西門子 PLC 故障處理實例（1）

實例1

故障現象：S5 系列 PLC 運行中自動停機

故障分析與處理：造成S5 系列PLC 運行中自動停機的主要原因有以下幾個方面：

1. 電源部分

①電源波動。西門子公司生產的S5-115U、S5-150U、S5-155U  系列 PLC 電源的模塊有直流24V、交流115/230V 等多種型號。其電壓允許波動范圍 AC 220V 為 - 1 5 % ~  20%;DC24V  為-16%～25%。如此寬松的允許范圍，在電源容量足夠大的情況下，甚至 不用各種穩壓設備即可滿足用戶使用需求。但是當電源容量有限，有較大負荷設備啟動時， 會造成瞬間或短時低電壓，且超過允許電壓波動范圍而造成“死機”。還有一種情況，即電  源模塊采用DC    24V,I/O 模塊也采用DC24V  電壓，而且電源模塊和 I/O  模塊公用一路直  流電源。當供電線路較長，隨著輸出模塊所帶的負荷增加，線路供電電流增大，造成線路 壓降超過PLC 允許波動范圍時也會造成自動停機。這兩種“死機”故障對 PLC 本身及所控  制的設備的危害較嚴重，尤其是電源模塊與I/O  模塊公用一路電源時，PLC 開機運行線路 壓降造成停機，停機后電壓回升，再開機運行，再停機，如此反復會使PLC 帶負荷開機， 造成所控制設備的嚴重損壞，有時會發生不必要的重大人身事故和設備事故。針對上述情 況，若是電源容量不足，應增加供電電源容量或增設穩壓設備；若是因為線路壓降大，可適當增加導線截面或將電源模塊和I/O  模塊分開供電。

② 擴展單元上的電源掉電，造成 CPU 停機時QVI 紅燈亮，出現這種故障現象時應擴展 單元上的供電電源。

③ AS311 上的24V 直流外接電源電壓過低，其值不在20～30V 之間，或電壓波動過 大，濾波不良等，不能保證遠程通信模塊 IM311 中 CPU 正常工作。對于這種原因，要在系 統運行中保持電源電壓值在20～30V 之間，可采取24V DC 前加裝交流穩壓裝置或對通信模 塊采用24V的 DDZ-Ⅲ5A  直流儀表電源單獨供電。  

 

2. 軟件編制方面

S5系列PLC系統軟件豐富。應用軟件采用程序塊結構方式，用戶可根據不同的控制來 編制若干功能的程序塊，再由組織塊調用程序完成全部控制任務。由于編制程序的思路、 風格各異，稍有不慎就會因編制軟件的原因造成 PLC 運行中突然自動停機，主要表現在以 下幾個方面：

① 程序運行的周期大于用戶設定的周期時間，如果因這種原因停機，停機時 CPU 上的 “ZYK”  紅燈亮。這種情況可以修改設定時間，或者修改軟件，減少周期時間以解決問題。

② 停機時如果是CPU 的 “QVI” 紅燈亮，表示 CPU 讀入或輸出的某些模塊的信息，前 后用的時間大于系統規定的時間，這種故障情況由以下幾種原因引起。

●離散擴展板306上設定的模塊被取下或者某些離散擴展板出現故障；

●替換錯誤，程序中所有的數據字無定義或被用的功能塊參數填錯；

●擴展單元上的電源掉電，或擴展板供電電源部分有故障。

上述各種故障的具體處理方法是：在出現某一種故障時，可以在編程器上通過F? 、Fg  功能鍵查找用戶地址設定區，看CPU 承認的地址和用戶在離散擴展板IM306 上所設定的地 址是否一致，找出原因加以排除。多數情況是由IN306 模塊工作不穩定引起的。對于第二 種故障現象，可以查看用戶中斷堆棧，用F? 、Fg或 F? 、F。鍵查找是哪個程序塊或數據塊的 錯誤，修改其軟件即可解決。

③ 在具有中斷管理能力的程序中，循環程序(主程序)與中斷服務程序(子程序)中 使用了同一個標志，當從中斷服務程序中返回時，就有可能將循環程序中該標志狀態改變， 從而造成出錯或不必要的停機故障，解決的辦法是修改軟件。

