S7300 PLC設(shè)備故障分析及程序改進(jìn)

王明軍

（淮安同方水務(wù)有限公司漣水分公司，江蘇淮安 223400）

1 問題的提出

淮安市第二污水處理廠自控系統(tǒng)兩臺(tái)西門子S7300 PLC站（每臺(tái)PLC站由主框架及若干遠(yuǎn)程IO機(jī)架組成）和中控室上位機(jī)通過光釬構(gòu)成10 Mbs/100 Mbs環(huán)形以太網(wǎng)，全廠所有工藝設(shè)備、在線儀表等就近接入兩個(gè)PLC站。

2015年3月中旬，中控室操作人員發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)站所控制的多臺(tái)設(shè)備無論是在遠(yuǎn)程手動(dòng)控制還是遠(yuǎn)程自動(dòng)狀態(tài)，均出現(xiàn)無故停機(jī)現(xiàn)象，有時(shí)幾分鐘停1次，有時(shí)幾小時(shí)停1次，無規(guī)律。維護(hù)人員現(xiàn)場(chǎng)檢查和PLC有關(guān)的接線、更換有關(guān)模塊，甚至更換CPU后，問題依舊。PLC程序未曾修改，PLC上LED指示燈顯示也始終正常。

筆者首先將STEP7和PLC在線，對(duì)硬件進(jìn)行在線診斷，確認(rèn)PLC所有硬件正常，PLC CPU故障診斷緩沖區(qū)也無運(yùn)行異常信息記錄。據(jù)此初步判斷，故障原因應(yīng)該是邏輯輸入異常引起邏輯輸出異常動(dòng)作，如某臺(tái)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)某個(gè)邏輯輸入條件必須為1或0，若變?yōu)?或1則停機(jī)。實(shí)際運(yùn)行中這個(gè)輸入可能因某種原因在0和1之間異常跳動(dòng)，跳動(dòng)時(shí)間極短，依靠肉眼及萬用表無法測(cè)量捕捉。為此，筆者編制1個(gè)捕捉邏輯輸入異常跳動(dòng)的程序并下載至PLC，監(jiān)控疑似故障點(diǎn)，最后找到了異常跳動(dòng)的點(diǎn)位。同時(shí)根據(jù)西門子輸入模塊線路圖、現(xiàn)場(chǎng)PLC接線圖，用萬用表在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試，也找到了這些異常跳動(dòng)的原因。改進(jìn)PLC輸入部分接線，改進(jìn)后，設(shè)備至今再未出現(xiàn)異常停機(jī)現(xiàn)象。盡管每臺(tái)設(shè)備運(yùn)行規(guī)律不同，梯形圖程序也不完全一樣，但是程序中有相似部分。下面以該廠1#反沖洗鼓風(fēng)機(jī)為例，針對(duì)該廠所有設(shè)備梯形圖中共有相似部分，介紹故障處理過程及改進(jìn)措施。本例中雖涉及的是西門子S7300 PLC，但這種減小輸入模塊引線電纜電磁感應(yīng)電壓干擾的方法也適用于其他品牌PLC。

2 故障處理實(shí)例

2.1 1#反沖洗鼓風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程手/自動(dòng)控制部分梯形圖（圖1）

