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西门子 PLC 故障处理实例（1）

实例1

故障分析与处理：造成S5 系列PLC 运行中自动停机的主要原因有以下几个方面：

1. 电源部分

①电源波动。西门子公司生产的S5-115U、S5-150U、S5-155U  系列 PLC 电源的模块有直流24V、交流115/230V 等多种型号。其电压允许波动范围 AC 220V 为 - 1 5 % ~  20%;DC24V  为-16%～25%。如此宽松的允许范围，在电源容量足够大的情况下，甚至 不用各种稳压设备即可满足用户使用需求。但是当电源容量有限，有较大负荷设备启动时， 会造成瞬间或短时低电压，且超过允许电压波动范围而造成“死机”。还有一种情况，即电  源模块采用DC    24V,I/O 模块也采用DC24V  电压，而且电源模块和 I/O  模块公用一路直  流电源。当供电线路较长，随着输出模块所带的负荷增加，线路供电电流增大，造成线路 压降超过PLC 允许波动范围时也会造成自动停机。这两种“死机”故障对 PLC 本身及所控  制的设备的危害较严重，尤其是电源模块与I/O  模块公用一路电源时，PLC 开机运行线路 压降造成停机，停机后电压回升，再开机运行，再停机，如此反复会使PLC 带负荷开机， 造成所控制设备的严重损坏，有时会发生不必要的重大人身事故和设备事故。针对上述情 况，若是电源容量不足，应增加供电电源容量或增设稳压设备；若是因为线路压降大，可适当增加导线截面或将电源模块和I/O  模块分开供电。

② 扩展单元上的电源掉电，造成 CPU 停机时QVI 红灯亮，出现这种故障现象时应扩展 单元上的供电电源。

③ AS311 上的24V 直流外接电源电压过低，其值不在20～30V 之间，或电压波动过 大，滤波不良等，不能保证远程通信模块 IM311 中 CPU 正常工作。对于这种原因，要在系 统运行中保持电源电压值在20～30V 之间，可采取24V DC 前加装交流稳压装置或对通信模 块采用24V的 DDZ-Ⅲ5A  直流仪表电源单独供电。  

2. 软件编制方面

S5系列PLC系统软件丰富。应用软件采用程序块结构方式，用户可根据不同的控制来 编制若干功能的程序块，再由组织块调用程序完成全部控制任务。由于编制程序的思路、 风格各异，稍有不慎就会因编制软件的原因造成 PLC 运行中突然自动停机，主要表现在以 下几个方面：

① 程序运行的周期大于用户设定的周期时间，如果因这种原因停机，停机时 CPU 上的 “ZYK”  红灯亮。这种情况可以修改设定时间，或者修改软件，减少周期时间以解决问题。

② 停机时如果是CPU 的 “QVI” 红灯亮，表示 CPU 读入或输出的某些模块的信息，前 后用的时间大于系统规定的时间，这种故障情况由以下几种原因引起。

●离散扩展板306上设定的模块被取下或者某些离散扩展板出现故障；

●替换错误，程序中所有的数据字无定义或被用的功能块参数填错；

●扩展单元上的电源掉电，或扩展板供电电源部分有故障。

上述各种故障的具体处理方法是：在出现某一种故障时，可以在编程器上通过F 、Fg  功能键查找用户地址设定区，看CPU 承认的地址和用户在离散扩展板IM306 上所设定的地 址是否一致，找出原因加以排除。多数情况是由IN306 模块工作不稳定引起的。对于第二 种故障现象，可以查看用户中断堆栈，用F 、Fg或 F 、F。键查找是哪个程序块或数据块的 错误，修改其软件即可解决。

③ 在具有中断管理能力的程序中，循环程序(主程序)与中断服务程序(子程序)中 使用了同一个标志，当从中断服务程序中返回时，就有可能将循环程序中该标志状态改变， 从而造成出错或不必要的停机故障，解决的办法是修改软件。