④ 程序編制有邏輯錯誤，致使程序進入死循環而退不出來；或使用了非法語句。應糾 正編程中的錯誤。

3. 硬件配置方面

在工業生產過程控制中選用S5-150U 和 S5-155U  機型所構成的控制系統，極易出現 自動停機現象，原因是這兩種機型為裸板結構，這樣對導電粉塵的要求要比S5-115U  系列 的指標高。因此在使用S5-155U  和 S5-150U 兩種機型時，要充分考慮到該機型對工作環 境的要求，以減小導電粉塵對 PLC 正常運行的影響?？稍赑LC柜設計中采用正壓技術。    

在生產現場往往還會出現時有時無的故障，有時在停機后，采用冷啟動就能奏效；有 時必須重新傳送程序(用編程器將復制的程序覆蓋PLC 原程序)方能奏效。這種情況一般 都是軟件問題，只要進行必要的技術操作即可排除故障。否則是硬件的問題，可從兩個方 面去分析：一是由于現場環境差，長時間運行，模塊插槽處積灰太多，再加上機械振動造 成接觸不良，致使 CPU 運行出錯而停機；二是CPU 出了故障或是其他模塊損壞，此時可通 過編程器使用“中斷堆?！?(ISTACK)   功能掃描操作系統的各種“分析位”,確定中斷停 機的故障原因及地址。如果信息提示故障原因來自I/O 方面，可以將I/O  模塊及 CPU 模塊 拆下吹掃并清洗底版插槽，重新安裝，再啟動，往往故障可以排除。若故障仍未排除，則 應用替換法檢查 CPU 模塊或I/O 模塊。

          

實例2

故障現象：S7-200  系列 PLC  的 RS485 接口經非隔離的 PC/PPI  電纜與計算機連接、 PLC與 PLC 之間，或 PLC 與變頻器、觸摸屏等通信時，發生 RS485 接口損壞。

故障分析與處理：S7-200 系列 PLC內部 RS485 接口電路圖如圖4-25 所示。在圖4-25 中 ，R1 、R2 是阻值為10Ω的普通電阻，其作用是防止 RS485 信號 D+ 和 D- 短路時產生過 電流損壞芯片；Z1 、Z2 是鉗制電壓為6V,  大電流為10A 的齊納二極管；24V電源和5V  電源共地未經隔離，當D+ 或 D-  線上有共模干擾電壓灌入時，由橋式整流電路和Z1 、Z2 可將共模電壓鉗制在±6.7V,  從而保護 RS485 接口的 SN75176 芯片 (RS485 芯片的允許共 模輸入電壓范圍為：-7～12V) 。該保護電路能承受的共模干擾功率為60W,  保護電路和 芯片內部沒有防靜電措施。

          

 圖4 - 25  西門子S7-200 PLC        內部RS485接口電路圖

當 PLC的 RS485 口經非隔離的 PC/PPI  電纜與計算機連接、PLC 與 PLC  之間連接或 PLC 與變頻器、觸摸屏等通信時，較常見的通信口損壞故障現象有：

① R1 或 R2 被損壞，Z1 、Z2 和 SN75176 完好。這是由于有較大的瞬態干擾電流經 R1 或 R2、橋式整流、Z1 或 Z2 到地， Z1 、Z2 能承受大10A電流的沖擊，而該電流在 R1 或 R2 上產生的瞬態功率為100×10=1000 (W),    當然會將其損壞。    

② SN75176 損壞， R1 、R2 和 Z1 、Z2 完好。這主要是受到靜電沖擊或瞬態過電壓速度 快于Z1 、Z2 的動作速度造成的，靜電無處不在，人體也會產生±15kV 的靜電。

③ Z1 或 Z2、SN75176 損 壞 ，R1 和 R2 完好。這可能是因于高電壓低電流的瞬態干 擾電壓將Z1 或 Z2 和 SN75176 擊穿，由于電流較小且發生時間較短， R1 、R2  不至于發 熱損壞。

由以上分析得知，PLC的 RS485 接口損壞的主要原因是瞬態過電壓和靜電；產生瞬態  過電壓和靜電的原因很多也較復雜，如由于PLC 內部24V電源和5V電源共地，24V 電源  的輸出端子L+ 、M  為其他設備混合供電可能導致地電位變化，從而造成共模電壓超出允  許范圍等。所以 RS485 標準要求將各個 RS485 接口的信號地用一條低阻值導線連接在一起， 以保證各節點的地電位相等，消除地線環流。

