PLC控制系统故障分析解决方案

在进行故障分析前，先要对PLC控制系统进行总体检查。根据总体检查找出故障点的大方向，逐渐细化，最后找出具体故障。总体检查的流程图如图4.21所示。

图4.21　总体检查流程图

1.通信故障

西门子S7-200系列PLC最常见的故障在内部RS485接口。S7-200系列PLC内部RS485接口电路图如图4.22所示，图中R1、R2是阻值为10Ω的普通电阻，其作用是防止RS485信号D+和D-短路时产生过电流烧坏芯片，V1、V2是钳制电压为6V、最大电流为10A的稳压二极管，24V电源和5V电源共地未经隔离，当D+或D-线上有共模干扰电压灌入时，桥式整流电路和V1、V2可将共模电压钳制在±6.7V，从而保护RS485芯片SN75176（RS485芯片的允许共模输入电压范围为：-7V～+12V）。该保护电路能承受共模干扰电压功率为60W，保护电路和芯片内部没有防静电措施。

（1）S7-200系列PLC内部RS485接口电路常见故障。当PLC的RS485口经非隔离的PC/PPI电缆与电脑连接、PLC与PLC之间连接或PLC与变频器、触摸屏等通信时会有通信口损坏现象发生，较常见的损坏情况如下：

1）R1或R2被烧断，V1、V1和SN75176完好。这是由于有较大的瞬态干扰电流经R1或R2、桥式整流电路、V1或V1接地，Z1、Z2能承受最大10A电流的冲击，而该电流在R1或R2上产生的瞬态功率为102×10=1000W，当然会将其烧断。

2）SN75176损坏，R1、R2和V1、V2完好。这主要可能是受到静电冲击或瞬态过电压速度快于V1、V2的动作速度造成的，静电无处不在，仅人体模式也会产生±15BS的静电。

3）V1或V2、SN75176损坏，R1和R2完好。这可能是瞬时较高的干扰电压将R1或R2和SN75176击穿造成的，由于这时电流较小、发生时间较短，R1、R2不至于发热烧断。

图4.22　S7-200系列PLC内部RS485接口电路图

由以上分析得知PLC接口损坏的主要原因是瞬态过电压和静电，产生瞬态过电压和静电的原因很多，如由于PLC内部24V电源和5V电源共地，24V电源的输出端子L+、M为其他设备混合供电可能导致地电位变化，从而造成共模电压超出允许范围。所以EIA-485标准要求将各个RS485接口的地信号用一条低阻值导线连接在一起以保证各节点的地电位相等，消除地线环流。当带电插拔未隔离的连接电缆时，由于两端电位不相等电路中又存在很多感性、容性器件，插拔瞬间必然产生瞬态过电压或过电流。连接在RS485总线上的其他设备产生的瞬态过电压或过电流同样会流入PLC，总线上连接的设备站点数越多，产生瞬态过电压的因素也越多。当通信线路较长或有室外架空线时，雷电必然会在线路上造成过电压。

（2）解决办法可以从PLC内部和外部分别考虑如下：

从PLC内部考虑：

1）采用隔离的DC/DC将24V电源和5V电源隔离，三菱、欧姆龙、施耐德PLC以及西门子的PROFIBUS接口均是如此。

2）选用带静电保护、过热保护、输入失效保护等保护措施完善的高档次RS485芯片，如SN65HVD1176D、MAX3468ESA等，这些芯片价格一般在十几元至几十元，而SN75176的价格仅为1.5元。

3）采用响应速度更快、承受瞬态功率更大的新型保护器件TVS或BL浪涌吸收器，如P6KE6.8CA的钳制电压为6.8V，承受瞬态功率为500W，BL器件则可抗击4000A以上大电流冲击。

4）R1和R2采用正温度系数的自恢复保险PTC，如JK60-010，正常情况下的电阻值为5Ω，并不影响正常通信，当受到浪涌冲击时，大电流流过PTC和保护器件TVS（或BL），PTC的电阻值将骤然增大，使浪涌电流迅速减小。

从PLC外部考虑：

1）使用隔离的PC/PPI电缆，尽量不用廉价的非隔离电缆（特别是在工业现场）。

2）PLC的RS485口联网时采用隔离的总线连接器。

3）与PLC联网的第三方设备，如变频器、触摸屏等的RS485口均使用RS485隔离器BH-485G进行隔离，这样各RS485节点之间就没有电的联系，也无地线环流产生，即使某个节点损坏也不会连带其他节点损坏。

