西門子S7-300 PLC的故障分析案例

大家好，本周又為大家?guī)砹?a href="http://wenjunhu.com/tags/西門子/" target="_blank">西門子楊工在工作現(xiàn)場處理的真實案例了，這次楊工來到了另外一個客戶的現(xiàn)場，客戶所在的行業(yè)是機(jī)電行業(yè)。

該現(xiàn)場使用的是西門子的S7-300的PLC，該項目運(yùn)行了一年多，一直有問題，但最近出現(xiàn)問題比較頻繁，現(xiàn)象是每天從CPU第一次上電運(yùn)行，大概30分鐘后，開始出現(xiàn)停機(jī)的情況，停機(jī)時 SF、STOP燈亮。此時只能通過手動復(fù)位，CPU才能恢復(fù)運(yùn)行。而之后，該現(xiàn)象將隨時出現(xiàn)，并且越來越頻繁，甚至有時幾乎每個程序周期都會停機(jī)，因此嚴(yán)重影響了用戶的生產(chǎn)。

根據(jù)故障情況，楊工初步懷疑是現(xiàn)場存在電磁干擾。因此楊工決定奔赴現(xiàn)場對問題進(jìn)行定性并決定最終處理方案。到現(xiàn)場后，楊工首先觀察PLC運(yùn)行的情況。楊工發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場采用的是西門子S7-314C-2PN/DP的CPU，在運(yùn)行過程中會出現(xiàn)系統(tǒng)故障，但能夠自動消失（圖1）。?

圖1：PLC報系統(tǒng)故障

之后，楊工觀察了故障出現(xiàn)的情況，發(fā)現(xiàn)該故障的出現(xiàn)是有規(guī)律的：當(dāng)Q5.4動作時，該SF燈會亮，當(dāng)Q3.4動作時，該SF燈消失。因此，楊工懷疑是程序出現(xiàn)問題。通過讀取在線診斷信息，發(fā)現(xiàn)CPU報BCD碼轉(zhuǎn)換故障（圖2）。?

圖2：CPU在線診斷信息報BCD碼轉(zhuǎn)換故障

經(jīng)過與編程人員的交流，發(fā)現(xiàn)是上位機(jī)的某時間參數(shù)設(shè)定超限。該參數(shù)設(shè)計設(shè)定值范圍應(yīng)為0～99，但現(xiàn)場設(shè)定為100，因此程序每次運(yùn)行至此都會報BCD碼轉(zhuǎn)換故障，并導(dǎo)致SF燈亮，而當(dāng)該部分程序運(yùn)行結(jié)束后，故障就會消失。

將該值改為0～99 之間的任意值后，SF燈不再點(diǎn)亮，該系統(tǒng)故障不再出現(xiàn)。這是楊工在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的第一個故障，但這個故障并沒有導(dǎo)致現(xiàn)場設(shè)備停機(jī)。

之后隨著楊工繼續(xù)觀察，大概經(jīng)過了1個小時后，突然出現(xiàn)了一次停機(jī)故障?，F(xiàn)象就是CPU停機(jī)時，SF燈和STOP燈亮，同時5V燈亮（圖3）。?

圖3：CPU停機(jī)

此時，只能將CPU上的撥碼開關(guān)撥至STOP位置再重新?lián)芑豏UN位置，CPU才可以正常重啟。楊工在線檢查CPU的診斷信息后發(fā)現(xiàn)，此時CPU報的是IO模板丟失的故障（圖4）。

圖4：在線診斷信息

從診斷信息情況看，應(yīng)該是CPU在瞬間無法識別其模板，導(dǎo)致CPU進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)。由于現(xiàn)場的電氣柜內(nèi)有較多的繼電器和接觸器（圖5），因此楊工懷疑是由于這些感性負(fù)載動作時產(chǎn)生的干擾導(dǎo)致了CPU從而導(dǎo)致了停機(jī)，因此楊工對CPU的電源進(jìn)行了檢測。

圖5：柜內(nèi)安裝了繼電器和接觸器

通過波形，可以看到在CPU的24V電源線上，隨著設(shè)備的動作，能夠檢測到有高頻干擾的存在，其中有的信號較強(qiáng)（圖6）。

圖6：在24V電源線上檢測到的共模干擾

同時，在柜內(nèi)，楊工發(fā)現(xiàn)了一塊鍍鋅板（圖7）。楊工估計該鍍鋅板是用于系統(tǒng)接地的，但實際情況是，并沒有任何的PLC系統(tǒng)接地線連到該鍍鋅板上，也沒有發(fā)現(xiàn)該鍍鋅板接到外部的“地”（圖7）。

為了減小感性負(fù)載對PLC的沖擊，楊工將PLC的安裝底板與該鍍鋅板相連接，同時將該鍍鋅板連接到外部的金屬結(jié)構(gòu)上（圖7）。?

圖7：PLC 做了接地處理

為此，現(xiàn)場進(jìn)行了一系列的改動和布線、接線工作。但隨后楊工發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)接了“地”之后，CPU運(yùn)行一段時間，依然出現(xiàn)停機(jī)現(xiàn)象。然后楊工又檢測了PLC系統(tǒng)220V電源線上的干擾情況，果然發(fā)現(xiàn)干擾信號依然存在（圖8）。?