當帶電插拔未隔離的連接電纜時，由于兩端電位不相等，電路中又存在諸多電感、電 容之類的器件，插拔瞬間必然產生瞬態過電壓或過電流?；诖丝紤]，在進行通信接頭插 拔的時候，應盡量使設備處于斷電狀態。

連接在 RS485 總線上的其他設備產生的瞬態過電壓或過電流同樣會流入到 PLC;  總線 上連接的設備站點數越多，產生瞬態過電壓的因素也越多。當通信線路較長或有室外架空線時，雷電將會在線路上造成過電壓，其能量往往是巨大的。雷電是主要的自然干擾源， 雷電產生的干擾可以傳輸到數千公里以外的地方。雷電干擾的時域波形疊加成隨機脈沖上 的一個大尖峰脈沖，這個能量巨大的尖峰脈沖必然會在線路上造成過電壓，造成 PLC 等通 信網中所連設備的損壞，為此，應在PC 內部采取的措施有：① PLC 采用隔離的 DC/DC 將24V 電源和5V 電源隔離。選用帶靜電保護、過熱保護、 輸入失效保護等保護措施的次RS485 芯片，如 SN65HVD1176D 、MAX3468ESA 等。

② 采用響應速度更快、承受瞬態功率更大的新型保護器件TVS 或 BL 浪涌吸收器，如 P6KE6.8CA 的鉗制電壓為6.8V,  承受瞬態功率為500W,BL   器件則可抗擊4000A以上大電 流沖擊。若使用不帶故障保護的芯片，如SN75176, 可在軟件上作一些處理，從而避免通 信異常。即在進入正常的數據通信之前，由主機預先將總線驅動為大于200mV,  并保持一 段時間，使所有節點的接收器產生高電平輸出。這樣，在發出有效數據時，所有接收器均 能夠正確地接收到起始位，進而接收到完整的數據。

③ R1 和 R2 采用正溫度系數的自恢復PTC 電阻，如JK60-010,  正常情況下的電阻值 為5Ω,并不影響正常通信，當受到浪涌沖擊時，大電流流過PTC電阻和保護器件TVS ( 或 BL),PTC    電阻的電阻值將驟然增大，使浪涌電流迅速減小。    

應在 PLC外部采取的措施有：

① 使用隔離的 PC/PPI 電纜，盡量不用廉價的非隔離電纜(特別是在工業現場)。西門 子公司早期出產的PC/PPI  電 纜 ( 6ES7901-3BF0O-OXA0)     是不隔離的，現在也改成了隔 離的電纜。

② PLC 的 RS485 口聯網時采用隔離的總線連接器，如 PFB-G,  速率為0～1.5Mb/s 自 動適應，外形和使用方法與西門子非隔離的總線連接相同。

③ 與 PLC 連網的第三方設備，如變頻器、觸摸屏等的 RS485 口均使用 RS485 隔離器 BH-485G   進行隔離，這樣各 RS485 節點之間就無“電”的聯系，也無地線環流產生，即 使某個節點損壞也不會連帶其他節點損壞。

④ RS485 通信線采用 PROFIBUS 總線專用屏蔽電纜，保證屏蔽層接到每臺設備的外殼 并后接大地。

⑤ 對于有架空線的系統，總線上好設置專門的防雷擊設施。

良好的接地是 PLC安全可靠運行的重要條件，對于工業通信網絡更是如此。在工業通  信網絡中，至少有三種分開的地線，通過一點接地。種是低電平電路地線(即信號地  線),包括數字地、模擬地、信號地和直流地等；第二種是噪聲地線，即繼電器、電動機、 高功率電路的地線；第三種是機殼接地點，機械外殼、機身、機架、底板使用，此地  線應該和交流電源的地線相接。交流電源地線應和保護地線相連，以避免因公共地線各點  電位不均而產生的干擾。

          