4）RS485通信线采用PROFIBUS总线专用屏蔽电缆，保证屏蔽层接到每台设备的外壳并最后接地。

5）对于有架空线的系统，总线上最好设置专门的防雷击设施。

2.CPU进入“STOP”或“ERROR”状态的故障

该状态时，PLC上的“RUN”指示灯灭，“STOP”或“ERROR”指示灯亮。该类故障会导致PLC所控制的设备动作失误、混乱，甚至无任何动作。处理这类故障时应从硬件和软件两个方面考虑。

（1）硬件方面。硬件方面的故障主要是对PLC的干扰造成的，只要消除或减弱干扰即可。这时应将输入线、控制线和动力线分开敷设，防止各类干扰信号窜入总线而使抗干扰能力降低。如果这种方法不起作用就考虑更换PLC。(www.xing528.com)

图4.23　运行故障检查流程图

（2）软件方面。PLC具有很高的可靠性，本身一般不会出现问题，但由于操作错误或其他原因，可导到PLC内部损坏、程序混乱甚至丢失、动作失误等，如RAM供电的电池电量不足总量的15%，外部电路设计存在缺陷造成负载短路或过流，电流干扰脉冲窜入总线，雷电或大功率用电设备造成瞬间电压波动达10%以上，突然跳电，高频电磁干扰等。这类故障的处理方法通常采用软件清除再输入法。运行故障检查流程图如图4.23所示。

3.CPU处于“RUN”状态时的故障

出现这类故障时，PLC上“RUN”指示灯长亮。这类故障的发生只会导致局部设备控制失灵，处理这类故障时要充分利用PLC上I/O模板指示灯状态来分析和处理，通常有输入输出回路和I/O模块两种故障类型。

（1）输入输出回路故障。输入输出回路一般由各类开关、传感器及各类电器元件构成。出现故障时，要检查该部分设备各类开关动作是否正常；检查该部分设备控制回路及主回路有无元器件损坏；了解该部分设备控制程序，参照I/O模块上指示灯状态，依照电气控制电路图检查现场设备是否有工作条件未达到导致设备不能动作等。

（2）I/O模块故障。电源一接通即出现报警，这时需要查看输入输出信号是否正常，如果有异常的输入输出信号，首先要对模块进行测量并与正常时比较，如果发现问题及时更换。同时，为了提高PLC控制系统的使用寿命，可在PLC输出负载上采取相应的保护措施，如增设保险丝等。输入故障检查流程图如图4.24所示。输出故障检查流程图如图4.25所示。

图4.24　输入故障检查流程图

图4.25　输出故障检查流程图

4.电源故障

电源灯不亮，需对供电系统进行检查。如果电源灯不亮，首先检查是否有电，如果有电，检查电源电压是否合适，不合适就调整电源电压，若电源电压合适，则下一步检查熔断器熔丝是否烧毁，如果烧毁就更换熔丝检查电源，如果没有烧毁，检查接线是否有误，若接线无误，则应更换电源部件。电源故障检查流程图如图4.26所示。

5.外部环境影响PLC故障

影响PLC工作的环境因素主要有温度、湿度、噪音与粉尘以及腐蚀性酸碱等。根据实际情况调整环境因素使PLC运行正常。

总之，要快速解决PLC控制系统在使用过程中出现的各类问题，就必须熟练掌握各类编程器（程序软件）的使用，熟悉设备在正常条件下的各类状态信息，并按照正确的故障检测流程并运用有效的故障检测手段进行检测，结合科学的逻辑分析和判断，不断缩小故障查找范围，最终找出故障点。

图4.26　电源故障检查流程图

在实际工作过程中为了避免故障的出现，保证PLC控制系统安全、可靠地运行，最好的方法是定期对PLC进行检查和日常维护。PLC的日常维护和保养比较简单，主要是更换保险丝和锂电池，基本没有其他易损元器件。由于存放用户程序的随机存储器（RAM）、计数器和具有保持功能的辅助继电器等均用锂电池保护，锂电池的寿命大约为5年，当锂电池的电压逐渐降低到一定程度时，PLC基本单元上电池电压跌落到指示灯亮，提示用户注意有锂电池所支持的程序还可保留一周左右，必须更换电池，这是日常维护的主要内容。

调换锂电池的步骤为：

在拆装前，应先让PLC通电15s以上（这样可使作为存储器备用电源的电容器充电，在锂电池断开后，该电容可对PLC做短暂供电，以保护RAM中的信息不丢失）；

断开PLC的交流电源；

打开基本单元的电池盖板；

取下旧电池，装上新电池；

盖上电池盖板。

注意更换电池时间要尽量短，一般不允许超过3min。如果时间过长，RAM中的程序将消失。

此外，应注意更换保险丝时要采用指定型号的产品。