S7-1500 PLC的故障诊断技术

自动化工程技术

一般PLC的故障主要是由外部故障或内部错误造成。外部故障是由外部传感器或执行机构故障等引发PLC产生故障，可能会使整个系统停机，甚至烧坏PLC。
而内部错误是PLC内部的功能性错误或编程错误造成的，可以使系统停机。S7-1500 PLC具有很强的错误（或称故障）检测和处理能力，CPU检测到某种错误后，操作系统调用对应的组织块，用户可以在组织块中编程，对发生的错误采取相应的措施。对于大多数错误，如果没有给组织块编程，出现错误时CPU将进入STOP模式。

1.1　引发PLC故障的外部因素
（1）外部电磁感应干扰
PLC外部存在干扰源，通过辐射或者电源线侵入PLC内部，引发PLC误动作，或者造成PLC不能正常工作或者停机，严重时，甚至烧毁PLC。常见的措施如下。
①PLC周围有接触器等感性负载，可加冲击电压吸收装置，如RC灭弧器。
②缩短输入和输出线的距离，并与动力线分开。
③模拟量、通信线等信号应采用屏蔽线。线路较长时，可以采用中继方式。
④PLC的接地端子不能和动力线混用接地。
⑤PLC的输入端可以接入滤波器，避免从输入端引入干扰。

（2）外部环境
①对于振动大的设备，安装电柜需要加橡胶垫等防振垫。
②潮湿、腐蚀和多尘的场合容易造成生锈、接触不良、绝缘性能降低和短路等故障。这种情况应使用密封控制柜，有时还要采用户外型电器等特殊电器。
③对于温度高的场合，应加装排风扇，过高的场合则要加装空调。温度过低场合则要加装加热器。

（3）电源异常
主要有缺相、电压波动、停电等，这些故障多半由风、雪和雷电造成。常见措施如下。
①直接启动电机而造成回路电压下降，PLC回路应尽量与其分离。
②PLC的供电回路采用独立的供电回路。
③选用UPS供电电源，提高供电可靠性和供电质量。

（4）雷击、感应电
雷击、感应电形成的冲击电压有时也会造成PLC损毁。常见措施如下。
①在PLC的输入端加压敏电阻等吸收元件。
②加装浪涌吸收器或者氧化锌避雷器。

1.2　PLC的故障类型和故障信息
（1）PLC故障类型
PLC控制系统的硬件包括电源模块、I/O模块、现场输入/输出元器件，以及一些导线、接线端子和接线盒。
PLC控制系统的故障是PLC故障和外围故障的总和。外围故障也会造成PLC故障。PLC控制系统的故障也可分为软件故障和硬件故障，其中硬件故障占80%。
PLC控制系统的故障分布如下：
CPU模块故障占5%；
单元故障占15%；
系统布线故障占5%；
输出设备故障占30%；
输入设备故障占45%；
控制系统故障中，20%是由恶劣环境造成，80%是由用户使用不当造成的。

（2）PLC控制系统故障的分布与分层
PLC的外设故障占95%，外设故障主要是继电器、接触器、接近开关、阀门、安全保护、接线盒、接线端子、螺纹连接、传感器、电源、电线和地线等。
PLC自身故障占5%，其中90%为I/O模块的故障，仅有10%是CPU模块的故障。首先将故障分为三个层次，第一层（是外部还是内部故障），第二层（是I/O模块还是控制器内部），第三层（是软件还是硬件故障）。
①第一层　利用PLC输入、输出LED灯判断是否为第一层故障。
②第二层　利用上位监控系统判断第二层次的故障，例如：I0.0是输入，显示为ON，Q0.0显示为ON，表示输入和输出都有信号，但PLC无输出，则判断PLC的外围有故障。
③第三层　例如清空PLC中的程序，下载一个最简单的程序到PLC中，如PLC正常运行，则大致判断PLC正常。

（3）PLC控制系统最易发生故障的部分
①电源和通信系统　PLC的电源是连续工作的，电压和电流的波动造成冲击是不可避免的，据IBM统计大约有70%以上的故障，归根结底源自工作电源。
外部的干扰是造成通信故障的主要原因，此外经常插拔模块，印刷电路板的老化和各种环境因素都会影响内部总线通信。
②PLC的I/O端口　I/O模块的损坏是PLC控制系统中较为常见的，减少I/O模块的损坏首先要正确设计外部电路，不可随意减少外部保护设备，其次对外部干扰因素进行有效隔离。
③现场设备　现场设备的故障比较复杂，不在本书讲解范围。

1.3　PLC故障诊断方法
（1）PLC故障的分析方法
通常全局性的故障一般会在上位机上显示多处元件不正常，这通常是CPU、存储器、通信模块和公共电源等发生故障。PLC故障分析方法如下。
①根据上位机的故障信息查找，准确而且及时。
②根据动作顺序诊断故障，比较正常和不正常动作顺序，分析和发现可疑点。
③根据PLC的输入/输出口状态诊断故障。如果是PLC自身故障，则不必查看程序即可查询到故障。
④通过程序查找故障。

