徒有祥

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西門(mén)子PLC控制系統(tǒng)工作原理及常見(jiàn)故障分析

徒有祥

大唐蘇州熱電有限責(zé)任公司，江蘇 蘇州 215214

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，工業(yè)化進(jìn)程也得到了有效的推進(jìn)，同時(shí)科技的不斷開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，又為工業(yè)化生產(chǎn)注入了強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)前西門(mén)子PLC控制系統(tǒng)在我國(guó)工業(yè)化生產(chǎn)中得到了有效的應(yīng)用。然而，在實(shí)際的生產(chǎn)操作過(guò)程中，PLC控制系統(tǒng)存在的弊端日益凸顯。為了提升PLC控制系統(tǒng)的效率及性能，需要分析其工作的原理及常見(jiàn)的故障，從而采取有效的應(yīng)對(duì)措施，使其為工業(yè)化生產(chǎn)操作提供全方位的保障。

西門(mén)子PLC；PLC工作原理；PLC故障

1 西門(mén)子PLC控制系統(tǒng)概況及工作原理

在我國(guó)工業(yè)化生產(chǎn)中西門(mén)子PLC控制系統(tǒng)得到了普遍的應(yīng)用，并獲得了行業(yè)內(nèi)的一致好評(píng)。西門(mén)子PLC控制系統(tǒng)的主要類(lèi)型有：LOGO、s7-200、s7-RPU1200、s7-300、s7-400等。在西門(mén)子PLC控制系統(tǒng)中s7系列的應(yīng)用效果較好、關(guān)注度較高。s7系列不僅具有體積小、速度快、精度高等優(yōu)良特性，而且還具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性、安全可靠性等，這也是其他PLC類(lèi)型不能與之相媲美的關(guān)鍵所在。在西門(mén)子PLC s7系列中，s7-200屬于微型的PLC，s7-300屬于性能要求較小的PLC，s7-400屬于性能較為齊全的PLC?，F(xiàn)階段，s7系列已成為西門(mén)子PLC的核心產(chǎn)品。通?？蓮娜齻€(gè)層面對(duì)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行分類(lèi)：控制規(guī)模、控制性能以及控制結(jié)構(gòu)。在PLC控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，其主要操作流程為：采樣輸入、用戶程序執(zhí)行以及輸出刷新。整個(gè)流程結(jié)束后稱之為一個(gè)掃描周期。PLC控制系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，其內(nèi)部CPU可在一定的掃描速度內(nèi)重復(fù)執(zhí)行操作流程。PLC控制系統(tǒng)工作流程具體如下：

1.1 采樣輸入

西門(mén)子PLC控制系統(tǒng)在輸入采樣環(huán)節(jié)，通過(guò)掃描方式逐一讀取輸入的程序與數(shù)據(jù)，然后將其保存于I/O映象區(qū)內(nèi)的對(duì)應(yīng)單元里。當(dāng)輸入采樣工作完成后，便自動(dòng)進(jìn)入用戶程序執(zhí)行、輸出刷新環(huán)節(jié)。在后續(xù)的工作中，即使輸入的程序及信息出現(xiàn)變化，在I/O映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)單元里保存的信息也不會(huì)受到任何影響。但是如果PLC控制系統(tǒng)輸入的是脈沖信號(hào)，其寬度只有大于一個(gè)掃描周期，才能確保輸入的信息在各種時(shí)候都能夠被讀取。

1.2 用戶程序執(zhí)行

在西門(mén)子PLC控制系統(tǒng)的用戶程序執(zhí)行環(huán)節(jié)中，用戶程序的掃描順序是自上而下的，類(lèi)似于梯形圖。在掃描過(guò)程中，掃描順序按照從左至右、從上至下對(duì)各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后再按照計(jì)算得出的數(shù)據(jù)，刷新邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的相應(yīng)數(shù)據(jù)信息；或者刷新輸出線圈在I/O映象區(qū)內(nèi)相應(yīng)單位例保存的數(shù)據(jù)；或者執(zhí)行此梯形圖所要求的特殊指令。

在用戶程序執(zhí)行操作中，應(yīng)保證I/O映象區(qū)內(nèi)輸入的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不變，而在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)，其他輸出點(diǎn)及軟設(shè)備的狀態(tài)和數(shù)據(jù)均有改變的可能性[1]。此外，處于上方的梯形圖程序的執(zhí)行情況會(huì)對(duì)下方涉及此線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖產(chǎn)生影響，由此推斷處于下方的梯形圖已刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)如果想對(duì)處于上方的程序產(chǎn)生影響，則只有在下一個(gè)掃描周期才能實(shí)現(xiàn)。

