纺织设备控制装置弱电故障维修实践

《棉纺织技术》 2023年9月（第51卷，总第623期）火热发售中，欢迎订阅。

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原文刊自：2023年7月

第51卷（总第621期）

摘 要

探讨纺织设备控制装置弱电故障适宜的维修方式。根据纺织企业设备现状，将纺织设备控制装置分为调速类控制装置、可编程控制器、开关电源、集成电路板4种，概括了每种控制装置的故障特点，并通过№21C型络筒机、K44型细纱机等几个典型的维修实例进行了说明，对比了自主维修和托外维修的成本。认为：企业通过自主维修，可以获得明显的经济效益。

关键词

纺织设备; 控制装置; 弱电故障; 变频调速; PLC; 开关电源; 集成电路‍

目前我国纺织设备具有以下特点：一是进口设备占多数，这类设备自动化程度高、技术复杂，尤其在弱电方面，一旦出现故障，一般电工根本维修不了，大多数企业只能选择设备厂家推荐的维修单位进行维修，但高昂的维修费用挤占了企业的利润空间；二是机台数量多，如普通制衣厂的缝纫设备多是以百台计算，而一个10万锭的纺纱企业拥有的控制装置更是在1 000台以上，随着许多引进设备的服务期限临近，弱电故障频出，一个中型以上的纺织企业每个月的维修量多、费用高。鉴于此，国内一些企业与高校进行技术合作，通过对一些控制装置弱电故障进行自主维修，获得了明显的经济效益。下面结合纺织设备技术特点，对部分弱电故障维修进行总结。

1 纺织设备控制装置分类

我国引进的纺织设备大多来自于德国、日本、瑞士、意大利等工业科技发达的国家，这些设备之所以能显著提高产品质量，其关键在于控制系统采用了先进而复杂的技术。归纳起来，纺织企业所用控制装置大致如下。

1.1　调速类控制装置

为保证产品质量，一些纺织设备如精梳机、织机的驱动采用了调速技术。虽然直流调速有很多的优越性，但直流调速系统的复杂性和高故障率一直为行业内工程技术人员所诟病。国外设备厂家从20世纪七八十年代开始使用交流变频调速技术，目前已成为主流。在我国，现在几乎所有的纺织设备也都尽可能地使用了变频调速技术，更先进的直流无刷驱动应用也越来越多。调速类控制装置以变频器最具代表性，如伦茨、ABB、安川等系列。这类设备的共同之处在于都是以大功率半导体开关组成的逆变桥作为输出接口，根据输出功率的不同，开关元件选用的是不同型号的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）功率模块或单体元件。另外还有微处理器（MCU）及外围电路。因此，这类设备的弱电故障主要集中在逆变桥和半导体电路上。

1.2　可编程控制器（PLC）

PLC是一种性能优良的控制装置，其核心是高性能微处理器。为了适应复杂的工业环境，PLC通常有多样的信号输入输出口，这些接口不但能传输信号，还可实现内外电路的电气隔离，最大程度地保证了内部电路不受外部干扰，特别适合在工业环境中使用。PLC的优点是用寄存器替代了传统的中间继电器，因为大大减少了触点数量，PLC在很大程度上提高了设备的可靠性。例如德国西门子公司生产的S系列PLC平均无故障时间已经超过30万h。通过编程，PLC的功能更加丰富，可实现对故障的自诊断，这更增加了控制的灵活性、智能化，因此，PLC在国内外工业设备上的应用很广，是一种标配。欧盟设备一般选用西门子PLC作为主控装置，而日本设备则多选用三菱的PLC。在弱电方面，PLC的故障主要集中在接口电路、内部保护电路和电源电路，而最为复杂的微处理器出现故障的情况却很少见。