該廠所有設(shè)備梯形圖均有手/自動(dòng)控制部分，并且手/自動(dòng)控制部分梯形圖邏輯相同，不同的設(shè)備只是傳給邏輯快FC10的實(shí)際輸入/輸出參數(shù)不一樣。圖1中S_permit和S_fault為輸入型形式參數(shù)，S_hand、S_auto和S_workmode為輸入輸出型形式參數(shù) ，S_cmd為輸出型形式參數(shù) ；I0.0、I0.1、DB11.DBX0.0、DB11.DBX0.1、DB11.DBX0.2 和 Q0.0 為上述形式參數(shù)對(duì)應(yīng)的實(shí)際參數(shù)。I0.0來自1#反沖洗鼓風(fēng)機(jī)控制柜中現(xiàn)場(chǎng)/遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)換開關(guān)，I0.1來自控制柜中故障檢測(cè)器；DB11.DBX0.0與上位機(jī)組態(tài)軟件相連，上位機(jī)可以通過該位遠(yuǎn)程手動(dòng)停止/啟動(dòng)設(shè)備；DB11.DBX0.1為遠(yuǎn)程自動(dòng)運(yùn)行命令。針對(duì)不同設(shè)備運(yùn)行規(guī)律要求，還有不同的邏輯程序計(jì)算得到不同設(shè)備遠(yuǎn)程自動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行命令，因與本文關(guān)系不大，故未列出。DB11.DBX0.2與上位機(jī)組態(tài)軟件相連，為設(shè)備遠(yuǎn)程手/自動(dòng)運(yùn)行選擇；Q0.0連接輸出繼電器，該繼電器常開觸點(diǎn)控制設(shè)備運(yùn)行。實(shí)際上，F(xiàn)C10是所有設(shè)備共有部分，全廠每一臺(tái)設(shè)備控制都要調(diào)用FC10，只不過不同的設(shè)備在上述形式參數(shù)處輸入不同的實(shí)際參數(shù)。

圖1 1#反沖洗鼓風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程手/自動(dòng)控制部分梯形圖

當(dāng)將該反沖洗鼓風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)/遠(yuǎn)程開關(guān)轉(zhuǎn)換到遠(yuǎn)程（I0.0為1），該風(fēng)機(jī)無故障（I0.1為0）。在上位機(jī)組態(tài)畫面中選定該設(shè)備為遠(yuǎn)程手動(dòng)運(yùn)行（DB11.DBX0.2為0），從上位機(jī)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)（DB11.DBX0.0為1），從圖1可以看出，Q0.0為1，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行。在監(jiān)控程序過程中發(fā)現(xiàn)，確實(shí)存在Q0.0無故斷開現(xiàn)象。懷疑可能是I0.0或I0.1瞬間跳動(dòng)引起Q0.0斷開。從圖1中FC10內(nèi)部梯形圖可以看出，I0.0瞬間變?yōu)?或I0.1瞬間變?yōu)?，會(huì)復(fù)位上位機(jī)遠(yuǎn)程手動(dòng)命令DB11.DBX0.0及遠(yuǎn)程自動(dòng)運(yùn)行命令DB11.DBX0.1，從而引起設(shè)備停機(jī)，可能這一瞬間跳動(dòng)時(shí)間很短，在程序監(jiān)控畫面來不及反映。

圖2 故障診斷程序

2.2 輸入異常跳動(dòng)捕捉程序

在PLC OB1中編制1個(gè)小程序（圖2）并下載到PLC中。若I0.0始終為1，I0.1始終為0，則這段捕捉程序運(yùn)行后計(jì)數(shù)器C0和C1的累計(jì)值會(huì)始終為0。圖2中16#0000和16#0014是這段瞬間跳動(dòng)捕捉程序在一段時(shí)間內(nèi)運(yùn)行后得出的結(jié)果，從而可初步得出I0.0不存在異常跳動(dòng)現(xiàn)象，I0.1異常瞬間跳動(dòng)。結(jié)合圖1可以看出，I0.1瞬間跳動(dòng)變?yōu)?就復(fù)位了遠(yuǎn)程手動(dòng)啟動(dòng)命令、遠(yuǎn)程自動(dòng)啟動(dòng)命令，導(dǎo)致無輸出。2.3 故障處理

I0.1是設(shè)備控制柜中送給PLC的設(shè)備故障信號(hào)，反復(fù)檢查設(shè)備故障檢測(cè)器，確認(rèn)無問題，但是風(fēng)機(jī)異常停機(jī)現(xiàn)象依然存在。西門子S7300 PLC數(shù)字量輸入模塊電路及與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)連接電路見圖3，其中，M點(diǎn)為輸入模塊信號(hào)電路公共點(diǎn)，該點(diǎn)懸浮，E點(diǎn)為控制系統(tǒng)集成時(shí)廠家做的接地點(diǎn)，24 V電源為外接輸入通道驅(qū)動(dòng)直流電源，A為1#反沖洗鼓風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)控制柜中現(xiàn)場(chǎng)/遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)換開關(guān)，B為控制柜中風(fēng)機(jī)故障信號(hào)，在無故障遠(yuǎn)程啟動(dòng)時(shí)A閉合、B斷開。A、B到PLC站距離大約150 m，由多芯控制電纜相連。

