西門子S7—200PLC的RS—485通信接口故障分析

劉崗

摘 要： PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。本文簡要介紹了PLC的簡介及特點，主要針對西門子S7-200PLC的RS-485通信接口常見的故障進行分析，并提出了維修方法。

關(guān)鍵詞： 西門子S7-200PLC；RS-485；通信接口；故障分析

將不同的生產(chǎn)設(shè)備連在一個網(wǎng)絡(luò)中，相互之間進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)分散控制和集中管理，是計算機控制系統(tǒng)發(fā)展的大趨勢，所以，工廠自動化網(wǎng)絡(luò)和plc的通信是工業(yè)控制中的重要研究課題。通信的方式包括并行通信和串行通信。并行數(shù)據(jù)通信方式是以字節(jié)為單位的數(shù)據(jù)傳輸方式，除了8根或16根數(shù)據(jù)線、一根公共線外，還需要通信雙方聯(lián)絡(luò)用的控制線。并行通信的傳輸速度快，但是傳輸線的根數(shù)多，成本高，一般用于近距離的傳輸，例如計算機于打印機之間的通信。串行數(shù)據(jù)通信方式是以二進制的位（bit）為單位的數(shù)據(jù)傳輸方式，每次只傳送一位，除了公共線外，在一個數(shù)據(jù)傳輸方向上只需要一根數(shù)據(jù)線，這根線既作為數(shù)據(jù)線又作通信聯(lián)絡(luò)的控制線，數(shù)據(jù)信號和聯(lián)絡(luò)信號在這個線上按位進行傳送。串行通信需要的信號線少，最少的只需要兩根線（雙絞線），適用于距離較遠的場合。計算機和plc都有通用的串行通信接口，工業(yè)控制中一般使用串行通信。

一、PLC的應(yīng)用特點

1.可靠性高，抗干擾能力強

PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產(chǎn)的F系列PLC平均無故障時間高達30萬小時。一些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。

2.配套齊全，功能完善，適用性強

PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的系列化產(chǎn)品?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。

3.易學易用，深受工程技術(shù)人員歡迎

PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。

4.系統(tǒng)的設(shè)計、建造工作量小，維護方便，容易改造

PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。

5.體積小，重量輕，能耗低

以超小型PLC為例，新近出產(chǎn)的品種底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗僅數(shù)瓦。由于體積小很容易裝入機械內(nèi)部，是實現(xiàn)機電一體化的理想控制設(shè)備。

二、西門子s7-200plc的rs-485通信

1.串行通信的接口標準

串行通信有三種接口標準：rs-232c、rs-442a和rs-485。rs-485是rs-442a的變形，rs-442a是全雙工，兩對平衡差分信號線分別用于發(fā)送和接收。rs-485只有一對平衡差分信號線，不能同時發(fā)送接收。

使用rs-485通信接口和雙絞線可以組成串行通信網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成分布式系統(tǒng)，系統(tǒng)中最多可以有32個站，新的接口器件已允許鏈接128個站。

2.s7-200的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

s7-200的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議包括：點對點接口協(xié)議（ppi）；多點接口協(xié)議（mpi）；profibus協(xié)議；tcp/ip協(xié)議；用戶定義的協(xié)議（自由端口模式）等多達5種類型。

3. 西門子s7-200plc的rs-485通信

串行通信是西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信中一種經(jīng)濟、有效的通信方式，rs-485是其最重要的組成部分。r1、r2是阻值為10歐的普通電阻，其作用是防止rs-485信號d+和d-短路時產(chǎn)生過電流燒壞芯片，z1、z2是鉗制電壓為6v，最大電流為10a的齊納二極管，24v電源和5v電源共地未經(jīng)隔離，當d+或d-線上有共模干擾電壓灌入時，由橋式整流電路和z1、z2可將共模電壓鉗制在±6.7v，從而保護rs-485芯片sn75176（rs-485芯片的允許共模輸入電壓范圍為：-7v～+12v）。該保護電路能承受共模干擾電壓功率為60w，保護電路和芯片內(nèi)部沒有防靜電措施。

4.rs-232與rs-485的轉(zhuǎn)換

由于pc機的串口是rs-232接口，plc的串口是rs-485接口，所以二者的通信要用到pc/ppi電纜，rs-232接口與rs-485接口的引針對應(yīng)關(guān)系

三、常發(fā)生的故障解析

1.常見的故障現(xiàn)象

當plc的rs-485口經(jīng)非隔離的pc/ppi電纜與電腦連接、plc與plc之間連接或plc與變頻器、觸摸屏等通信時時有通信口損壞現(xiàn)象發(fā)生，較常見的損壞情況如下：

（1）r1或r2被燒斷，z1、z2和sn75176完好。這是由于有較大的瞬態(tài)干擾電流經(jīng)r1或r2、橋式整流、z1或z1到地，z1、z2能承受最大10a電流的沖擊，而該電流在r1或r2上產(chǎn)生的瞬態(tài)功率為：102×10=1000w，當然會將其燒斷。

（2）sn75176損壞，r1、r2和z1、z2完好。這主要可能是受到靜電沖擊或瞬態(tài)過電壓速度快于z1、z2的動作速度造成的，靜電無處不在，僅人體模式也會產(chǎn)生±15kv的靜電。