（2）电源故障的分析方法
PLC的电源为DC24V，范围是24V±5%，而电源是AC220V，范围是220V±10%。
当主机接上电源，指示灯不亮，可能的原因有：如拔出+24V端子，指示灯亮，表明DC负载过大，这种情况，不要使用内部24V电源；如拔出+24V端子，指示灯不亮，则可能熔体已经烧毁，或者内部有断开的地方。
当主机接上电源，指示灯POWER闪亮，则说明+24V和COM短路了。
BATF灯亮表明锂电池寿命结束，要尽快更换电池。

（3）PLC电源的抗干扰
PLC电源的抗干扰处理的方法如下。
①把控制器、I/O电源和其他设备电源分别用不同的隔离变压器供电会更好。

图1　PLC电源的抗干扰

②控制器的CPU用一个开关电源，外部负载用一个开关电源。
PLC电源的抗干扰处理的典型例子如图1所示。

1.4　PLC外部故障诊断方法
（1）输入给PLC信号出错的原因
①信号线的短路或者断路，主要原因是老化、拉扯、压砸线路和振动。
②机械触头抖动。机械抖动压下一次，PLC可能认为抖动了几次，硬件虽然加了滤波或者软件增加了微分，但由于PLC扫描周期短，仍然会影响计数、移位等。
③现场传感器、继电器等损坏。

（2）执行机构出错的可能原因
①输出负载没有可靠工作，如PLC已经发出信号，但继电器没有工作。
②PLC自身故障，因此负载不动作。
③电动阀该动作没动作，或者没到位。

（3）PLC控制系统布线抗干扰措施
1）电源的接线和接地
①电源隔离器两端尽量采用双绞线，或者屏蔽电缆；电源线和I/O线要尽量分开布置。
②交流和直流线要分别使用不同的电缆，分开捆扎，最好分槽走线。
③共同接地是传播干扰的常见措施。应将动力线的接地和控制接地分开，动力线的接地应接在地线上，PLC的接地接在机柜壳体上。要保证PLC控制系统的接地线和动力线的屏蔽线尽量等电位。


2）输入和输出布线。PLC的输入线指外部传感器、按钮等与PLC的输入接口的接线。开关量信号一般采用普通电缆，如距离较远则要采用屏蔽电缆。高速信号和模拟量信号应采用屏蔽电缆。不同的信号线，最好不要共用同一接插件，以减少相互干扰。

3）尽量减少配线回路的距离。输入和输出信号电缆穿入专用的电缆管，或者独立的线槽中敷设。当信号距离较远时，如300m，可以采用中间继电器转接信号。通常布线要注意以下几点。
①输入线的长度一般不长于30m。良好的工作环境，距离可以适当加长。
②输入线和输出线不能使用同一电缆，应分开走线，开关量和模拟量要分开敷设。
③输入和输出回路配线时，如使用多股线，则必须压接线端子，多股线与PLC端子直接压接时，容易产生火花。

（4）外部故障的排除方法详细说明和处理
PLC有很强的自诊断能力，当PLC自身故障或外围设备发生故障，都可用PLC上具有诊断指示功能的发光二极管的亮灭来诊断。
①故障查找　根据总体检查流程图找出故障点的大方向，逐渐细化，以找出具体故障，如图2所示。

图2　总体检查流程

②故障的处理　不同故障产生的原因不同，它们也有不同的处理方法，CPU装置、I/O扩展装置故障处理见表12-1。

表1　CPU装置、I/O扩展装置故障处理

输入单元故障处理见表2。
表2　输入单元故障处理

输出单元故障处理见表3。
表3　输出单元故障处理

1.5　S7-1500 PLC诊断简介
S7-1500 PLC的故障诊断功能相较于S7-300/400 PLC而言，更加强大，其系统诊断功能集成在操作系统中，使用者甚至不需要编写程序就可很方便地诊断出系统故障。

（1）S7-1500 PLC的系统故障诊断原理

图3　系统故障诊断原理

S7-1500 PLC的系统故障诊断原理如图3所示，一共分为五个步骤，具体如下。
①当设备发生故障时，识别及诊断事件发送到CPU。
②CPU的操作系统分析错误信息，并调用诊断功能。
③操作系统的诊断功能自动生成报警，并将报警发送至HMI（人机界面）、PC（如安装WinCC）和WebServer等。
④在HMI中，自动匹配报警文本到诊断事件。
⑤报警信息显示在报警控件中，便于使用者诊断故障。

（2）S7-1500 PLC系统诊断的优势
①系统诊断是PLC操作系统的一部分，无需额外编辑。
②无需外部资源。
③操作系统已经预定义报警文本，减少了设计者编辑工作量。
④无需大量测试。
⑤错误最小化，降低了开发成本。

（3）S7-1500 PLC故障诊断的方法
S7-1500 PLC故障诊断的方法很多，归纳有如下几种。
①通过模块或通道的LED灯诊断故障。
②通过TIA博途软件PG/PC诊断故障。
③通过PLC系统的诊断功能诊断故障。
④通过PLC的Web服务器诊断故障。
⑤通过PLC的显示屏诊断故障。
⑥通过用户程序诊断故障。
⑦通过自带诊断功能的模块诊断故障。
⑧通过HMI或者上位机软件诊断故障。
实际工程应用中是以上一种或者几种方法组合应用。
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