浅析烟草设备电气故障原因及维修方法

李建军，陈佰虎，莫雄杰

（1.广西中烟工业有限责任公司柳州卷烟厂，广西柳州，545000；2.国家税务总局湛江市税务局，广东湛江，524000）

对于卷烟包装设备而言，为了能同时生产多规格的产品，增加设备的整体设计柔性，利用伺服电机取代了机械的齿轮传动和皮带传动，设备的配合精度由机械转为电气调节的精度，卷烟包装设备从此由单电机驱动变为多电机协同驱动，设备的电气自动化水平发生了质的变化，但同时也增加了故障产生的概率，增加了故障维修的难度。作者根据多年的烟草设备电气维修经验，提出了与TnPM不同的维修策略，总结了一些设备维修方法，并将其通用化，希望对同行有一定的借鉴作用，主要针对已经出现的故障进行剖析和归类。

1 电气系统硬件和技术

烟草设备的电气系统通常是较为复杂的各个子系统的组合，系统涉及的硬件器件一般有（1）指令器件，如按钮、保护开关、行程开关、选择开关、急停开关、继电器等具机械部件的元件；（2）执行元件，如接触器、电磁阀、电磁铁、电磁离合器、固态继电器、阀岛等；（3）保护元件，如空气断路器、熔断器、热继电器、过压继电器、欠压继电器等；(4)驱动元件，如变频器、伺服控制器、直流调速器、步进电机驱动器；(5)网络通讯元件，如通讯模块、通讯协议转换模块、通讯卡、中继器、通讯接头、通讯介质等;（6）控制元件，如PLC、IPC、单板电脑、独立功能模块、单片机系统、智能仪表等；（7）检测元件，如接近开关、光电开关、光纤传感器、激光传感器、视觉传感器、压力传感器、微波传感器等；（8）人机交互界面，如工控机、触摸屏、文本显示器等。（9）拖动元件，如交流电机、直流电机、伺服电机、步进电机等。系统涉及的控制技术有（1）逻辑控制技术（顺序控制），如卷烟机的程序启动和程序停止控制；（2）数学运算技术，如卷烟机烟支重量系统的控制；（3）通讯技术，如工业以太网技术（PROFINET总线、Ethercat总线通讯）；（4）计算机技术，如中控系统；（5）图形处理技术，如卷烟品质机器视觉检测；（6）人机界面技术，如配方的操作和运行参数输入的工控机、触摸屏等；（7）PLC技术，如PLC的编程和故障诊断技术；（8）电机控制技术，如变频器、伺服控制器的参数配置和故障诊断技术；（9）冗余技术，系统出错后的自动恢复功能，如动能中心的双机热备技术。