④ 程序编制有逻辑错误，致使程序进入死循环而退不出来；或使用了非法语句。应纠 正编程中的错误。

3. 硬件配置方面

在工业生产过程控制中选用S5-150U 和 S5-155U  机型所构成的控制系统，极易出现 自动停机现象，原因是这两种机型为裸板结构，这样对导电粉尘的要求要比S5-115U  系列 的指标高。因此在使用S5-155U  和 S5-150U 两种机型时，要充分考虑到该机型对工作环 境的要求，以减小导电粉尘对 PLC 正常运行的影响。可在PLC柜设计中采用正压技术。    

在生产现场往往还会出现时有时无的故障，有时在停机后，采用冷启动就能奏效；有 时必须重新传送程序(用编程器将复制的程序覆盖PLC 原程序)方能奏效。这种情况一般 都是软件问题，只要进行必要的技术操作即可排除故障。否则是硬件的问题，可从两个方 面去分析：一是由于现场环境差，长时间运行，模块插槽处积灰太多，再加上机械振动造 成接触不良，致使 CPU 运行出错而停机；二是CPU 出了故障或是其他模块损坏，此时可通 过编程器使用“中断堆栈” (ISTACK)   功能扫描操作系统的各种“分析位”,确定中断停 机的故障原因及地址。如果信息提示故障原因来自I/O 方面，可以将I/O  模块及 CPU 模块 拆下吹扫并清洗底版插槽，重新安装，再启动，往往故障可以排除。若故障仍未排除，则 应用替换法检查 CPU 模块或I/O 模块。

实例2

故障分析与处理：S7-200 系列 PLC内部 RS485 接口电路图如图4-25 所示。在图4-25 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 电流损坏芯片；Z1 、Z2 是钳制电压为6V,  大电流为10A 的齐纳二极管；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，由桥式整流电路和Z1 、Z2 可将共模电压钳制在±6.7V,  从而保护 RS485 接口的 SN75176 芯片 (RS485 芯片的允许共 模输入电压范围为：-7～12V) 。该保护电路能承受的共模干扰功率为60W,  保护电路和 芯片内部没有防静电措施。

 图4 - 25  西门子S7-200 PLC        内部RS485接口电路图

当 PLC的 RS485 口经非隔离的 PC/PPI  电缆与计算机连接、PLC 与 PLC  之间连接或 PLC 与变频器、触摸屏等通信时，较常见的通信口损坏故障现象有：

① R1 或 R2 被损坏，Z1 、Z2 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、Z1 或 Z2 到地， Z1 、Z2 能承受大10A电流的冲击，而该电流在 R1 或 R2 上产生的瞬态功率为100×10=1000 (W),    当然会将其损坏。    

② SN75176 损坏， R1 、R2 和 Z1 、Z2 完好。这主要是受到静电冲击或瞬态过电压速度 快于Z1 、Z2 的动作速度造成的，静电无处不在，人体也会产生±15kV 的静电。

③ Z1 或 Z2、SN75176 损 坏 ，R1 和 R2 完好。这可能是因于高电压低电流的瞬态干 扰电压将Z1 或 Z2 和 SN75176 击穿，由于电流较小且发生时间较短， R1 、R2  不至于发 热损坏。

由以上分析得知，PLC的 RS485 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也较复杂，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  许范围等。所以 RS485 标准要求将各个 RS485 接口的信号地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，电路中又存在诸多电感、电 容之类的器件，插拔瞬间必然产生瞬态过电压或过电流。基于此考虑，在进行通信接头插 拔的时候，应尽量使设备处于断电状态。

② 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。若使用不带故障保护的芯片，如SN75176, 可在软件上作一些处理，从而避免通 信异常。即在进入正常的数据通信之前，由主机预先将总线驱动为大于200mV,  并保持一 段时间，使所有节点的接收器产生高电平输出。这样，在发出有效数据时，所有接收器均 能够正确地接收到起始位，进而接收到完整的数据。

③ R1 和 R2 采用正温度系数的自恢复PTC 电阻，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电阻和保护器件TVS ( 或 BL),PTC    电阻的电阻值将骤然增大，使浪涌电流迅速减小。    

