次更换手脉，最后一次甚至不惜代价更换了工控机，但问题依然存在。专家坚持说手脉在国内曾经安装在同型机床上试验过，没有问题。这使得相关各方都很苦恼，成为企业设备方面的一个棘手问题。

    我们怀疑模具车间的电磁环境对机床存在干扰，同时还怀疑数控雕刻机存在某些容易接受干扰的设计或者工艺缺陷。经过观察分析，车间墙面和屋顶（内衬泡沫隔热层）均为彩钢板简易结构，较易反射电磁波；车间里有众多设备，例如北京机电院的加工中心、GF阿奇夏米尔的等脉冲电火花机、苏州三光的慢走丝线切割机、沈阳机床的数控车床等CNC机床，另外还有中国其他企业的内/外圆磨床、工具磨床、变频电焊机、带锯床、精密三坐标测量机、带PLC扩展配置的桂林产龙门磨床、英国产精密高速扫描仪和宁波海天650大型注塑机各一台，以及中国产钻床2台和电动工具多台。车间各类机床运转时，其接触器和有刷电机均会产生火花干扰，电加工机床和电焊机的干扰更是严重，而且其干扰频谱很宽，谐波分量丰富，携带干扰能量很大。干扰电磁波经过彩钢板墙面和屋顶的多次反射叠加，在某些频谱波段会得到加强，这是外部电磁干扰的环境情况。但是限于越南当地的客观条件，我们无法对车间的干扰场强进行测试，从而得出精确的定量，只能凭经验作出外部电磁干扰相当强烈的定性判断。同时我们对数控雕刻机的手脉及其输出电路进行了严格，机床内部的信号电缆都具备屏蔽功能——全部使用了屏蔽电缆，并且一端可靠接地。但是拆开手脉电缆的航空插头和手脉控制盒，用小切开电缆外包皮一看，手脉电缆竟然采用了非屏蔽电缆（普通多芯电缆），更谈不上单端接地。接着我们使用同样的方法切开*2个手脉的电缆，也是采用了非屏蔽电缆。根据以往的经验，我们判断这就是故障的内部原因所在。外部电磁干扰信号正是从这根电缆感应到系统信号，又叠加到手脉的小信号输出线路上去的（输出5v脉冲去工控机I口），进而使工控机的输入口获取了错误信息。

    终于找到了使手脉不能正常工作的真正故障原因，我们要求数控雕刻机供应商重新提供具备屏蔽功能并且单端良好接地的新手脉。到货以后，经过外观检查，运输无破损，电缆外皮光洁鲜亮，型号规格核对无误；拆开航空插头检查电缆具备屏蔽结构，并且单端可靠接地。更换以后故障彻底消失，电脑屏幕显示出三维坐标系的清晰数据，转动手脉的转轮，数据立刻显示出实时新坐标的精确位置。机床在停机一段时间以后终于恢复正常工作了。

    本例小结：手脉为数控雕刻机的重要部件，现在大多数数控机床都有手脉并且作为标准配置，甚至可以说已经成为不可缺少的重要部件。我们认为，如果在复杂的电磁环境下，数控机床的手脉（或者其他部件）功能出现没有规律可循的奇怪故障时，应该重点考查现场的电磁环境，是否存在电磁干扰，然后排查设备容易受干扰的部位。使用这种方法，有针对性地予以排除，容易收到时间短、的效果。这种故障仅在越南一家工厂就排除过多次了。另外电源质量如何，接地是否满足要求等外部因素也是不可忽略的。

    同时我们希望CNC机床制造工厂在设计数控系统内外的电气电子线路的时候特别加强系统抗干扰性能的设计。客观地讲，国内的一些企业做得比较到位，例如本厂从中国引进的其他各型CNC机床，在同样强烈的电磁干扰下却始终能够正常工作。原因是这些企业的资金和技术力量相对比较雄厚，企业标准化工作比较到位，质量管理体系层次比较高。但在个别企业，抗干扰设计却往往被忽视，例如本例制造商就采用了非屏蔽电缆的做法。各国各地的经济发展不同，厂房结构等现场外部条件一般也就不尽相同，例如标准厂房与上述彩钢板厂房（根据笔者所知，这种简易型厂房在*三世界国家是很多的）现场的电磁环境就会大不相同（有时甚至还要考虑该国该地的电源质量以及接地和气候等各种相关因素）。我们的CNC机床产品只有在各种复杂的电磁环境和气候环境下都能够稳定地工作，才能真正有效地国内外CNC机床市场，赢得国内外用户的信任。

