常见PLC故障及维修方法

目前,采用可编程控制器(PLC)进行运行控制的机电设备越来越多。 PLC 实质上是一种专用计算机,它的结构形式与计算机相同,由中央处理单元CPU、存储器、输入/输出(I/O)模块及编程器等组成。 有资料表明,PLC 控制系统中发生故障的比例为:CPU 及存储器占5%,I/O 模块占15%,传感器和开关占45%,执行装置占30%,接线等其他方面占5%。 由此可见,PLC 常见故障分为功能性故障和硬件部分故障两大类,且硬件部分故障占80%以上。

PLC 硬件部分包括外围线路、电源模块、I/O 模块等,其中外围线路由现场输入信号(如按钮开关、选择开关、行程开关及其一些传感器输出的开关量、中间继电器输出触点或经模数转换的模拟量等)和现场输出信号(如电磁阀、继电器、接触器、电热器、电变换器和电机等),以及一些导线、接线端子及接线盒等组成。 硬件部分常见故障有:

(1）元器件损伤

在控制系统回路中一旦发生元器件损伤,PLC 控制系统就会自动停止工作,因此,应尽快查清故障元件并予以更换。 一般维修中只需更换同样的元器件即可,但是实际中,常常发生短时间无法找到同样元器件的情况,此时,应采用元器件替换法,将损坏的元器件替换下来,以减少设备的故障停机时间,进行元器件替换时,应按照以下原则操作。

1)电阻器的替换

在数字电路中,通常对电阻阻值范围的要求不高,替换的电阻器只要满足额定功率的要求即可,一般采用较多的是金属膜电阻。 但是,在振荡、定时、分压等电路中,应采用精密电阻,以使电阻值与元器件精度相适应。

2)电容器的替换

进行电容器替换时,首先应考虑电容的标称容量和耐压,而电容介质材料对替换并无太大影响。 在振荡、定时、带通滤波等电路的电容器替换时,应严格遵守同等容量电容器替换这一原则;在其余电路中,对电容容量的要求均不高,可采用相近容量的电容替换。 滤波电容的容量要求更宽一些。 电解电容的替换,要注意耐压正负极性。

3)半导体元器件的替换

半导体元器件一般应尽量选择同一型号的产品进行替换。 若不能满足这一要求时,可通过器件手册查找元器件的主要参数,选择替代品。 替代品应满足下述四个条件:

①材料相同,即锗-锗、硅-硅替代;

②极性相同,即PNP-PNP、NPN-NPN 替代;

③种类相同,即三极管-三极管、场管效应-场管效应替代;

④特性相同,即最大直流耗散功率Pcm应大于或等于原器件的Pcm,且应大于原器件的实际功耗Pc;最大允许直流电流Icm应大于原损坏件的Icm,且应大于实测电流Ic;在最高耐压方面,替代元器件的几个主要参数(如晶体管的UCBO,UCEO,UBEO等)应大于原器件;频率特性的主要参数(如ft 或fab),应大于或等于原器件。

在进行半导体元器件的替代时,还应注意以下三点:

①半导体元器件较难拆卸,故拆卸时注意不要损坏相邻元器件。

②拆下的元器件要再次确认是否损坏,且应记录各电极的位置。

③由于同一型号元器件的性能相差较多,即使是同一厂家也不例外,因此,在以元器件手册为准选定替换件后,还应进行实测,以确定其性能是否符合要求。

4)集成电路的替换

①数字集成电路。 由于数字集成电路已经标准化,因此只要系列、序号相同,各制造厂商的产品均可替换。 在TTL 电路中,当工作电压为﹢5 V 时,各系列可互换,但在速度上一般以高代低。 若以低代高时,应考虑能否满足线路要求。 在CMOS 电路中,应同时考虑速度和工作电压两个指标。

②模拟集成电路最好采用同一厂家、同一型号的器件予以替换。 一般不同厂商制造的器件,在型号字头相同、序号相同时可以替换,有些器件虽然型号字头不同,但序号相同的也可替换。 在寻找替换器件时,应根据器件手册提供的特性参数查找同类品和类似品。

(2）端子接线接触松动

外围线路中经PLC 控制系统的控制柜或操作面板(台)到输入(输出)部件,往往需经接线端子或中间接线盒,由于使用中的振动等原因,接线或元器件接头易产生松动引起故障。这类故障排除的方法是使用万用表,借助系统原理图或逻辑梯形图进行维修。 对一些重要部件端子接线,为保证连接可靠,可采用焊接方法。

(3）PLC 功能性故障(https://www.xing528.com)

1)PLC 受干扰引起的故障

PLC 受干扰将会影响系统信号,造成控制精度降低、PLC 内部数据丢失、机器误动作,严重时可能发生人身设备事故。 采取相应的技术措施,增强PLC 系统抗干扰能力是很有必要的。