1.3　开关电源

以上所述各种的自动化、智能化设备，其共同特点是内部都是由微处理器控制，微处理器以及外围设备所需的直流电一般是由开关电源提供的。与传统的变压器降压和串联稳压电路相比，开关电源具有效率高、电压适应范围宽、抗干扰能力强等优点，特别适合在工业环境中使用。但不可否认，其故障率高也是不争的事实。常用的开关电源其输入多采用交流220 V供电，经低通滤波、整流滤波等环节先变换成直流母线电压，再经过高频开关电路将直流母线电压变换成低压直流电。也有一些采用直流母线直接供电的，这类设备中有专门的变换电路，形成的直流母线电压既为逆变器供电，也为机内的开关电源供电。如村田络筒机中的开关电源输入的就是来自系统直流母线的+280 V直流电。开关电源的输出有+5 V、±12 V、+24 V等。通常+5 V用于微处理器供电，±12 V用于放大器的供电，+24 V多用于直流继电器的驱动等。再如FA009A型抓棉机使用的西门子SITOP POWER12提供的+24 V DC电源，主要给PLC、信号模块（数字量输入/输出、模块量输入/输出）、继电器、接触器和各种控制设备供电。开关电源中分立元件占多数，各种元件的性能差异很大，寿命长短不一，表现在弱电故障方面主要是一次侧容易出问题。尽管开关电源会因控制芯片不同在电路上存在差别，但基本结构大同小异，研究清楚一两款电路，便可做到一通百通。

1.4　集成电路板

自动化设备能够实现的基本控制功能是逻辑运算，可实现对开关量的控制。更高层次的控制功能是对模拟量的控制，一般包括放大电路及A/D、D/A转换等环节，这样的电路是典型的弱电电路，这些电路所在的电路板通称为集成电路板。在一些诸如控制张力、位置、温度、压力、流量等模拟参数的设备上都有这种弱电电路板。由于技术复杂，集成电路板是弱电故障维修的难点。

2 维修实例

2.1　№21C型络筒机单锭设备报MPC通信错误

№21C型络筒机在控制上分车头电脑和单锭电脑，前者是上位机，后者是下位机。通过两者之间的通信，可使上位机获得单锭设备的生产信息。单锭MPC其实也是一个微型电脑，其主板结构与常规电脑类似，如运行程序保存在E2ROM中，而与生产有关的信息保存在RAM中。RAM存储器的特点是停止供电后，里面的信息会丢失。为保持信息不丢失，必须持续供电，即在交流电源停止供电时，要用后备电池为其供电。这也是计算机主板都带有纽扣电池的原因。№21C型络筒机单锭MPC主板使用了更为环保的超级电容来替代后备电池。由于采用了低功耗RAM，一般的超级电容可保证一年以上的可靠供电。然而，设备的现场工作环境，如湿度较大、棉粉尘及絮状物较多等，造成了超级电容正负极间的隔离电阻降低，漏电流超过额定值，结果造成电容两端电压的降低，使得后备电容供电能力变弱、有效供电时间缩短。尽管有专门的电路对其充电，但在停机时间过长或者漏电较大时，常会出现电容电压不足的情况，以致于对RAM无法进行有效供电，RAM中的数据丢失。在上位机索要这些数据时，下位机因为查询不到合格的数据，只能继续进行查询。经过一段时间后，上位机在得不到数据后，就报通信错误。经过对发生通信超时的故障板进行检测后发现，一般后备电容的电压都在2 V以下，已达不到RAM的供电要求。如果确认后备超级电容电压低的原因是由外部因素引起的，除了对可能的漏电区域进行彻底清理外，还需要通过外接直流稳压电源在二极管D1的阳极与GND之间施加+5 V电压，将后备电容的电压充满后停止。为防止再次出现类似的故障，建议喷一些隔离剂覆盖在可能的漏电区域。

2.2　西门子SITOP POWER12型电源上电无输出

SITOP POWER12型电源是西门子控制系统最常用的配套模块电源，在欧洲纺织设备中多有应用，比如瑞士立达K44型细纱机用的就是这种电源。它的输入电压是集成整流装置输出的+600 V直流电压，输出的是+24 V直流电压，用于对各个分系统提供直流电。

根据车间提供的信息，已确认该电源存在故障。打开外壳，可见该电源由上下两层电路板组成。上层板主要是控制电路，下层板是高压部分，主要组成元件是滤波、保护元件，还有输出部分的整流器等。两层板通过几个金属导线柱连接。经检查，在上层板除了有个别元件外壳变黄外，并没有发现明显的烧毁、烧焦部位。由于没有技术图纸可供参考，维修只能从绘制简单的原理图开始。

