關(guān)于SIEMENSS7—300/400PLC總線故障的分析及排查方法

摘 要：PLC即可編程邏輯控制器，由于其使用方便、功能強大、穩(wěn)定性強及相對于DCS的低廉價格，廣泛應用于工業(yè)系統(tǒng)控制中。文章討論SIEMENS品牌的S7-300/400系列PLC在遇到總線故障時的分析與排查方法。

關(guān)鍵詞：PLC；西門子；S7-300；S7-400；ET200M；總線；故障排查

印尼棉蘭電廠一期項目為兩臺220MW常規(guī)燃煤單元制機組，其化學制水系統(tǒng)包括：海水淡化預處理（凈水站）系統(tǒng)、海水淡化系統(tǒng)及鍋爐補給水處理系統(tǒng)。本工程全廠用淡水均來自海水淡化系統(tǒng)，根據(jù)業(yè)主批準的全廠水量平衡圖，系統(tǒng)出力約為140t/h，這其中包括機組自用水、消防用水以及生活用水。由于印尼處于熱帶地區(qū)，燃油罐長期受到太陽直射升溫，為防止溫度過高引起起火爆炸，需要對燃油罐長期進行噴淋；且由于兩臺鍋爐排污電動門及手動門長期內(nèi)漏，無法關(guān)嚴，導致鍋爐排污量過大，造成鍋爐需要經(jīng)常進行除鹽水補水。本項目存在用水吃緊、制水系統(tǒng)長期滿負荷運行狀況。2014年2月21日早上十一點，制水系統(tǒng)工作斷電源丟失，由于機械式電源切換開關(guān)切換動作較慢，系統(tǒng)PLC失電，氣動門電磁閥失去常帶電的開指令后關(guān)閉，系統(tǒng)管路憋壓，由于管路所采用材質(zhì)為UPVC，其承壓能力相對合金管較弱，同時系統(tǒng)的增壓泵無法快速停止，管路壓力快速升高導致爆管事故發(fā)生，制水系統(tǒng)癱瘓。2016年6月11日晚上九點，因雷雨天氣，化學系統(tǒng)在遭遇雷響后瞬間停電，由于系統(tǒng)UPS故障無法正常充放電，系統(tǒng)PLC失電，氣動門電磁閥失電關(guān)閉，系統(tǒng)管路憋壓，管道壓力快速升高導致爆管事故發(fā)生，制水系統(tǒng)癱瘓，因機組用水不足，業(yè)主臨時做出停機決定。兩次事故都由因PLC供電不穩(wěn)定導致，而每次重新送電都須重啟恢復系統(tǒng)，在重啟過程中發(fā)生系統(tǒng)故障都會影響系統(tǒng)恢復的速度，因此針對該項目化學制水系統(tǒng)PLC恢復時易出現(xiàn)的故障，總結(jié)、分析故障原因和排查方法對今后該類事故發(fā)生及快速恢復生產(chǎn)都是大有幫助的。

印尼棉蘭電廠一期項目化學制水系統(tǒng)使用浙江歐美環(huán)境工程有限公司（OMEX）設(shè)計的PLC系統(tǒng)控制，系統(tǒng)由三臺上位PC機、PLC控制柜、PLC遠程柜、交換機、通訊電纜、網(wǎng)線等設(shè)備組成。兩臺互冗余PLC的CPU單元及三臺上位機通過RJ45接頭網(wǎng)線連接至交換機組成了控制局域網(wǎng)。PLC的CPU單元為SIEMENS S7-400 412-3H型，PLC的CPU單元通過DP總線實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和指令發(fā)送，DP上掛載了11個ET200M通訊模塊，各個ET200M與處于同一導軌上的SIEMENS DI、DO、AI、AO模塊相連，各個模塊通過軟芯導線連至機柜內(nèi)接線端子排從而與就地設(shè)備進行對接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備指令控制。三臺上位機為兩臺操作員站和一臺工程師站，三臺上位機使用microsoft WINDOWS XP操作系統(tǒng)，都安裝有WINCC 6.0軟件用于調(diào)試及維護人員對畫面進行編輯、運行操作人員對現(xiàn)場參數(shù)設(shè)備進行監(jiān)視和操作，工程師站機安裝有STEP7軟件組用于項目硬件組態(tài)、軟件邏輯、網(wǎng)絡(luò)通信、license等的管理和后期維護[1]。

總線故障是系統(tǒng)恢復過程中出現(xiàn)最頻繁的故障，本文著重討論該類故障的分析和排查方法。當S7-300/400 系列PLC出現(xiàn)總線故障時，CPU單元的BF1燈閃爍或常亮紅，同時總線故障會導致系統(tǒng)故障的發(fā)生，此時CPU單元的SF燈常亮紅。下面介紹S7-300/400 系列PLC出現(xiàn)總線故障時，故障的可能原因和排查方法。

