西門子PLC控制系統(tǒng)工作原理及常見故障分析

徒有祥

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西門子PLC控制系統(tǒng)工作原理及常見故障分析

徒有祥

大唐蘇州熱電有限責任公司，江蘇 蘇州 215214

隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，工業(yè)化進程也得到了有效的推進，同時科技的不斷開發(fā)與應用，又為工業(yè)化生產(chǎn)注入了強大的驅(qū)動力。當前西門子PLC控制系統(tǒng)在我國工業(yè)化生產(chǎn)中得到了有效的應用。然而，在實際的生產(chǎn)操作過程中，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的故障，從而采取有效的應對措施，使其為工業(yè)化生產(chǎn)操作提供全方位的保障。

西門子PLC；PLC工作原理；PLC故障

1 西門子PLC控制系統(tǒng)概況及工作原理

在我國工業(yè)化生產(chǎn)中西門子PLC控制系統(tǒng)得到了普遍的應用，并獲得了行業(yè)內(nèi)的一致好評。西門子PLC控制系統(tǒng)的主要類型有：LOGO、s7-200、s7-RPU1200、s7-300、s7-400等。在西門子PLC控制系統(tǒng)中s7系列的應用效果較好、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，而且還具有很強的網(wǎng)絡(luò)適應性、安全可靠性等，這也是其他PLC類型不能與之相媲美的關(guān)鍵所在。在西門子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。現(xiàn)階段，s7系列已成為西門子PLC的核心產(chǎn)品。通常可從三個層面對PLC控制系統(tǒng)進行分類：控制規(guī)模、控制性能以及控制結(jié)構(gòu)。在PLC控制系統(tǒng)的實際運用過程中，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。整個流程結(jié)束后稱之為一個掃描周期。PLC控制系統(tǒng)在運行過程中，其內(nèi)部CPU可在一定的掃描速度內(nèi)重復執(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

西門子PLC控制系統(tǒng)在輸入采樣環(huán)節(jié)，通過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)的對應單元里。當輸入采樣工作完成后，便自動進入用戶程序執(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)對應單元里保存的信息也不會受到任何影響。但是如果PLC控制系統(tǒng)輸入的是脈沖信號，其寬度只有大于一個掃描周期，才能確保輸入的信息在各種時候都能夠被讀取。

1.2 用戶程序執(zhí)行

在西門子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，類似于梯形圖。在掃描過程中，掃描順序按照從左至右、從上至下對各觸點構(gòu)成的控制線路進行邏輯運算，然后再按照計算得出的數(shù)據(jù)，刷新邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的相應數(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存儲區(qū)內(nèi)，其他輸出點及軟設(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)行情況會對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)如果想對處于上方的程序產(chǎn)生影響，則只有在下一個掃描周期才能實現(xiàn)。

1.3 輸出刷新

西門子PLC控制系統(tǒng)在用戶程序掃描完成后，就進入輸出刷新環(huán)節(jié)。在這一操作過程中，PLC控制系統(tǒng)的CPU可根據(jù)I/O映象區(qū)內(nèi)對應單元中的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新全部的輸出電路，再通過輸出電路對其配套設(shè)備進行推動。此過程是PLC控制系統(tǒng)進行的實際輸出操作。針對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，應用掃描用戶程序的運行結(jié)果與繼電器控制系統(tǒng)的硬邏輯并行運行的結(jié)果不盡相同。但是，在PLC控制體統(tǒng)的運行過程中，如果掃描周期占據(jù)的時間可以忽略不計，那么兩者存在的差別也就微不足道了。

2 西門子PLC控制系統(tǒng)常見故障分析

2.1 西門子PLC網(wǎng)絡(luò)故障及處理

2.1.1 PLC網(wǎng)絡(luò)故障

在西門子PLC控制系統(tǒng)剛剛投入使用時，易發(fā)生控制室接收圖像不穩(wěn)、數(shù)據(jù)顯示異常等問題，經(jīng)過檢測最常見的故障原因就是網(wǎng)絡(luò)通信存在弊端。如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)無法有效地傳輸，便可確定為工廠級Profibus總線故障，如上位機CP5613通行卡警報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)問題。