干扰有外部干扰和内部干扰。 在现场环境中外部干扰是随机的,与系统结构无关,只能针对具体情况对干扰源加以限制;内部干扰与系统结构有关,通过精心设计系统线路或系统软件滤波等处理,可使干扰得到最大限度的抑制。 PLC 生产现场的抗干扰技术措施,通常从接地保护、接线安排、屏蔽和抗噪声等方面着手考虑。

对供电系统中的强电设备,其外壳、柜体、框架、机座及操作手柄等金属构件必须保护接地;PLC 内部电路包括CPU、存储器和其他接口共接数字地,外部电路包括A/D、D/A 等共接模拟地,并用粗短的铜线将PLC 底板与中央接地点星形连接防噪声干扰。 PLC 非接地工作时,应将PLC 的安装支架容性接地,以抑制电磁干扰。

在PLC 系统中,导线主要有PLC 和负载电源线,交流电压的数字量信号线,直流电压的数字量信号线,模拟量信号线等。 根据接线的功能,其防干扰措施如下:

①电气柜内的接线安排

只有屏蔽的模拟量输入信号线才能与数字量信号线装在同一电缆槽;直流电压数字量信号线和模拟量信号线不能与交流电压线同在一电缆槽内,只有屏蔽的220 V 电源线才能与信号线装在同一槽内;电气柜进出口的屏蔽一定要接地。

②电气柜外的接线安排

直流和交流电压的数字量信号线和模拟量信号线(要用屏蔽电缆)一定要各自用独立的电缆;信号线电缆可与电源电缆同装在一电缆槽内,但为改进抗噪性,建议将它们间隔10 cm。

③屏蔽

a.PLC 机壳屏蔽。 一般将机壳与电气柜浮空,在PLC 机壳底板上加装一块等位屏蔽板,保护地与底板保持一点连接,使用铜导线,其截面积不少于10 mm2,以构成等位屏蔽板,有效地消除电磁场的干扰。

b.电缆屏蔽。 一般对载送小信号(mV 或μV)的模拟量信号线,要将其电气柜内电缆屏蔽体的一端连接到屏蔽母体;数字量信号线,屏蔽不超出屏蔽母体;对模拟量信号的屏蔽总线可绝缘,并将中央点连到参考电位或地;数字量信号线的电缆两端接地,可保证较好地排除高频干扰。

④抗噪声的措施

对处于强磁场(例如变压器)的部分进行金属屏蔽,电控柜内不采用荧光灯具照明。 此外,PLC 控制系统电源也应采用相应的抗干扰措施。 因为PLC 控制系统电源一般都是220 V市电,市电电网的瞬变过程是经常发生的,电源波动大的感性负载或晶闸管装置的切换,很容易造成电压缺口或毛刺,如直接供电给PLC 及I/O 模板,将引起不良后果。 PLC 控制系统电源抗干扰的方法有采用隔离变压器、低通滤波器及应用频谱均衡法等三种。 其中,隔离变压器是最常用的,因为PLC、I/O 模板电源常用DC/24 V,须经隔离变压器降压,再经整流桥整流供给。

2)PLC 周期性死机

PLC 周期性死机的特征是:PLC 每运行若干时间就出现死机,程序混乱,出现不同的中断故障显示,重新启动后又一切正常。 现场实践认为,长时间的积灰是造成PLC 周期性死机的最常见原因,应定期对PLC 机架插槽接口处进行清扫。 清扫时,可先用压缩空气或“皮老虎”将控制板上、各插槽中的灰尘吹净,再用95%酒精洗净插槽及控制板插头。 清扫完毕后细心组装,恢复开机便能正常运行。

3)PLC 程序丢失

PLC 程序丢失通常是由于接地不良、接线有误、操作失误和干扰等几个方面的原因造成的。

①PLC 主机及模块必须有良好的接地,通常采用的是主机外壳与开关柜外壳连接的接地方式,当出现接地不良时,应考虑改用多股铜芯线,采用从主机接地端子直接与接地装置引线端连接的接地方式,确保良好的接地。 此外,还应注意保证I/O 模块24 V 直流电源负极有良好的接地。

②主机电源接线端子相线必须接线正确,不然也会出现主机不能启动、时常出错或程序丢失的现象。

③为防止程序丢失,需准备好程序包,一个完好的程序需提前打入程序包,以备急需。

④使用编程器查找故障时,应将锁定开关置于垂直位置,拔出时可起到保护内存的功能。如果要断开PLC 系统电源,则应先断开主机电源,然后再断开I/O 模块电源;如果先断开I/O部分电源或I/O 部分和主机电源同时断开,则会使断电处理时存入不正确的数据而造成程序混乱。

⑤由于干扰的原因造成PLC 程序丢失,其处理方法可参照PLC 受干扰引起故障的处理,尽可能地抑制和削弱干扰。