1 CPU單元的異常

當CPU單元失電后恢復時會出現(xiàn)內(nèi)部記錄程序文件丟失或無法讀取現(xiàn)象，雖然大部分情況在丟失的電源恢復時CPU仍然能正常讀寫程序文件，但官方手冊中并未提及在使用過程中失電后恢復CPU能否依然正常工作，因此丟失電源對S7 300/400PLC CPU單元及內(nèi)部程序并非沒有影響，其中內(nèi)部機制和原理本文不作說明，同時在遭受雷擊電泳或較強電磁干擾時亦會出現(xiàn)CPU內(nèi)部記錄程序文件丟失或無法讀取現(xiàn)象。由于硬件配置文件是存儲在CPU模塊中的，讀取錯誤會使得CPU單元并不能正常識別出通過總線所掛載的I/O模組，或者誤認為連接的硬件與配置表中的硬件不符，導致CPU報總線BF1故障。對于這種情況的解決辦法只需要通過STEP 7組態(tài)編輯軟件組將項目硬件配置重新下裝即可，但是大多數(shù)項目使用S7-300/400與上位機通訊都是使用掛載的網(wǎng)卡模塊連接網(wǎng)線進行通信，當硬件配置出錯時會導致PLC無法識別掛載的網(wǎng)卡模塊，此時則需要使用RS485串口數(shù)據(jù)線將計算機與PLC連接來進行硬件配置的下載。如果下載配置后依然失敗可以嘗試將CPU上的MMC內(nèi)存卡復位清零后再重新下裝硬件配置和軟件邏輯。當CPU單元排查后若仍然報BF1故障時，則應查看DP總線上掛載的ET200M通訊模塊是否也報BF1故障，若存在故障則按以下分析進行排查。

2 總線接頭接觸不良

對報錯的ET200M通訊模組卡件對應串口RS485插頭進行檢查。RS485插頭由可打開的塑料插頭外殼、9個插針和一個小型手動切換開關(guān)組成，9個插針通過電路板與電纜接線端子排連接，接線端子排一般分為螺絲鎖緊型和夾扎型兩種。檢查其插頭與插口連接是否有松動、接地開關(guān)是否有錯誤設(shè)置、內(nèi)部通訊電纜線芯與插頭內(nèi)部接線端子是否有接觸不良、線芯是否老化導致的短路及斷路等情況。應確保：插頭與插口連接的兩個固定螺絲均已鎖緊，不會因插頭松動導致接觸不良；插頭針腳完好，沒有歪針，斷針等現(xiàn)象；插頭接地開關(guān)均為正常設(shè)置的“OFF”位置，使進線電纜與出線電纜保持并聯(lián)狀態(tài)；對每個RS485插頭拆開檢查并重新接線，線芯末端可以正常使用，不存在氧化、金屬疲勞等現(xiàn)象；RS485插頭的3、8號針腳分別為數(shù)據(jù)的負端、正端，通訊電纜的紅綠兩芯分別連接對應端子，復裝后的插頭使用萬用表對相鄰的兩個插頭3、8號針腳進行斷路短路檢查。

3 總線電纜斷路

PLC系統(tǒng)控制總線網(wǎng)絡(luò)上各設(shè)備均并聯(lián)在DP總線上，分段通訊電纜在插頭內(nèi)部并聯(lián)接線組成網(wǎng)絡(luò)的信道骨干，通訊骨干發(fā)生異常時易會是PLC系統(tǒng)出現(xiàn)總線故障。許多現(xiàn)場由于電纜部分段地埋，地埋溝排水不當導致積水或者地埋溝內(nèi)的嚙齒動物啃咬，都會對通訊電纜造成隱蔽性破壞?？偩€電纜的損壞，直接造成PLC系統(tǒng)出現(xiàn)總線故障。一般的現(xiàn)場設(shè)備都偏向于集中布置，因此該類情況一般出現(xiàn)在主CPU和遠程控制柜的通訊上。檢查時，先見確認總線上掛載的其他設(shè)備是否全部出現(xiàn)BF1燈常亮紅，如果僅遠程柜設(shè)備報總線故障而總線上的其他設(shè)備正常時，則可以判斷是遠程通信段電纜出現(xiàn)問題。此時先通過萬用表測量檢查各線芯及屏蔽金屬包線是否存在斷路短路等情況，當萬用表檢測出異常時，需將各段紫色（標準電纜）通訊電纜從插頭中拆除，通過外觀檢查是否存在老化、腐蝕、絕緣層破損等現(xiàn)在，檢查后確保通訊電纜無異常，絕緣層無老化、破損，內(nèi)芯無短路、短路現(xiàn)象。