實例3

故障現象：一 臺 S7-200PLC 停機兩個月，再上電后無法啟動。

故障分析與處理：檢查后認為程序出錯，將EPROM 卡插入PLC 中，復制程序，完成 后重啟，故障依舊。由于程序不大，逐條把 EPROM 上的程序讀出，與手冊上的指令核對后 發現完全一樣，重復復制無效后，初步判斷為 PLC硬件故障。用 PG 將備份程序調出，與EPROM上的程序進行比對，結果語句指令表相同，但程序存放地址發生了變化。修改程序 存放地址，把備份程序發送到 PLC后 ，PLC 運行正常。

         

     

實例4

故障現象：一 臺S7-200PLC 合上電源時，無法將開關撥到 RUN 狀態，錯誤指示燈先 閃爍后常亮，斷電復位后故障依舊。

故障分析與處理：根據故障現象，采用替換法更換 CPU模塊后， PLC 運行正常。但故 障燈仍然不停閃爍，判斷為通信接口板故障，更換了通信接口板后，PLC 恢復正常。

實例5

故障現象：一 臺S7-200PLC   的15.4無輸入，導致 Q7.0 無輸出。

故障分析與處理：根據故障現象首先檢查15.4端輸入回路，15.4端輸入為接近開關， 但接近開關信號經信號轉換器至PLC 輸入模塊，檢查后發現信號轉換器和接近開關同時損  壞。更換接近開關、信號轉換器后，上電運行，系統恢復正常。

          

實例6

故障現象：PLC控制系統的一個穩壓電源突然出現故障，在停車檢修過程中更換了電 源裝置，然而在穩壓電源更換好之后，PLC 再次上電，啟動后 CPUI 狀態為 STOP,  且兩 CPU上的REDF  (冗余故障)和EXTF (外部故障)紅燈亮，PLC 上其他狀態指示燈和故障 指示燈卻顯示正常。

故障分析與處理：根據故障現象可基本判斷是系統出現冗余故障造成外部故障，解決 方式是將兩個 PLC 的模式選擇開關都撥到 STOP 位置，然后將 CPUl模式選擇開關扳到 RUN  位置，待RUN綠燈亮， STOP 黃燈滅后，再將 CPUO模式選擇開關扳到 RUN 位 置 ，RUN 綠 燈閃爍后滅， STOP 黃燈一直亮，故障無法排除。系統下電前有一輸入變量被強制，現在 FRCE (強制)黃燈亮，將該輸入點的強制取消(兩CPU),FRCE    黃燈滅后，再次將狀態 為STOP的 CPUO 模式選擇開關按 RUN→STOP→RUN順序依次扳動，CPUO 的 RUN 綠燈亮， 黃燈滅，這時兩CPU都為 RUN綠 燈 ，REDF  (冗余故障)和 EXTF (外部故障)燈都滅， 故障得以排除。

          

實例7    

故障現象：巡檢時兩CPU 上的 REDF 和 EXTF 紅燈亮，IFM2F 紅燈亮；熱備 CPUl 狀態 為STOP,  黃燈亮，CPU1中 FM2 (同步子模塊) LINKOK 燈 滅 ，PLC 上其他狀態指示燈和 故障指示燈正常。

故障分析與處理：根據故障現象可初步判斷為同步模塊故障造成冗余故障，引起外部 故障燈亮。解決方式是先檢測是哪個部位出現問題。方法是對調CPUl 控制的FM2 和 CPUO 控制的FM2,  結果發現 CPUO 的 FM2LINKOK 燈滅；再將 CPUO 的 FM2 和 CPUO 的 FMI 對 調，4個LINKOK 指示燈的狀態沒有變化，由此判斷CPUO的 FMI 和 FM2 無問題，然后將 CPU1 的 FMI和 FM2對調，結果發現 CPUO 的 FMILINKOK 燈滅，到此通過不同的對調檢測 可以判斷出 CPUO 控制的FMI 卡存在問題。更換FMI卡后， PLC 中故障指示燈立即熄滅，4 個 LINKOK 指示燈均為綠色亮，表明系統恢復正常，故障得以排除。

此外，S7-400H 冗余數字輸入模塊差異也是常見問題。實際上在PI   (輸入的過程映 像)中，冗余數字輸入的后一個均值有效，直至錯誤定位。在出現差異時，被CPU 識別為故障的模塊處于鈍化狀態，此時處于非鈍化狀態下模塊的值為有效，此后錯誤不再可以 被識別，因為在非鈍化模塊上的信號總是被 CPU 以正確的信號予以接受。為確保故障數字 輸入模塊的本地化，可以通過I/O 類型互連和FLF  (故障本地化)來解決。