应在 PLC外部采取的措施有：

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)。西门 子公司早期出产的PC/PPI  电 缆 ( 6ES7901-3BF0O-OXA0)     是不隔离的，现在也改成了隔 离的电缆。

② PLC 的 RS485 口联网时采用隔离的总线连接器，如 PFB-G,  速率为0～1.5Mb/s 自 动适应，外形和使用方法与西门子非隔离的总线连接相同。

③ 与 PLC 连网的第三方设备，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 节点之间就无“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 并后接大地。

⑤ 对于有架空线的系统，总线上好设置专门的防雷击设施。

良好的接地是 PLC安全可靠运行的重要条件，对于工业通信网络更是如此。在工业通  信网络中，至少有三种分开的地线，通过一点接地。种是低电平电路地线(即信号地  线),包括数字地、模拟地、信号地和直流地等；第二种是噪声地线，即继电器、电动机、 高功率电路的地线；第三种是机壳接地点，机械外壳、机身、机架、底板使用，此地  线应该和交流电源的地线相接。交流电源地线应和保护地线相连，以避免因公共地线各点  电位不均而产生的干扰。

实例3

故障分析与处理：检查后认为程序出错，将EPROM 卡插入PLC 中，复制程序，完成 后重启，故障依旧。由于程序不大，逐条把 EPROM 上的程序读出，与手册上的指令核对后 发现完全一样，重复复制无效后，初步判断为 PLC硬件故障。用 PG 将备份程序调出，与EPROM上的程序进行比对，结果语句指令表相同，但程序存放地址发生了变化。修改程序 存放地址，把备份程序发送到 PLC后 ，PLC 运行正常。

实例4

故障分析与处理：根据故障现象，采用替换法更换 CPU模块后， PLC 运行正常。但故 障灯仍然不停闪烁，判断为通信接口板故障，更换了通信接口板后，PLC 恢复正常。

实例5

故障现象：一 台S7-200PLC   的15.4无输入，导致 Q7.0 无输出。

故障分析与处理：根据故障现象首先检查15.4端输入回路，15.4端输入为接近开关， 但接近开关信号经信号转换器至PLC 输入模块，检查后发现信号转换器和接近开关同时损  坏。更换接近开关、信号转换器后，上电运行，系统恢复正常。

实例6

故障分析与处理：根据故障现象可基本判断是系统出现冗余故障造成外部故障，解决 方式是将两个 PLC 的模式选择开关都拨到 STOP 位置，然后将 CPUl模式选择开关扳到 RUN  位置，待RUN绿灯亮， STOP 黄灯灭后，再将 CPUO模式选择开关扳到 RUN 位 置 ，RUN 绿 灯闪烁后灭， STOP 黄灯一直亮，故障无法排除。系统下电前有一输入变量被强制，现在 FRCE (强制)黄灯亮，将该输入点的强制取消(两CPU),FRCE    黄灯灭后，再次将状态 为STOP的 CPUO 模式选择开关按 RUN→STOP→RUN顺序依次扳动，CPUO 的 RUN 绿灯亮， 黄灯灭，这时两CPU都为 RUN绿 灯 ，REDF  (冗余故障)和 EXTF (外部故障)灯都灭， 故障得以排除。

实例7    

故障分析与处理：根据故障现象可初步判断为同步模块故障造成冗余故障，引起外部 故障灯亮。解决方式是先检测是哪个部位出现问题。方法是对调CPUl 控制的FM2 和 CPUO 控制的FM2,  结果发现 CPUO 的 FM2LINKOK 灯灭；再将 CPUO 的 FM2 和 CPUO 的 FMI 对 调，4个LINKOK 指示灯的状态没有变化，由此判断CPUO的 FMI 和 FM2 无问题，然后将 CPU1 的 FMI和 FM2对调，结果发现 CPUO 的 FMILINKOK 灯灭，到此通过不同的对调检测 可以判断出 CPUO 控制的FMI 卡存在问题。更换FMI卡后， PLC 中故障指示灯立即熄灭，4 个 LINKOK 指示灯均为绿色亮，表明系统恢复正常，故障得以排除。