    排除故障例二

    数控雕刻机突然出现了电脑报警信号，Y轴不能复位至原点，电脑显示：

    Y轴寻原点找不到原点信号

    Y轴尚未原点复归

    通过检查原点信号电路，我们发现线路通畅没有问题，各相关电缆插头/插座也都接触良好。但是发现Y轴磁感应开关（型号为PS17-5DN，韩国产）的LED发光不正常，在用螺丝抵近感应部位时，LED发光正常；但是移开螺丝后LED依然微微发光。此时LED正确的状态应该是截止的，也就是说这时的Y轴磁感应开关并没有完全关断，依然有信号输出，而且其电平有效值**过其翻转阈值电平，致使电脑出现报警信号。国应商提供的相同型号的磁感应开关到货以后，经过外观检查运输无破损，型号规格核对无误。更换以后，检查接线无误（只要3根相同颜色的线路对接并且做好绝缘即可）。通电启动系统，用螺丝贴靠磁感应开关的感应部位，开关的LED立即正常发光；反之，移开螺丝LED则立即熄灭，可以判定磁感应开关信号输出恢复正常。

    随后越南维修人员又报称：Y轴能够回到原点了。但是每次操作总会出现又往+Y方向过冲的现象。我们经过观察发现，数控雕刻机的许多按钮是点动式的，它是工作于脉冲的上升沿或者下降沿，这与越南电气维护人员习惯的电平控制的普通开关完全不同，而越南维修人员以为一直要把按钮按到Y轴回到原点以后才能松开。实际上按钮在按下时，计算机不断接收到外部中断申请信号（来自按下的按钮），使Y轴回到原点以后不能停车，只能反向——即向+Y方向移动，出现+Y方向过冲的现象。经过我们讲解以后，按一下按钮Y轴立刻启动，执行原点复归指令，机床完全恢复正常。

    本例小结：数控机床的维修在一般维修人员看来似乎很难，其实只要掌握了它的结构，熟悉其各种显示信号的物理意义，善于分析各种信号LED的闪动情况，例如是常亮还是不亮？是微微发亮还是闪亮，有规律还是随机？就能正确的解决问题。当完全理解了上述各种不同的LED的发光状态和物理意义后，一般就可以得出正确的判断，本例排故的过程实际上连万用表都没有使用，很快就找出了真正的故障所在部位。因此笔者认为维修数控机床并不难，只要掌握正确的方法常常会事半功倍，有时甚至比维修普通机床的电子电气线路还要方便

统参数发生变化或改动、机械故障、机床电气参数未优化电机运行异常、机床位置环异常或控制逻辑不妥，是生产中数控机床加工精度异常故障的常见原因，找出相关故障点并进行处理，机床均可恢复正常。

    生产中经常会遇到数控机床加工精度异常的故障。此类故障隐蔽性强、诊断难度大。导致此类故障的原因主要有五个方面:（1）机床进给单位被改动或变化。（2）机床各轴的零点偏置(NULLOFFSET)异常。（3）轴向的反向间隙(BACKLASH)异常。（4）电机运行状态异常，即电气及控制部分故障。（5）机械故障，如丝杆、轴承、轴联器等部件。此外，加工程序的编制、的选择及人为因素，也可能导致加工精度异常。

    1.系统参数发生变化或改动

    系统参数主要包括机床进给单位、零点偏置、反向间隙等等。例如SIEMENS、FANUC数控系统，其进给单位有公制和英制两种。机床修理过程中某些处理，常常影响到零点偏置和间隙的变化，故障处理完毕应作适时地调整和修改；另一方面，由于机械磨损严重或连结松动也可能造成参数实测值的变化，需对参数做相应的修改才能满足机床加工精度的要求。

    2.机械故障导致的加工精度异常

    一台THM6350卧式加工中心，采用FANUC0i-MA数控系统。一次在铣削汽轮机叶片的过程中，突然发现Z轴进给异常，造成至少1mm的切削误差量(Z向过切)。调查中了解到：故障是突然发生的。机床在点动、MDI操作方式下各轴运行正常，且回参考点正常；*报警提示，电气控制部分硬故障的可能性排除。分析认为，主要应对以下几方面逐一进行检查。