1.3 輸出刷新

西門(mén)子PLC控制系統(tǒng)在用戶程序掃描完成后，就進(jìn)入輸出刷新環(huán)節(jié)。在這一操作過(guò)程中，PLC控制系統(tǒng)的CPU可根據(jù)I/O映象區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)單元中的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新全部的輸出電路，再通過(guò)輸出電路對(duì)其配套設(shè)備進(jìn)行推動(dòng)。此過(guò)程是PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行的實(shí)際輸出操作。針對(duì)不同排列順序的梯形圖，其程序執(zhí)行獲得的結(jié)果也存在差異。此外，應(yīng)用掃描用戶程序的運(yùn)行結(jié)果與繼電器控制系統(tǒng)的硬邏輯并行運(yùn)行的結(jié)果不盡相同。但是，在PLC控制體統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，如果掃描周期占據(jù)的時(shí)間可以忽略不計(jì)，那么兩者存在的差別也就微不足道了。

2 西門(mén)子PLC控制系統(tǒng)常見(jiàn)故障分析

2.1 西門(mén)子PLC網(wǎng)絡(luò)故障及處理

2.1.1 PLC網(wǎng)絡(luò)故障

在西門(mén)子PLC控制系統(tǒng)剛剛投入使用時(shí)，易發(fā)生控制室接收?qǐng)D像不穩(wěn)、數(shù)據(jù)顯示異常等問(wèn)題，經(jīng)過(guò)檢測(cè)最常見(jiàn)的故障原因就是網(wǎng)絡(luò)通信存在弊端。如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)法有效地傳輸，便可確定為工廠級(jí)Profibus總線故障，如上位機(jī)CP5613通行卡警報(bào)或線路終端接頭存在異常，或者是Profibus總線環(huán)形網(wǎng)上的OLM轉(zhuǎn)換器、連接終端接頭出現(xiàn)問(wèn)題。

在西門(mén)子PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，一些模擬量數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的情況，關(guān)鍵問(wèn)題就是預(yù)處理控制系統(tǒng)及老廠控制系統(tǒng)顯示狀態(tài)存在問(wèn)題，而混床控制系統(tǒng)和新廠控制系統(tǒng)的模擬量數(shù)據(jù)可正常顯示。由于僅有一部分模擬量數(shù)據(jù)的傳輸有問(wèn)題，對(duì)其的顯示不夠清晰，并非是工廠級(jí)網(wǎng)絡(luò)通信問(wèn)題，因此Profibus-DP子網(wǎng)導(dǎo)致數(shù)據(jù)通信不暢的可能性更大。在Profibus-DP總線運(yùn)行過(guò)程中，最易出現(xiàn)部分子網(wǎng)站通信不暢問(wèn)題或通信停滯問(wèn)題，若因通信電纜較長(zhǎng)而導(dǎo)致信號(hào)減弱，接地及電磁干擾、IM153接口八位開(kāi)關(guān)問(wèn)題造成阻值存在差異。

2.1.2 PLC網(wǎng)絡(luò)故障應(yīng)對(duì)措施

西門(mén)子PLC控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)故障的解決對(duì)策，主要是沿著總線連接的設(shè)備故障的指示燈來(lái)檢測(cè)故障出現(xiàn)的位置。首先總線出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)CPU的BUSF指示燈發(fā)出紅色警報(bào)。如果是DP總線出現(xiàn)問(wèn)題就要按順序?qū)M153模塊的BF指示燈進(jìn)行檢測(cè)，然后明確問(wèn)題究竟發(fā)生在哪個(gè)位置。如果是工廠級(jí)Profibus總線存在問(wèn)題，就需要通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器上的指示燈來(lái)確定問(wèn)題出現(xiàn)的具體位置。只要明確故障發(fā)生的具體位置，接下來(lái)的問(wèn)題就更容易解決了。對(duì)發(fā)生的故障問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)的研究，然后針對(duì)問(wèn)題制訂合理、有效的應(yīng)對(duì)措施即可。在整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中，需要明確設(shè)備是否連接準(zhǔn)確、穩(wěn)固，撥碼的軟硬件是否進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)置；光纖收發(fā)的連接是否準(zhǔn)確、穩(wěn)固，并要對(duì)終端電阻的連接進(jìn)行的檢測(cè)。

在西門(mén)子PLC系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，可運(yùn)用軟件診斷系統(tǒng)對(duì)總線問(wèn)題進(jìn)行檢測(cè)，點(diǎn)擊Simatic Manager項(xiàng)目硬件配置Hardware，進(jìn)入online，就可以解決系統(tǒng)總線至各連接設(shè)備中存在的問(wèn)題，并闡述所有故障的詳細(xì)情況。

2.2 西門(mén)子PLC系統(tǒng)干擾故障及處理

2.2.1 PLC系統(tǒng)干擾故障

西門(mén)子PLC控制系統(tǒng)需要對(duì)工廠的電氣設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)操控，主要是通過(guò)電纜將部分電氣信號(hào)連入PLC的I/O之內(nèi)；而另一部分則由Profibus-DP通信接入MCC電氣控制設(shè)備中，通過(guò)Profibus雙絞屏蔽電纜，其兩邊應(yīng)用D型插頭接地，通信速率為1.5?Mbps，在電氣MCC柜中設(shè)置DP接口卡位。

