轧机主传动系统的急停回路故障处理与分析

1 引言
我厂的轧机主传动选用全套西门子控制系统，大功率交交变频系统控制2台16极8000kw交流同步电动机。此套系统是西门子公司非常成熟的设备，运行稳定，而且主传动系统中的op17面板可以显示系统故障代码，以便维护人员对设备故障进行诊断与处理，op17的提示功能可以说是在这几年的维护工作里起到了绝对关键的作用。
但主传动发生了一次急停系统回路故障，在处理过程中我们发现系统中存在缺陷，此故障发生后op17没有提示相应的故障，反而故障信息显示将故障处理带错了方向，以下便阐述故障情况与分析结果与大家交流。

2 故障现象
2009年8月14日13点，轧机主传动上辊主电机跳闸，供上辊的35kv高压断路器跳闸，并且无法合闸，维护人员第一时间检查op17故障代码，第一个故障显示为“bu810 励磁开关无反馈”，（一般首个故障信息是故障根源），此时检查励磁断路器，开关的确跳闸，检查现场励磁系统，并未发现有异常之处，而且此故障信息表明励磁断路器属于分闸状态，什么情况造成的励磁跳闸的呢？由于没有详细的信息的提示，无法快速的查出原因，只能进行系统复位，让操作台启动主传动系统，仍无法正常操作，而且35kv高压断路器一直无法正常送电，而且高压综保装置报的故障是“变频器故障”信号，说明主传动还是没有准备好，故障没有排除。如何造成的高压柜无法合闸？针对图纸我们进行了以下分析。

3 故障分析与排除

图1 急停继电器的控制电路

图1中可以看出控制高压柜的合闸继电器的连锁条件是k20急停继电器、主电机超速开关、变压器瓦斯继电器和操作台急停按钮，此回路中任何一点出现故障都将会造成高压断路器无法合闸。
此时观察k20急停继电器状态，的确不正常，西门子3tk2804型继电器接线见图2的 k20回路，k20有两个发光指示灯，一个是ready信号，说明k20是通着电的，另一个是on信号，表示急停继电器内的触点13/14、23/24、33/34是否在工作状态，a1和a2是此继电器的线圈，只有线圈得电20v以上的才可以正常工作，此继电器有一个特点，如果急停回路出现故障，线圈电压低于16v时，信号灯on熄灭，如果线圈的电压又提高到20v以上的话，on灯仍不亮，触点具有记忆功能，仍无法正常工作。
观察此k20继电器，其中ready信号灯正常，on信号灯灭，测量a1、a2线圈电压仍为24v，将线圈断电后，继电器内部触点工作吸合，此时整个系统恢复正常，高压送电正常。
轧机运行几分钟后，再次跳电，仍是k20急停继电器报故障，此时测量k20的a1、a2线圈电压仍为24v，图1中的外部急停回路没有报故障，所以认为k20继电器本身有问题，将k20继电器更换，整个系统送电正常，运行几分钟后，再次报相同故障，k20 on信号灯闪灭，此时测量线圈的电压为12v至20v波动，时好时坏，可以判断，是图1中的外部急停回路发生故障，排查外部故障点，其中操作台的急停按钮一路没有故障，接线牢固可靠，也没有误动作的可能，将上辊变压器的瓦斯报警点进行检查，没有瓦斯产生，继电器接线牢固可靠，可以将故障点确定在主电机的超速开关回路上。
超速开关与主电机编码器一体，其中有超速判断功能，接在急停回路中的是3和4两点，当主电机真正的超速时，3和4点断开，使得k20线圈失电，从而将电机保护性跳电，防止飞车的发生，其中还有另两个触点，可见图3所示。

图2 3tk2804型继电器接线图

图3 超速保护电路

其中1和2点，5和6点的信号进入了传动系统的tdc的程序中，具有超速软件保护，3、4点是与k20急停继电器连接，属于硬线保护，倘若主电机真正的超速飞车，在tdc等系统内也可以将系统停机，起到保护设备的作用。但由于系统中没有报故障，所以判断可能只是3、4两点间出现问题，为了生产可以将3、4点短封，此后，再也没有发生过此故障。