2 引起电气故障的原因

我们从烟草设备电气系统的硬件和软件的构成可以推出电气系统发生故障的位置和原因。分析大部分的电气故障，总结大致有七大类主要原因：（1）工作环境。①温度，温度是电子元件的杀手，通常机箱内的温度要求不能超过45℃和不低于-10℃；②湿度，湿度过高会使水气侵入电气元件内部并凝结成水，降低器件的绝缘性能，器件通电后容易发生击穿损坏，如南方春季的潮湿时期，电气元件容易损坏；③振动，烟草设备使用的电气器件大部分是精密的器件，器件内部有较多的接插件，当设备的振动大时会使接插件接触不良，引起发热，继而烧毁器件。④电磁干扰，电磁干扰是由干扰源经电源线或接地不良的保护地线引入或系统内的高频开关器件电磁泄露产生，系统内的通讯线路和弱电信号容易受到干扰而引起故障。⑤粉尘，烟草设备经常处于粉尘较多的环境，粉尘容易进入机械结构的指令元件和执行元件，引起信号接通失效，同时污染光电检测器，造成误检测。（2）电气的安装工艺。安装工艺直接影响电气系统的稳定性，遵循规范的安装工艺可以有效的减少设备初期的故障问题。（3）器件，器件是组成电气控制系统的要素，器件决定了系统的稳定性和先进水平。①可靠性，指器件平均无故障时间，可靠性越高，则其无故障工作时间越长。在设计和更换时选用可靠性高的器件，可以降低系统的故障率。②容量，选用器件时，其容量应保证足够的安全系数，如使用有触点继电器来控制电磁铁时，要考虑接通和关断时的电流冲击，继电器的触点容量要为3-4倍正常电流。③电磁兼容性，指器件在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何器件产生无法忍受的电磁骚扰的能力。器件在使用不能产生干扰源，否则使系统产生误动作（4）电源，是电气系统的动力源，这里包括交流电源和直流电源。其技术指标影响到系统的稳定性。①电压波动，通常会使器件的工作电压达不到设计要求而误动作。②谐波干扰，由烟草设备大量使用变频器和开关电源，容易产生高次谐波，如处理不当，必然对系统产生干扰，特别对总线通讯的干扰。③容量不足，就会带不动负载，变压器的容量不足会引起铁芯发热，可能引发电气事故，开关电源容量不足，会烧坏电源，影响系统运行。（5）机械磨损，机电一体的器件在烟草设备中也大量使用。开关触动部分磨损会引起输入信号动作不正常，引发故障。机电连接部件磨损都会造成执行机构不正常，引发设备事故。（6）参数，在设备投入使用前，设置与应用匹配参数是必须的，如果参数设置错误，系统无法工作或达不到实际要求。如一些检测功能需要打开，却被关掉，导致不合格品未能被检测到，流入市场。（7）设计问题，一些技术不太成熟的设备引入工厂时，由于缺少自诊断功能，使维修的难度加大；联锁设计不当会存在安全风险；程序设计的健壮性不强，使系统隐性故障频发。

3 故障的维修方法

基于上面谈到的七类故障原因，可以将故障分为接触不良类故障、器件类故障、机电类故障、干扰类故障、参数类故障、设计类故障等六类。（1）接触不良类故障，此类故障占总故障70%，是最常见的故障，对设备的故障率贡献最大，防止此类故障出现，可大幅提高设备的有效作业率。解决此类故障，一是采用定期紧固接线端子、电子清洗插接件、定期更换动作频繁类开关器件，如接触器和继电器等；二是采用可靠性维修，如用无触点开关替代有触点开关，使用容量大的触点替代小容量触点，密封器件替代非密封器件等。（2）器件类故障，占总故障20%，由于器件总有一定使用寿命。维修的策略是统计同类器件的使用寿命，在其接近使用寿命时更换。改善器件的工作环境，也可以延长器件的使用寿命。如定期保养通风设施、减少粉尘和油污对器件的污染、采用减震措施等。（3）机电类故障，占总故障5%。通过月保检查可及时的发现故障的征兆，如机械部件磨损较严重时，可更换，正常时，采用润滑机械部分的措施，基本能够避免此类故障。（4）干扰类故障，此类故障发生较少，但比较难查找故障源和解决。采用示波器测量和排除法结合来确定故障源，更换故障源器件和切断干扰路径及采用抗干扰措施，都能解决此类问题。常见现象有静电消除电路破损对地产生高频干扰，变频器接地不良产生干扰，开关电源滤波电路故障产生干扰，大电流动力线与信号线平行走线，引起干扰等。（5）参数类故障，这类故障多数是在系统恢复初始值时，容易产生，因为初始值可能与实际的使用值不相同，如有些设备的选配功能是没有的，但系统默认是开启的，如果没有修改为关闭状态，则设备就会发生故障。另外一种是更换器件时，没有输入正确参数，导致器件不能正常工作。如高速包装机种许多检测器的模式为高速模式，但检测器的默认为标准模式，在标准模式下，系统就会报告检测器故障。在以上两种情况下出现的故障，一定要核实设置的参数。（6）设计类故障，这类故障最为隐蔽，因为设计者在设计时是没法周全的考虑现场复杂的工况的。现场可能会发生各种误触发信号，如果程序或电路没有处理好这些非正常工况，可能引起程序死锁和电路误动作，造成故障或事故。解决此类故障的办法是，细致分析故障产生的机理和程序存在的问题，根据相关信号的逻辑关系增加互锁和容错程序，然后测试在极端条件下，是否还会出现问题。