西门子 PLC 故障处理实例（1）

实例1

故障现象：S5 系列 PLC 运行中自动停机

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F₇、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F₇、Fg或 F₇ 、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

故障现象：S7-200  系列 PLC  的 RS485 接口经非隔离的PC/PPI  电缆与计算机连接、 PLC与 PLC 之间，或 PLC 与变频器、触摸屏等通信时，发生 RS485接口损坏。

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S7-200PLC        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。

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到 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，雷电将会在线路上造成过电压，其能量往往是巨大的。雷电是主要的自然干扰源，雷电产生的干扰可以传输到数千公里以外的地方。雷电干扰的时域波形叠加成随机脉冲上的一个大尖峰脉冲，这个能量巨大的尖峰脉冲必然会在线路上造成过电压，造成 PLC 等通 信网中所连设备的损坏，为此，应在PC内部采取的措施有：① PLC 采用隔离的 DC/DC 将24V 电源和5V 电源隔离。选用带静电保护、过热保护、输入失效保护等保护措施的次RS485 芯片，如 SN65HVD1176D 、MAX3468ESA 等。

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

故障现象：一 台 S7-200PLC 停机两个月，再上电后无法启动。

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

故障现象：一 台S7-200PLC 合上电源时，无法将开关拨到 RUN 状态，错误指示灯先闪烁后常亮，断电复位后故障依旧。

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

故障现象：PLC控制系统的一个稳压电源突然出现故障，在停车检修过程中更换了电 源装置，然而在稳压电源更换好之后，PLC再次上电，启动后 CPUI 状态为 STOP,  且两CPU上的REDF  (冗余故障)和EXTF (外部故障)红灯亮，PLC 上其他状态指示灯和故障指示灯却显示正常。

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    

故障现象：巡检时两CPU 上的 REDF 和 EXTF 红灯亮，IFM2F 红灯亮；热备 CPUl 状态为STOP,  黄灯亮，CPU1中 FM2 (同步子模块) LINKOK 灯 灭 ，PLC 上其他状态指示灯和故障指示灯正常。

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

故障现象：一台西门子 PLC 和一块 PCI多485接口扩展卡在使用时烧毁，导致 PLC 控 制系统无法正常工作。

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

故障现象：一 台S7-200PLC   在一次上电后变得程序不可控，其中明显的表现为输出端子中有两个上电即产生输出，从而导致输出紊乱，系统无法工作。

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    

故障现象：一 台S7-200(CPU224)PLC 无法存储用户应用程序(PLC   的操作系统“OS”  是正常的),重新下载程序后程序依然丢失。

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。