圖8：PLC220V電源線上的干擾

由于楊工已經(jīng)將系統(tǒng)進(jìn)行了接地處理，那么該干擾信號是怎么進(jìn)入到電源的呢？楊工進(jìn)一步檢測了CPU 的M端與PE之間的電阻，發(fā)現(xiàn)該CPU的M端與PE之間存在電阻值（圖9）。并且該值在0～6M歐之間跳變。

圖9：檢測CPU的M與PE之間存在電阻

但314C系列的CPU的24V電源M端與PE端在內(nèi)部應(yīng)該是短接的，因此該電阻值是不應(yīng)該存在的?，F(xiàn)場剛好還有一個同樣類型的CPU，楊工對另外一塊CPU進(jìn)行了檢測了，發(fā)現(xiàn)該CPU的電源M端對PE之間的電阻值為0歐姆。因此，這就意味著，出現(xiàn)停機(jī)現(xiàn)象的CPU本身也已經(jīng)存在一些問題。

由于現(xiàn)場出現(xiàn)跳停大概要30分鐘左右，因此楊工每次需要觀察到底是什么情況下該CPU會停機(jī)都得將近1個小時，而且每次停機(jī)的情況都不同，很難發(fā)現(xiàn)規(guī)律。但通過一段時間的觀察，楊工發(fā)現(xiàn)：當(dāng)設(shè)備的某個關(guān)料閥動作的時候，PLC比較容易停機(jī)，而且?guī)缀趺看瓮C(jī)都是發(fā)生在該關(guān)料閥到位的時刻。而該閥對應(yīng)了一個接觸器，當(dāng)閥體關(guān)到位時，該接觸器會斷開（圖10）。?

圖10：控制關(guān)料閥的接觸器?

由于關(guān)料閥動作的同時，其液壓系統(tǒng)電機(jī)會啟動，因此，楊工懷疑是電機(jī)電纜布線不規(guī)范導(dǎo)致其對系統(tǒng)的220V電源電纜產(chǎn)生了干擾，因此楊工將該電機(jī)電纜從線纜溝里找出來，單獨(dú)進(jìn)行了布線，遠(yuǎn)離了供電電源電纜，從而避免了電纜之間的干擾，但隨后楊工發(fā)現(xiàn)，CPU依然會停機(jī)?。?！因此，該干擾不是來自于電機(jī)電纜的，應(yīng)該還有別的原因。

為此，楊工再次對柜內(nèi)的接觸器動作的時刻的波形進(jìn)行了檢測。由于該接觸器并沒有配備浪涌吸收回路，因此在接觸器動作的時刻，都會出現(xiàn)脈沖干擾，而且有時干擾脈沖的幅值還非常的高(>20V)，但每次的干擾脈沖大小并不相同。是否是這些干擾導(dǎo)致CPU的停機(jī)呢？于是楊工對該干擾脈沖進(jìn)行了檢測。

通過一段時間的觀察，楊工發(fā)現(xiàn)：由于柜內(nèi)安裝了較多的接觸器和繼電器，因此從示波器上可以看到很多干擾脈沖，并且幅值也并不相同。由于楊工此刻重點(diǎn)關(guān)注的是連接關(guān)斷閥的接觸器，因此楊工在每次該接觸器斷開時都會格外注意示波器的屏幕，但楊工發(fā)現(xiàn)，盡管該接觸器的負(fù)載最大，但并不是每次的干擾幅值都是最高的，而有時屏幕上也會出現(xiàn)一些幅值很高的干擾脈沖，但此時最大的接觸器卻并沒有動作。并且系統(tǒng)停機(jī)時，屏幕上并沒有出現(xiàn)很高的干擾脈沖。這就意味著--柜內(nèi)每個接觸器或者繼電器動作時，都有可能導(dǎo)致CPU停機(jī)。

但這與楊工觀察到的情況似乎有有些矛盾，因為楊工逐漸發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)確實是在關(guān)斷閥體的時候容易停機(jī)，盡管不是每次動作都停機(jī)，但每次停機(jī)幾乎都是系統(tǒng)的關(guān)料閥動作到位時發(fā)生的。但為什么停機(jī)時沒有看到最大的干擾脈沖出現(xiàn)呢？帶著疑問，楊工進(jìn)行了多次的測試，直到有一次，楊工看到CPU停機(jī)的時刻，剛好是接觸器斷開的瞬間，同時在示波器上發(fā)現(xiàn)楊工也發(fā)現(xiàn)了一個非常大的干擾脈沖（圖11）。

圖11：CPU停機(jī)的瞬間檢測到該脈沖

至此，楊工終于看到了該斷路器斷開的瞬間，出現(xiàn)了較大的干擾脈沖，導(dǎo)致CPU停機(jī)。原來，最終還真是這一個接觸器引起了系統(tǒng)停機(jī)等等一系列的故障。當(dāng)然，根據(jù)楊工建議，現(xiàn)場將該接觸器外面增加吸收回路后，問題得到徹底的解決。

但這里有個問題，就是為何停機(jī)時示波器并不是每次都能抓到最大的干擾脈沖？楊工的分析，認(rèn)為應(yīng)該是由于設(shè)備動作時，并不見得每次都能產(chǎn)生最大的干擾；另外，系統(tǒng)干擾可能是一個累積的過程，由于之前感性設(shè)備斷開時產(chǎn)生的干擾沒有能及時的釋放掉，因此甚至隨后的一個很小的干擾也會最終導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)問題。

通過這個現(xiàn)場出現(xiàn)的問題，楊工幫我們工友總結(jié)出以下兩點(diǎn)，是現(xiàn)場檢測環(huán)節(jié)中比較關(guān)鍵的要素：

1.自動化現(xiàn)場的接觸器、繼電器等帶感性負(fù)載線圈的設(shè)備必須增加浪涌吸收回路。

2.現(xiàn)場電氣系統(tǒng)必須接地。

編輯：黃飛

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