在西門子PLC控制系統(tǒng)運行過程中，一些模擬量數(shù)據(jù)會出現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的情況，關(guān)鍵問題就是預處理控制系統(tǒng)及老廠控制系統(tǒng)顯示狀態(tài)存在問題，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)的傳輸有問題，對其的顯示不夠清晰，并非是工廠級網(wǎng)絡(luò)通信問題，因此Profibus-DP子網(wǎng)導致數(shù)據(jù)通信不暢的可能性更大。在Profibus-DP總線運行過程中，最易出現(xiàn)部分子網(wǎng)站通信不暢問題或通信停滯問題，若因通信電纜較長而導致信號減弱，接地及電磁干擾、IM153接口八位開關(guān)問題造成阻值存在差異。

2.1.2 PLC網(wǎng)絡(luò)故障應對措施

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

在西門子PLC系統(tǒng)運行過程中，可運用軟件診斷系統(tǒng)對總線問題進行檢測，點擊Simatic Manager項目硬件配置Hardware，進入online，就可以解決系統(tǒng)總線至各連接設(shè)備中存在的問題，并闡述所有故障的詳細情況。

2.2 西門子PLC系統(tǒng)干擾故障及處理

2.2.1 PLC系統(tǒng)干擾故障

西門子PLC控制系統(tǒng)需要對工廠的電氣設(shè)備進行實時操控，主要是通過電纜將部分電氣信號連入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Profibus雙絞屏蔽電纜，其兩邊應用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，部分接入MCC電氣設(shè)備的Profibus-DP子站最易出現(xiàn)問題[2]。一旦子站離線數(shù)據(jù)讀取便會中斷，通過檢測得到的結(jié)果顯示MCC電氣設(shè)備在運行過程中，電機的傳動會產(chǎn)生電磁干擾。其中原因MCC柜內(nèi)有接口卡位，易對總線信號造成電磁干擾，所以可將光纖代替Profibus雙絞屏蔽電纜可增強子站通信的有效性，避免總發(fā)生子站離線的情況。

2.2.2 PLC系統(tǒng)干擾故障解決對策

當前一些電氣設(shè)備的狀態(tài)信號線接入了卡件之中，這種情況導致其在運行過程中易發(fā)生數(shù)據(jù)顯示問題，如“0”“1”發(fā)生錯位，但是通過檢測顯示卡件無任何問題。然而，電氣設(shè)備傳輸?shù)臓顟B(tài)開關(guān)量信號通常為無源接點，但在實際的檢測中，顯示狀態(tài)信號線接地存在30～80?V的電壓。究其原因主要是電纜設(shè)置的不夠標準，導致信號受到干擾，如果將信號線與動力線混合在一起，就會使得線路受到干擾而發(fā)生電壓亂入的現(xiàn)象。

在西門子PLC控制系統(tǒng)運行過程中，若發(fā)現(xiàn)部分模擬量與現(xiàn)場實際測量值存在差異，且兩者之間的偏差較大，通過模擬量信號接地電壓內(nèi)進行檢測，其結(jié)果顯示信號端存在干擾電壓，因此可以斷定是系統(tǒng)接地存在弊端，其主要原因是沒有進行規(guī)范的系統(tǒng)接地。這樣一來會發(fā)生電壓干擾。地面的電位呈現(xiàn)不規(guī)則分布的狀態(tài)，所以各接地點之間會存在一定的電位差，入股接地不規(guī)范便會促使地面形成電流，繼而出現(xiàn)信號線接地的電壓干擾。只有對其進行規(guī)范的接地，準確定位接地位置，并將24?V電源負極進行接地，才能保證模擬量測量符合標準，且保持正常、清晰的顯示狀態(tài)。

3 結(jié)束語

綜合以上研究顯示，西門子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)自動化控制應用中也是不可避免的。但是若不對這些問題進行全面、深入的了解，并對導致故障發(fā)生的原因進行分析，就難以制訂有效的解決對策。所以，只有充分了解西門子PLC控制系統(tǒng)的工作原理及故障，才能對其實施更好的優(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).西門子PLC控制系統(tǒng)工作原理及常見故障分析[J].城市建設(shè)理論研究：電子版，2016（15）：78-79.

[2]高洪淵.西門子PLC控制系統(tǒng)工作原理及常見故障分析[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