在PLC控制系統(tǒng)剛投入使用時(shí)，部分接入MCC電氣設(shè)備的Profibus-DP子站最易出現(xiàn)問(wèn)題[2]。一旦子站離線數(shù)據(jù)讀取便會(huì)中斷，通過(guò)檢測(cè)得到的結(jié)果顯示MCC電氣設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)的傳動(dòng)會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。其中原因MCC柜內(nèi)有接口卡位，易對(duì)總線信號(hào)造成電磁干擾，所以可將光纖代替Profibus雙絞屏蔽電纜可增強(qiáng)子站通信的有效性，避免總發(fā)生子站離線的情況。

2.2.2 PLC系統(tǒng)干擾故障解決對(duì)策

當(dāng)前一些電氣設(shè)備的狀態(tài)信號(hào)線接入了卡件之中，這種情況導(dǎo)致其在運(yùn)行過(guò)程中易發(fā)生數(shù)據(jù)顯示問(wèn)題，如“0”“1”發(fā)生錯(cuò)位，但是通過(guò)檢測(cè)顯示卡件無(wú)任何問(wèn)題。然而，電氣設(shè)備傳輸?shù)臓顟B(tài)開(kāi)關(guān)量信號(hào)通常為無(wú)源接點(diǎn)，但在實(shí)際的檢測(cè)中，顯示狀態(tài)信號(hào)線接地存在30～80?V的電壓。究其原因主要是電纜設(shè)置的不夠標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致信號(hào)受到干擾，如果將信號(hào)線與動(dòng)力線混合在一起，就會(huì)使得線路受到干擾而發(fā)生電壓亂入的現(xiàn)象。

在西門(mén)子PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，若發(fā)現(xiàn)部分模擬量與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量值存在差異，且兩者之間的偏差較大，通過(guò)模擬量信號(hào)接地電壓內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)，其結(jié)果顯示信號(hào)端存在干擾電壓，因此可以斷定是系統(tǒng)接地存在弊端，其主要原因是沒(méi)有進(jìn)行規(guī)范的系統(tǒng)接地。這樣一來(lái)會(huì)發(fā)生電壓干擾。地面的電位呈現(xiàn)不規(guī)則分布的狀態(tài)，所以各接地點(diǎn)之間會(huì)存在一定的電位差，入股接地不規(guī)范便會(huì)促使地面形成電流，繼而出現(xiàn)信號(hào)線接地的電壓干擾。只有對(duì)其進(jìn)行規(guī)范的接地，準(zhǔn)確定位接地位置，并將24?V電源負(fù)極進(jìn)行接地，才能保證模擬量測(cè)量符合標(biāo)準(zhǔn)，且保持正常、清晰的顯示狀態(tài)。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜合以上研究顯示，西門(mén)子PLC控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中已成為不可或缺的重要組成部分。然而，任何系統(tǒng)都會(huì)因內(nèi)、外因素的影響而出現(xiàn)故障，這在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化控制應(yīng)用中也是不可避免的。但是若不對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行全面、深入的了解，并對(duì)導(dǎo)致故障發(fā)生的原因進(jìn)行分析，就難以制訂有效的解決對(duì)策。所以，只有充分了解西門(mén)子PLC控制系統(tǒng)的工作原理及故障，才能對(duì)其實(shí)施更好的優(yōu)化與建設(shè)，使其在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮更大的效用。

[1]王素權(quán).西門(mén)子PLC控制系統(tǒng)工作原理及常見(jiàn)故障分析[J].城市建設(shè)理論研究：電子版，2016（15）：78-79.

[2]高洪淵.西門(mén)子PLC控制系統(tǒng)工作原理及常見(jiàn)故障分析[J].工程技術(shù)：文摘版，2016（8）：288.

Working Principle and Common Fault Analysis of SIEMENS PLC Control System

Tu Youxiang

Datang Suzhou Thermal Electric Co., Ltd., Jiangsu Suzhou 215214

With the continuous development of China’s social economy, the industrialization process has also been effectively promoted. Meanwhile, the continuous development and application of science and technology has injected a strong driving force for industrial production. At present, the SIEMENS PLC control system has been effectively applied in the industrial production of China. However, in the actual operation process, the drawbacks of the PLC control system are becoming increasingly prominent. In order to improve the efficiency and performance of PLC control system, we need to analyze its working principles and common failures, so as to take effective measures to provide a comprehensive guarantee for industrial production operation.

SIEMENS PLC; PLC working principle; PLC malfunction

TM621.8

A

1009-6434（2017）11-0079-03