從PLC端子拆下接往I0.1端口的電纜，然后運(yùn)行圖2的開關(guān)量瞬間跳動(dòng)捕捉程序，在相當(dāng)長一段時(shí)間后，計(jì)數(shù)器C1再也沒有記錄到跳動(dòng)信號(hào)。從PLC柜中端子拆下I0.1后，由于B點(diǎn)正常情況是打開的，這根纜線兩端就處于懸浮狀態(tài)。使用萬用表測(cè)量其對(duì)地電壓，發(fā)現(xiàn)有100多伏對(duì)地電壓，最終確認(rèn)，由于E點(diǎn)接地，這個(gè)忽強(qiáng)忽弱的電磁感應(yīng)電壓和S7300輸入模塊輸入通道電阻、發(fā)光二極管構(gòu)成回路，造成數(shù)字量輸入模塊輸入發(fā)光二極管瞬間導(dǎo)通。斷開A點(diǎn)，將I0.0從PLC端子處斷開，這根纜線兩端懸浮后用萬用表也測(cè)到了幾十伏對(duì)地感應(yīng)電壓。而且發(fā)現(xiàn)，任意一根連接設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)到PLC數(shù)字量輸入端子的纜線，只要兩端懸浮，都能測(cè)到對(duì)地從幾十伏到100多大小不等的感應(yīng)電壓。

按照上述方法逐一檢查幾臺(tái)異常停機(jī)設(shè)備，確認(rèn)均是由設(shè)備故障回路到PLC數(shù)字量端口連線電磁感應(yīng)電壓引起。當(dāng)初項(xiàng)目自控集成時(shí)，要求所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備故障信號(hào)邏輯0為正常，1為設(shè)備故障。結(jié)合圖3可以看出，設(shè)備正常無故障時(shí)B打開，從B到I0.1端子的電纜線一端即懸浮，就可能有電磁感應(yīng)電壓影響。

圖3 PLC數(shù)字量輸入模塊電路及與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)連接電路

掀開電纜溝蓋板后，發(fā)現(xiàn)電纜溝中動(dòng)力電纜與信號(hào)電纜有數(shù)千根，雖然在大多數(shù)地方信號(hào)電纜與動(dòng)力電纜分層排放，但是在個(gè)別地方信號(hào)與動(dòng)力電纜靠的比較近甚至有糾纏到一起現(xiàn)象，信號(hào)電纜的電磁環(huán)境相當(dāng)差，現(xiàn)場(chǎng)也無法能使信號(hào)電纜再遠(yuǎn)離一點(diǎn)動(dòng)力電纜。

圖4 改進(jìn)后PLC數(shù)字量輸入模塊電路及與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)連接電路

為此，改進(jìn)PLC接線柜接線（圖4），在PLC接線柜電纜線進(jìn)入每一個(gè)輸入通道的端子上用電容接地，一旦觸點(diǎn)A或者B斷開，電纜線一端懸浮產(chǎn)生感應(yīng)電壓，則通過電容C泄放掉了。電容可以選用0.1～0.47 μF、DC 24 V，本例選用電容值0.1 μF。

第二污水處理廠兩個(gè)PLC站數(shù)字量輸入模塊與設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)電纜連接改進(jìn)后，目前設(shè)備運(yùn)行正常，再未出現(xiàn)設(shè)備無故停機(jī)現(xiàn)象。實(shí)際應(yīng)用中，信號(hào)電纜的電磁感應(yīng)影響普遍存在，這種減少輸入模塊引線電纜電磁感應(yīng)電壓干擾的方法對(duì)所有其他品牌的PLC均適用。