图1是根据实物绘制的局部电路。其中1端是启动电路的一部分，+600 V电压经数个高阻值电阻（在下层板）降压后在A、O间产生12 V直流电压（框1）。该电压是末端功率管（型号ON1534）的偏置电压。框2中的电路是馈电电路，采用简单的串联稳压，将馈电绕组的输出电压变换成稳定的+12 V。框3中的电路是机内开关电源控制电路，场效应管SS98是主控芯片UC3843的电源端（引脚7）的控制开关，其导通后，UC3843才可得到+12 V直流电压。测得UC3843电源端电压只有5.6 V左右，没有达到UC3843输出PWM脉冲所需的最低供电电压8.4 V，此时UC3843工作在欠压锁定状态，没有输出是正常的。根据图1中电路，逐一检测每个元件发现，与SS98栅⁃源并联的稳压二极管存在局部击穿的现象，反向电阻约480 Ω。显然，在上电后，SS98栅⁃源间偏置电压降低了，使得SS98处于未导通状态，UC3843的供电电压偏低，因欠压而停止输出PWM信号。更换稳压管后，电源输出正常。

2.3　ABB ACS401001632型变频器加电引起空气开关跳闸

ACS401001632型变频器是一款适配11 kW交流电机的变频器，在棉纺行业应用较多。该机采用380 V交流供电。在配电柜内，交流三相电经过空气开关后接入变频器的电源输入端。一上电就引起空气开关跳闸，说明机内出现了严重的过流故障，而且这种故障多与主电路有关。图2是根据实物绘制的主电路图，主要有外接的空气开关，机内的三相整流桥、滤波电感、浪涌电流限制电阻、继电器主触头、平滑电容以及三相逆变桥等。

用万用表逐一检测整流桥、平滑电容和逆变桥。发现这3个主要元件都没问题。但看到继电器K1的外壳因受热已发生变形，这说明，K1的主触头出现过频繁的大电流切换。在这种容量的变频器中，为了保证直流母线电压的稳定，电路中需要接入较大容量的平滑电容，这种设计带来了一个不容忽视的问题，就是开机瞬间因电容充电会出现较大的浪涌电流。这个电流常常超出变频器额定电流数倍，引起过流跳闸。为降低开机瞬间的浪涌电流，在电路中需要强制接入限制浪涌电流的电阻（R1、R35和R3、R199）。待电容基本充满后，主电路中才投入继电器主触头，将电阻旁路掉。更换K1继电器后仍然出现空气开关跳闸的问题，再检查发现K1线圈的驱动三极管V1击穿，具体电路见图3。

从图3中看出，V1是继电器K1与K201的驱动三极管，V1击穿后，其工作状态已不受主板信号的控制，导致一上电，K1、K201线圈得电。可能由于自身结构参数的差异，K1总是先于K201动作，其主触头先闭合，由于浪涌电流较大，直接导致了外接的空气开关跳闸。更换V1后，故障消除。

3 维修效益

自2016年开始，某高校与驻地纺织企业合作，除了对企业人员进行设备弱电故障维修培训外，双方还展开了线路板的维修业务。表1列出了一段时间内，双方维修的业务量，在费用上与托外维修的情况进行了比较。从表1可以看出，自主维修成本显著低于托外维修，经济效益明显。

4 结束语

现阶段，我国纺织企业拥有数量庞大的进口设备，每个企业都面临着设备维修的难题。上述实例表明，即便是复杂的设备，产生故障的原因也可能是很简单的，这关键取决于维修人员对故障原因的精准分析和判断。企业与高校的合作，可以将维修所需的理论知识和实用技术引入企业，通过对维修人员的重点培训和有针对性的指导，以简单的故障维修为突破口，就能逐渐扩大维修范围，经过一段时间的技术积累，完全可以实现大部分弱电故障的自主维修。实践证明，这种自主维修可大幅度降低维修费用，无疑是企业降费增效的有效路径。

资料来源：《棉纺织技术》