          

實例8

故障現象：一臺西門子 PLC 和一塊 PCI多485接口擴展卡在使用時燒毀，導致 PLC 控 制系統無法正常工作。

故障分析與處理：根據故障現象，首先按照一般燒毀通信的檢查方法進行檢查和測試。檢查后發現，由于RS485 通信PCI 擴展卡未采用光電隔離技術，PCI 擴展卡在燒毀的同時板 上很多器件已經損壞， PLC由于采用了電隔離技術情況稍好，但是通信回路、電源部分已  經燒毀。

將損壞的器件全部更換，并使用必要的技術手段將 PLC 程序上載保存，編寫一個測試 程序對 PLC 進行測試，用于檢測 PLC 是否正常。經過測試 PLC 運行正常，通信功能也已經 修復。    

因PCI 擴展卡沒有采用電隔離技術，在發生燒毀時由于電氣上未進行有效隔離，燒毀 情況比較嚴重。由于燒毀的器件里未包含CPU  (如果 CPU 被燒毀則應直接放棄維修),經 修復后，將 PCI擴展卡插入計算機的 PCI接口進行測試，功能也恢復正常。

在現場進行通信設計或擴展時，由于現場條件復雜、 一般情況下干擾也非常嚴重、 工作電源不穩定等諸多不利因素，現場設計的電路必須采取必要的保護措施，特別是通  信電路更應該采用隔離技術，以免發生故障時導致故障范圍擴大化，甚至到達無法修復 的程度。

          

實例9

故障現象：一 臺S7-200PLC   在一次上電后變得程序不可控，其中明顯的表現為輸出 端子中有兩個上電即產生輸出，從而導致輸出紊亂，系統無法工作。

故障分析與處理：將 PLC 拆下檢測，發現這兩個輸出端子在上電后確實導通，但是輸 出繼電器又不像是已經接通，阻抗變為300～500Ω。為了驗證繼電器和驅動電路是否損壞， 詳細跟蹤了繼電器輸出驅動電路，發現這兩個繼電器的輸出并未給出驅動信號。

將兩個繼電器取下再進行檢測，繼電器卻沒有損壞，再次測量 PCB上的繼電器輸出端 子，短路依然存在，說明導致輸出短路的原因就是來自PCB。再次仔細確認輸出部分，確 信該修復的電路確實已經修復，但是有一段 PCB 走線在輸出接線端子下無法看到，將輸出 接線端子拆下查看，發現這兩個端子接線部分有些發黑，用鋼針輕輕一扎竟然扎進去了， 繼續用鋼針探測終于發現這兩個端子輸出端子間已經嚴重碳化，也就是因為這些碳化的膠 木板導致了輸出短路，同時又不是繼電器接通的阻抗值。將碳化部分完全刨開并去除碳化 部分，竟然出現兩個大坑，由于PCB 為4層板，竟然層間出現擊穿。用絕緣漆把刨開部分 處理完畢，經測試輸出端子已經完全斷開。

PCB碳化的原因是用PLC 的輸出端子直接驅動大功率器件(這兩個端子為外部風機控 制回路),導致 PLC 的輸出端子工作時發熱嚴重從而使PCB 碳化，被碳化的 PCB部分就變 得可以導電，從而出現輸出不可控情況，因此在設計PLC 輸出電路時， 一定要充分考慮驅 動負載的功率，對于大功率器件應采用外部繼電器擴展。

          

實例10    

故障現象：一 臺S7-200(CPU224)PLC 無法存儲用戶應用程序 (PLC   的操作系統“OS”  是正常的),重新下載程序后程序依然丟失。

故障分析與處理：PLC 內部操作系統和應用程序一般是存放在不同的存儲器內的，有 的 PLC 使用了獨立的數據和命令總線，而有的則采用相同的總線，造成此故障的原因也就 不外乎總線故障、存儲器故障、CPU 故障等幾種。遵循從簡到繁的順序，分別檢查了存儲 器、總線驅動、CPU 等部件，故障是由總線驅動故障導致，但是修復總線驅動后依然無法 保存程序，發現應用程序存儲器也損壞，將這些發現的故障全部修復后， PLC  程序讀寫 正常。