    （1）检查机床精度异常时正运行的加工程序段，特别是长度补偿、加工坐标系(G54～G59)的校对及计算。

    （2）在点动方式下，反复运动Z轴，经过视、触、听对其运动状态诊断，发现Z向运动声音异常，特别是快速点动，噪声更加明显。由此判断，机械方面可能存在隐患。

    （3）检查机床Z轴精度。用手脉发生器移动Z轴，（将手脉倍率定为1×100的挡位，即每变化一步，电机进给0.1mm），配合百分表观察Z轴的运动情况。在单向运动精度保持正常后作为起始点的正向运动，手脉每变化一步，机床Z轴运动的实际距离d=d1=d2=d3…=0.1mm，说明电机运行良好，定位精度良好。而返回机床实际运动位移的变化上，可以分为四个阶段：①机床运动距离d1＞d=0.1mm(斜率大于1);②表现出为d=0.1mm＞d2＞d3(斜率小于1)；③机床机构实际未移动，表现出较标准的反向间隙；④机床运动距离与手脉给定值相等(斜率等于1)，恢复到机床的正常运动。

    无论怎样对反向间隙(参数1851)进行补偿，其表现出的特征是：除*③阶段能够补偿外，其他各段变化仍然存在，特别是*①阶段严重影响到机床的加工精度。补偿中发现，间隙补偿越大，*①段的移动距离也越大。

    分析上述检查，数控技工培训认为存在几点可能原因：一是电机有异常；二是机械方面有故障；三是存在一定的间隙。为了进一步诊断故障，将电机和丝杠完全脱开，分别对电机和机械部分进行检查。电机运行正常；在对机械部分诊断中发现，用手盘动丝杠时，返回运动初始有非常明显的空缺感。而正常情况下，应能感觉到轴承有序而平滑的移动。经拆检发现其轴承确已受损，且有一颗滚珠脱落。更换后机床恢复正常。

    3.机床电气参数未优化电机运行异常

    一台数控立式铣床，配置FANUC0-MJ数控系统。在加工过程中，发现X轴精度异常。检查发现X轴存在一定间隙，且电机启动时存在不稳定现象。用手触摸X轴电机时感觉电机抖动比较严重，启停时不太明显，JOG方式下较明显。

    分析认为，故障原因有两点，一是机械反向间隙较大；二是X轴电机工作异常。利用FANUC系统的参数功能，对电机进行调试。首先对存在的间隙进行了补偿；调整伺服增益参数及N脉冲抑制功能参数，X轴电机的抖动，机床加工精度恢复正常。

    4.机床位置环异常或控制逻辑不妥

    一台TH61140镗铣床加工中心，数控系统为FANUC18i，全闭环控制方式。加工过程中，发现该机床Y轴精度异常，精度误差较小在0.006mm左右，较大误差可达到1.400mm。检查中，机床已经按照要求设置了G54工件坐标系。在MDI方式下，以G54坐标系运行一段程序即“G90G54Y80F100；M30；”，待机床运行结束后显示器上显示的机械坐标值为“-1046.605”，记录下该值。然后在手动方式下，将机床Y轴点动到其他任意位置，再次在MDI方式下执行上面的语句，待机床停止后，发现此时机床机械坐标数显值为“-1046.992”，同*一次执行后的数显示值相比相差了0.387mm。按照同样的方法，将Y轴点动到不同的位置，反复执行该语句，数显的示值不定。用百分表对Y轴进行检测，发现机械位置实际误差同数显显示出的误差基本一致，从而认为故障原因为Y轴重复定位误差过大。对Y轴的反向间隙及定位精度进行仔细检查，重新作补偿，均无效果。因此怀疑光栅尺及系统参数等有问题，但为什么产生如此大的误差，却未出现相应的报警信息呢？进一步检查发现，该轴为垂直方向的轴，当Y轴松开时，主轴箱向下掉，造成了**差。

    对机床的PLC逻辑控制程序做了修改，即在Y轴松开时，先把Y轴使能加载，再把Y轴松开；而在夹紧时，先把轴夹紧后，再把Y轴使能去掉。调整后机床故障得以解决。