S7300 PLC設備故障分析及程序改進

王明軍

（淮安同方水務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兩臺西門子S7300 PLC站（每臺PLC站由主框架及若干遠程IO機架組成）和中控室上位機通過光釬構成10 Mbs/100 Mbs環形以太網，全廠所有工藝設備、在線儀表等就近接入兩個PLC站。

2015年3月中旬，中控室操作人員發現，兩個站所控制的多臺設備無論是在遠程手動控制還是遠程自動狀態，均出現無故停機現象，有時幾分鐘停1次，有時幾小時停1次，無規律。維護人員現場檢查和PLC有關的接線、更換有關模塊，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，對硬件進行在線診斷，確認PLC所有硬件正常，PLC CPU故障診斷緩沖區也無運行異常信息記錄。據此初步判斷，故障原因應該是邏輯輸入異常引起邏輯輸出異常動作，如某臺設備正常運行時某個邏輯輸入條件必須為1或0，若變為0或1則停機。實際運行中這個輸入可能因某種原因在0和1之間異常跳動，跳動時間極短，依靠肉眼及萬用表無法測量捕捉。為此，筆者編制1個捕捉邏輯輸入異常跳動的程序并下載至PLC，監控疑似故障點，最后找到了異常跳動的點位。同時根據西門子輸入模塊線路圖、現場PLC接線圖，用萬用表在現場進行了測試，也找到了這些異常跳動的原因。改進PLC輸入部分接線，改進后，設備至今再未出現異常停機現象。盡管每臺設備運行規律不同，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#反沖洗鼓風機為例，針對該廠所有設備梯形圖中共有相似部分，介紹故障處理過程及改進措施。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電壓干擾的方法也適用于其他品牌PLC。

2 故障處理實例

2.1 1#反沖洗鼓風機遠程手/自動控制部分梯形圖（圖1）

該廠所有設備梯形圖均有手/自動控制部分，并且手/自動控制部分梯形圖邏輯相同，不同的設備只是傳給邏輯快FC10的實際輸入/輸出參數不一樣。圖1中S_permit和S_fault為輸入型形式參數，S_hand、S_auto和S_workmode為輸入輸出型形式參數 ，S_cmd為輸出型形式參數 ；I0.0、I0.1、DB11.DBX0.0、DB11.DBX0.1、DB11.DBX0.2 和 Q0.0 為上述形式參數對應的實際參數。I0.0來自1#反沖洗鼓風機控制柜中現場/遠程轉換開關，I0.1來自控制柜中故障檢測器；DB11.DBX0.0與上位機組態軟件相連，上位機可以通過該位遠程手動停止/啟動設備；DB11.DBX0.1為遠程自動運行命令。針對不同設備運行規律要求，還有不同的邏輯程序計算得到不同設備遠程自動狀態運行命令，因與本文關系不大，故未列出。DB11.DBX0.2與上位機組態軟件相連，為設備遠程手/自動運行選擇；Q0.0連接輸出繼電器，該繼電器常開觸點控制設備運行。實際上，FC10是所有設備共有部分，全廠每一臺設備控制都要調用FC10，只不過不同的設備在上述形式參數處輸入不同的實際參數。

圖1 1#反沖洗鼓風機遠程手/自動控制部分梯形圖

當將該反沖洗鼓風機現場/遠程開關轉換到遠程（I0.0為1），該風機無故障（I0.1為0）。在上位機組態畫面中選定該設備為遠程手動運行（DB11.DBX0.2為0），從上位機啟動風機（DB11.DBX0.0為1），從圖1可以看出，Q0.0為1，風機啟動運行。在監控程序過程中發現，確實存在Q0.0無故斷開現象。懷疑可能是I0.0或I0.1瞬間跳動引起Q0.0斷開。從圖1中FC10內部梯形圖可以看出，I0.0瞬間變為0或I0.1瞬間變為1，會復位上位機遠程手動命令DB11.DBX0.0及遠程自動運行命令DB11.DBX0.1，從而引起設備停機，可能這一瞬間跳動時間很短，在程序監控畫面來不及反映。

圖2 故障診斷程序

2.2 輸入異常跳動捕捉程序

在PLC OB1中編制1個小程序（圖2）并下載到PLC中。若I0.0始終為1，I0.1始終為0，則這段捕捉程序運行后計數器C0和C1的累計值會始終為0。圖2中16#0000和16#0014是這段瞬間跳動捕捉程序在一段時間內運行后得出的結果，從而可初步得出I0.0不存在異常跳動現象，I0.1異常瞬間跳動。結合圖1可以看出，I0.1瞬間跳動變為1就復位了遠程手動啟動命令、遠程自動啟動命令，導致無輸出。2.3 故障處理

I0.1是設備控制柜中送給PLC的設備故障信號，反復檢查設備故障檢測器，確認無問題，但是風機異常停機現象依然存在。西門子S7300 PLC數字量輸入模塊電路及與現場信號連接電路見圖3，其中，M點為輸入模塊信號電路公共點，該點懸浮，E點為控制系統集成時廠家做的接地點，24 V電源為外接輸入通道驅動直流電源，A為1#反沖洗鼓風機現場控制柜中現場/遠程轉換開關，B為控制柜中風機故障信號，在無故障遠程啟動時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，然后運行圖2的開關量瞬間跳動捕捉程序，在相當長一段時間后，計數器C1再也沒有記錄到跳動信號。從PLC柜中端子拆下I0.1后，由于B點正常情況是打開的，這根纜線兩端就處于懸浮狀態。使用萬用表測量其對地電壓，發現有100多伏對地電壓，最終確認，由于E點接地，這個忽強忽弱的電磁感應電壓和S7300輸入模塊輸入通道電阻、發光二極管構成回路，造成數字量輸入模塊輸入發光二極管瞬間導通。斷開A點，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到了幾十伏對地感應電壓。而且發現，任意一根連接設備現場到PLC數字量輸入端子的纜線，只要兩端懸浮，都能測到對地從幾十伏到100多大小不等的感應電壓。

按照上述方法逐一檢查幾臺異常停機設備，確認均是由設備故障回路到PLC數字量端口連線電磁感應電壓引起。當初項目自控集成時，要求所有現場設備故障信號邏輯0為正常，1為設備故障。結合圖3可以看出，設備正常無故障時B打開，從B到I0.1端子的電纜線一端即懸浮，就可能有電磁感應電壓影響。

圖3 PLC數字量輸入模塊電路及與現場信號連接電路

掀開電纜溝蓋板后，發現電纜溝中動力電纜與信號電纜有數千根，雖然在大多數地方信號電纜與動力電纜分層排放，但是在個別地方信號與動力電纜靠的比較近甚至有糾纏到一起現象，信號電纜的電磁環境相當差，現場也無法能使信號電纜再遠離一點動力電纜。

圖4 改進后PLC數字量輸入模塊電路及與現場信號連接電路

為此，改進PLC接線柜接線（圖4），在PLC接線柜電纜線進入每一個輸入通道的端子上用電容接地，一旦觸點A或者B斷開，電纜線一端懸浮產生感應電壓，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PLC站數字量輸入模塊與設備現場電纜連接改進后，目前設備運行正常，再未出現設備無故停機現象。實際應用中，信號電纜的電磁感應影響普遍存在，這種減少輸入模塊引線電纜電磁感應電壓干擾的方法對所有其他品牌的PLC均適用。