4 引申的问题及其解决方法
故障虽然排除了，但是在这里我们仍存留着几个问题需要彻底解决，首先，为何k20的电压在12v到21v之间波动，都是触点连接，哪里出现了分压？另外，为什么op17面板中最先不是报急停继电器故障而是报励磁断路器无反馈故障？最后，是通过什么方法在线查找出故障根源的？
（1）急停继电器和超速开关的测量问题
使用万用表对急停继电器和超速开关测量，发现超速开关的3、4点并不是简单的负责通、断的触点，测量时有一定的阻值，里边应该是集成的电路，它与k20急停继电器的线圈有分压，在正常状态下，超速开关的3、4点间的电压是2.4v，k20的线圈电压为21.6v，但偶尔超速开关的电压突然增到了10v，k20线圈的电压就变成了14v，或者更低，这使得k20无法正常工作，这种状态保证了k20能够得电，但不能驱动所带的触点工作，所以相当于急停故障。如果是急停按钮或者瓦斯报警出现动作的话，k20的线圈电压肯定变为0v，而不是这种分压现象。
（2）急停回路故障时，为何op17没有显示

图4 急停信号反馈点

整个过程中都是由于急停回路故障造成的，为何op17没有报过一次相关的故障呢？查看图4，很明显的看出57、58点是给系统发出的信号，急停故障信号进入了控制系统的程序中，应该显示出来才对，可是如果了解3tk2804这种急停继电器的性能来看就会发现，57、58点的通断是表示k20线圈是否有电，即使k20线圈得12v甚至更低的话，57、58点仍打开表示k20得电正常，而不是检测主触点信号on的反馈，所以在这种分压电路中，发生急停回路有分压的故障是没有信号进入系统程序中去的，也就是说完全断电可以报急停故障，分压故障无法报出急停故障代码。我认为如果可以的话，急停信号反馈点应该接在k20的43、44点，我们需要知道主的触点状态而不是看k20是否得电。可见急停继电器k20一直有电可以解释为什么op17不报急停故障了。
那为何报励磁无反馈内？在急停继电器k20的图中，看到一路x31端子排上的17和18两点是连接在励磁开关控制回路中，见图5。

图5 励磁开关控制回路

当k20发生故障时，完全由硬线控制的励磁断路器的k43失电，跳闸，断路器在分位上，又因为此动作不是系统程序中给出的，完全是硬线造成的，程序认为不应该分闸，所以会第一个报励磁开关合闸无反馈，这就能够解释的通为什么出现这种奇怪的故障信息代码了。可以简单的理解一下，k20串着变压器的瓦斯报警点和主电机超速开关报警点，西门子认为两者都非常重要，瓦斯故障对应者跳变压器的开关柜，不经过任何程序的处理直接通过硬线将高压关闭，以保护变压器，而超速故障发生，主电机飞车了，也是经过k20的硬线直接跳主电机励磁系统，以便减少因进出程序所花费的时间。
（3）如何在轧钢过程中在线检测故障点的呢？
很简单，我们只需要将影响生产的k20短封上，之后在从故障回路中在接一个相同的3tk2804这种急停继电器，模拟完全一样的状态，使用示波器或者万用表便可以将故障点查处来。

图6 在线检测急停故障的回路

如图6所示，先将1、2点封线，使得在线使用的k20一直有24v电，保证生产使用，也就是将外部3处故障点全部短封上，之后在将端子3打开，接入一个k20备件，此时，如果急停回路正常，k20备件便显示正常，如果电压有波动的话，k20的on信号灯就会灭，此时便是需要测量几个点电压便可以知道哪里有故障，先测x12的2点为24v，说明没有问题，之后测量k24瓦斯继电器的44点为24v，说明瓦斯继电器正常，没有分压，在测量超速开关的电压，结果发现电压大概在10v左右，可见超速开关等效的阻值变大了，分压变大了，故障点便查出来了。
这种查法简单可靠，而且k20有记忆功能，可以捕捉到短暂的故障现象。

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