4 其他總線連接線路的異常

由于該項目中總線通訊電纜與部分現(xiàn)場電磁閥動力電纜在機柜內(nèi)相距較近，且在電纜橋架走線處于同一架槽內(nèi)，因此存在強電磁干擾的可能性，須對電纜可能存在的干擾進行排查。排查時將通訊電纜固定捆扎帶剪開，改變通訊電纜走線位置和方向使其遠離強電動力電纜。

5 ET200M模塊損壞

一個比較容易忽視的問題是ET200M模塊的損壞，正常情況下，這類模塊的質(zhì)量是非?？煽坎灰讚p壞的，但如果遇到雷擊，強電磁干擾等不可預見情況發(fā)生時則難以保證。強電壓可以將ET200M模塊燒毀，而弱電壓亦可以通過RS485接口將ET200M模塊損壞，弱電損壞時模塊卡表面沒有明顯的元件燒焦現(xiàn)象，比較難判斷其是否損壞。檢查時在確保DP總線正常，未串入強電，無強電干擾時，將處于RUN狀態(tài)的正常CPU與待測ET200M卡件連接，若不報BF1故障且ACT ON燈亮綠，則卡件正常，否則可能已損壞。

6 檢查ET200M供電不正常[2]

本項目ET200M模塊的電源由所在導軌的PS307模塊提供。標準輸出為直流24V，檢查是否存在電壓不穩(wěn)定，電壓過低，或混入交流信號，ET200M模塊的供電輸入負端和接地端并聯(lián)，檢查并聯(lián)是否存在虛接，短接片斷損等情況。

7 檢查通訊地址撥碼錯誤

在系統(tǒng)測試階段或者更換卡件時，由于未修改ET200M模塊上的撥碼卡關(guān)，則會造成網(wǎng)絡(luò)地址沖突導致報BF1故障。ET200M模塊上的撥碼開關(guān)為8位二進制撥碼開關(guān)，因此網(wǎng)絡(luò)中DP上可掛載的最大從站數(shù)由此撥碼可撥最大數(shù)限制。檢查時建議結(jié)合項目硬件配置和STEP7軟件，查看各個機柜導軌的ET200M模組地址是否對應。而在更換損壞的ET200M模塊時，應該將新模塊撥碼先調(diào)整正確后再裝入導軌固定，這樣不會出錯。

8 系統(tǒng)恢復順序不正確

當排查完以上故障后，重新啟動時，有時也會出現(xiàn)報BF1故障。很多時候可能是因為恢復順序不對。一般按以下建議順序可以恢復大部分報BF1故障的系統(tǒng)，該方法只有支持熱拔插的系統(tǒng)硬件才能進行：

（1）關(guān)閉DP總線上所有掛載設(shè)備電源，斷開所有掛載設(shè)備DP通訊串口插座，啟動CPU，使CPU處于RUN狀態(tài)，此時CPU會因為找不到硬件列表中設(shè)置的DP掛載設(shè)備而報系統(tǒng)故障，SF燈亮紅。

（2）根據(jù)網(wǎng)絡(luò)順序，重啟總線DP上第一個掛載設(shè)備?；謴偷谝粋€ET200M供電，恢復第一個ET200M數(shù)據(jù)插座，并把插座調(diào)整開關(guān)撥“ON”位，撥至“ON”位時使后面DP設(shè)備離線，達到排查目的。等待第一個ET200M的BF1故障燈消失，等待時間可長可短，由DP總線的傳輸速度和設(shè)備響應時間決定，但一般不超過60秒，ACT ON燈亮綠。若BF1燈仍然亮紅，則應重新按文中之前提及方法對該ET200M模塊及對應通訊電纜進行檢查。

（3）按（1）、（2）步驟逐個恢復第一個之后的DP設(shè)備。

9 結(jié)束語

通過對印尼棉蘭項目化學制水系統(tǒng)PLC調(diào)試及故障恢復的工作經(jīng)驗，總結(jié)出針對S7-300/400系列PLC容易出現(xiàn)的一大疑難雜癥的分析原因及排查方法，希望能對同行今后對西門子該系列PLC調(diào)試及故障處理有所幫助。

參考文獻

[1]SIEMENS. SIMATIC HMI WinCC V7.0SP1 MDM-WinCC：通信 系統(tǒng)手冊，11/2008[Z].

[2]北京進步時代網(wǎng).西門子PLC ET200M通訊故障分析[Z].

作者簡介：鐘力群（1990-），男，漢族，廣東廣州人，中國能源建設(shè)集團華南電力試驗研究院有限公司，助理工程師。