（3）z1或z2、sn75176損壞，r1和r2完好。這可能是受到高電壓低電流的瞬態(tài)干擾電壓將z1或z2和sn75176擊穿，由于電流較小和發(fā)生時間較短因而r1、r2不至于發(fā)熱燒斷。

2.故障的原因分析

由3.1中的分析得知plc接口損壞的主要原因是由于瞬態(tài)過電壓和靜電造成，產(chǎn)生瞬態(tài)過電壓和靜電的原因很多也較復雜，如由于plc內(nèi)部24v電源和5v電源共地，24v電源的輸出端子l+、m為其它設(shè)備混合供電可能導致地電位變化，從而造成共模電壓超出允許范圍。所以eia-485標準要求將各個rs485接口的信號地用一條低阻值導線連接在一起以保證各節(jié)點的地電位相等，消除地線環(huán)流。

（1）當帶電插拔未隔離的連接電纜時，由于兩端電位不相等電路中又存在諸多電感、電容之類的器件，插拔瞬間必然產(chǎn)生瞬態(tài)過電壓或過電流?；诖丝紤]，在進行通信接頭插拔的時候，盡量使設(shè)備處于斷電狀態(tài)。

（2）連接在rs-485總線上的其它設(shè)備產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓或過電流同樣會流入到plc，總線上連接的設(shè)備站點數(shù)越多，產(chǎn)生瞬態(tài)過電壓的因素也越多。

（3）當通信線路較長或有室外架空線時，雷電是必須考慮的干擾。雷電是主要的自然干擾源，雷電產(chǎn)生的干擾可以傳輸?shù)綌?shù)千公里以外的地方。雷電干擾的時域波形疊加成隨機脈沖背景上的一個大尖峰脈沖，這個能量巨大的尖峰脈沖必然會在線路上造成過電壓，造成plc等通信網(wǎng)中所連設(shè)備的損壞，應(yīng)該加以避免或降低損壞程度，減少損失。

四、 解決方法

1. 從plc內(nèi)部考慮

（1）采用隔離的dc/dc將24v電源和5v電源隔離，我們分析了三菱、歐姆龍、施耐德plc以及西門子的profibus接口均是如此。

（2）選用帶靜電保護、過熱保護、輸入失效保護等保護措施完善的高擋次rs-485芯片，如：sn65hvd1176d、max3468esa等，這些芯片價格一般在十幾元至幾十元。

（3）采用響應(yīng)速度更快、承受瞬態(tài)功率更大的新型保護器件tvs或bl浪涌吸收器，如p6ke6.8ca的鉗制電壓為6.8v，承受瞬態(tài)功率為500w，bl器件則可抗擊4000a以上大電流沖擊。若使用不帶故障保護的芯片，如sn75176，可在軟件上作一些處理，從而避免通信異常。即在進入正常的數(shù)據(jù)通信之前，由主機預先將總線驅(qū)動為大于+200mv，并保持一段時間，使所有節(jié)點的接收器產(chǎn)生高電平輸出。這樣，在發(fā)出有效數(shù)據(jù)時，所有接收器能夠正確地接收到起始位，進而接收到完整的數(shù)據(jù)。

（4）r1和r2采用正溫度系數(shù)的自恢復保險ptc，如jk60-010，正常情況下的電阻值為5歐，并不影響正常通信，當受到浪涌沖擊時，大電流流過ptc和保護器件tvs（或bl），ptc的電阻值將驟然增大，使浪涌電流迅速減小。

2.從plc外部考慮

（1）使用隔離的pc/ppi電纜，盡量不用廉價的非隔離電纜（特別是在工業(yè)現(xiàn)場）。西門子公司早期出產(chǎn)的pc/ppi電纜（6es7901-3bf00-0xa0）是不隔離的，現(xiàn)在也改成隔離的電纜了。

（2）plc的rs-485口聯(lián)網(wǎng)時采用隔離的總線連接器，如pfb-g，速率為0～1.5mbps自動適應(yīng)，外形和使用方法與西門子非隔離的總線連接相同。

（3）與plc聯(lián)網(wǎng)的第三方設(shè)備，如變頻器、觸摸屏等的rs-485口均使用rs-485隔離器bh-485g進行隔離，這樣各rs-485節(jié)點之間就無“電”的聯(lián)系，也無地線環(huán)流產(chǎn)生，即使某個節(jié)點損壞也不會連帶其它節(jié)點損壞。

（4）良好的接地是工控系統(tǒng)安全可靠運行的重要條件，對于工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)更是如此。在工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)中，至少有三種分開的地線，通過一點接地。第一條是低電平電路地線（即信號地線），包括數(shù)字地、模擬地、信號地和直流地等；第二條是噪聲地線，即繼電器、電動機、高功率電路的地線；第三條是機殼接地點，專供機械外殼、機身、機架、地盤使用，此地線應(yīng)該和交流電源的地線相接。交流電源地線應(yīng)和保護地線相連，以達到避免因公告地線各點點位不均所產(chǎn)生的干擾。rs-485通信線采用profibus總線專用屏蔽電纜，保證屏蔽層接到每臺設(shè)備的外殼并最后接大地。

（5）對于有架空線的系統(tǒng)，總線上最好設(shè)置專門的防雷擊設(shè)施。

五、結(jié)語

rs-485通信是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信的重要組成部分，而且針對網(wǎng)絡(luò)要求、接口故障的處理工作等問題都是影響工程控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要問題。處理好這一問題，保證通信系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運行，將大大提高工廠自動化的效率。

參考文獻

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