此外，S7-400H 冗余数字输入模块差异也是常见问题。实际上在PI   (输入的过程映 像)中，冗余数字输入的后一个均值有效，直至错误定位。在出现差异时，被CPU 识别为故障的模块处于钝化状态，此时处于非钝化状态下模块的值为有效，此后错误不再可以 被识别，因为在非钝化模块上的信号总是被 CPU 以正确的信号予以接受。为确保故障数字 输入模块的本地化，可以通过I/O 类型互连和FLF  (故障本地化)来解决。

实例8

故障分析与处理：根据故障现象，首先按照一般烧毁通信的检查方法进行检查和测试。检查后发现，由于RS485 通信PCI 扩展卡未采用光电隔离技术，PCI 扩展卡在烧毁的同时板 上很多器件已经损坏， PLC由于采用了电隔离技术情况稍好，但是通信回路、电源部分已  经烧毁。

将损坏的器件全部更换，并使用必要的技术手段将 PLC 程序上载保存，编写一个测试 程序对 PLC 进行测试，用于检测 PLC 是否正常。经过测试 PLC 运行正常，通信功能也已经 修复。    

因PCI 扩展卡没有采用电隔离技术，在发生烧毁时由于电气上未进行有效隔离，烧毁 情况比较严重。由于烧毁的器件里未包含CPU  (如果 CPU 被烧毁则应直接放弃维修),经 修复后，将 PCI扩展卡插入计算机的 PCI接口进行测试，功能也恢复正常。

在现场进行通信设计或扩展时，由于现场条件复杂、 一般情况下干扰也非常严重、 工作电源不稳定等诸多不利因素，现场设计的电路必须采取必要的保护措施，特别是通  信电路更应该采用隔离技术，以免发生故障时导致故障范围扩大化，甚至到达无法修复 的程度。

实例9

故障分析与处理：将 PLC 拆下检测，发现这两个输出端子在上电后确实导通，但是输 出继电器又不像是已经接通，阻抗变为300～500Ω。为了验证继电器和驱动电路是否损坏， 详细跟踪了继电器输出驱动电路，发现这两个继电器的输出并未给出驱动信号。

将两个继电器取下再进行检测，继电器却没有损坏，再次测量 PCB上的继电器输出端 子，短路依然存在，说明导致输出短路的原因就是来自PCB。再次仔细确认输出部分，确 信该修复的电路确实已经修复，但是有一段 PCB 走线在输出接线端子下无法看到，将输出 接线端子拆下查看，发现这两个端子接线部分有些发黑，用钢针轻轻一扎竟然扎进去了， 继续用钢针探测终于发现这两个端子输出端子间已经严重碳化，也就是因为这些碳化的胶 木板导致了输出短路，同时又不是继电器接通的阻抗值。将碳化部分完全刨开并去除碳化 部分，竟然出现两个大坑，由于PCB 为4层板，竟然层间出现击穿。用绝缘漆把刨开部分 处理完毕，经测试输出端子已经完全断开。

PCB碳化的原因是用PLC 的输出端子直接驱动大功率器件(这两个端子为外部风机控 制回路),导致 PLC 的输出端子工作时发热严重从而使PCB 碳化，被碳化的 PCB部分就变 得可以导电，从而出现输出不可控情况，因此在设计PLC 输出电路时， 一定要充分考虑驱 动负载的功率，对于大功率器件应采用外部继电器扩展。

实例10    

故障分析与处理：PLC 内部操作系统和应用程序一般是存放在不同的存储器内的，有 的 PLC 使用了独立的数据和命令总线，而有的则采用相同的总线，造成此故障的原因也就 不外乎总线故障、存储器故障、CPU 故障等几种。遵循从简到繁的顺序，分别检查了存储 器、总线驱动、CPU 等部件，故障是由总线驱动故障导致，但是修复总线驱动后依然无法 保存程序，发现应用程序存储器也损坏，将这些发现的故障全部修复后， PLC  程序读写 正常。