西門子S7-300遠程I/O站設備故障處理

王明軍

（淮安同方水務有限公司 江蘇淮安）

1.問題

2個S7-300系列PLC站，每個S7-300 PLC站主機架均有若干個通過PROFIBUS-DP總線網絡（RS-485電平）連接的遠程I/O分站。PLC1、PLC2、兩臺監控上位機以環形光釬以太網形式連成網絡（圖1），其中1～3為帶有光口及電口的工業以太網交換機，PC1和PC2為監控上位機。交換機光口分別插入多模光纖構成10/100 Mbps環形以太網，普通網線連接PLC1、PLC2站中以太網模塊和交換機電口。PC1、PC2分別為工程師站及操作員站，均配有普通網卡，通過網線插入以太網交換機，采用杭州和利時自動化有限公司的FACVIEW 6.0組態軟件。PLC1及PLC2的遠程I/O站通過PROFIBUS-DP電纜與各自的主站以菊花鏈形式連接。

圖1 污水處理廠工業控制網絡

2014年7月開始，PLC站遠程I/O站控制的設備在遠程手動和自動運行時出現不明原因停機，有時一個班停好幾次，有時好幾天又正常。進一步觀察不明原因停機分兩種情況：①設備停機后，必須中控室操作人員從上位機手動重新啟動，才能正常運行；②設備停機后，經過短暫時間自行恢復正常運行。

2.故障處理

設備遠程手動或自動運行時，由PLC程序及中控室操作人員命令決定其運行規律。因此首先懷疑是PLC站中控制該設備的梯形圖程序出現問題，但監控西門子STEP7運行程序，一切正常。而且PLC1及PLC2中程序已經穩定運行8年多，無人修改程序，PLC程序中不應該有邏輯及其他編程錯誤。判斷PLC硬件出現問題，先后使用備品更換兩個PLC站的主機架CPU模塊、各遠程I/O站PROFIBUS-DP通信接口模塊IM153-2、各遠程站I/O模塊、主機架及遠程I/O機架的底板等部件，正常運行一段時間后，問題重現。CPU模塊也沒有報硬件及與遠程站通信故障，據此初步判斷PLC系統硬件正常。使用電腦連接PLC，用STEP7在線，打開PLC故障診斷緩沖區。根據故障信息中的日期時間及值班人員記錄發現，每出現1次CPU和某個遠程I/O站通信失敗，就有一些設備異常停機。每次通信失敗后均能自動恢復，從通信失敗到通信恢復，時間一般就幾秒鐘。結合相應設備梯形圖程序邏輯分析，確認是CPU和遠程I/O站通信失敗，導致設備異常停機。

2014年9月，PLC2站9#遠程I/O站控制的1#二級提升泵異常停機。值班記錄顯示當日21：55，泵出現異常停機，導出的該時段 PLC 緩沖區部分信息見圖2，可以看出，21：55：48：25時（event 2 of 10），CPU 與 9#遠程 I/O 通信失敗，21：55：50：509（event 1 of 10）通信恢復，通信中斷2 s多。該臺水泵部分梯形圖程序見圖3，I0.0為提升泵控制柜上的現場/遠程轉換開關，當開關為遠程位置時I0.0為1，水泵故障時I0.1為1；M100.0為上位機設定的提升泵工作模式，選定為遠程自動模式運行時，M100.0為1，選定為遠程手動模式時為0；M100.1為上位機啟/停命令，當在上位機點動啟動水泵時M100.1為1，再次點動時M100.1為0，再次點動又為1……M100.0、M100.1與上位機通信軟件相連；M200.0為遠程自動工作模式時啟/停命令；Q0.0為輸出繼電器，控制提升泵啟/停。根據NETWORK 1，在現場/遠程開關轉換選定在遠程位置（I0.0為1），無故障（I0.1為0），上位機將該設備選定在遠程手動模式時（M100.0為0），在上位機點動開/停機按鈕，則M100.1為1，Q0.0就為1，水泵運行，如果要停機，則需要再次點動開/停機按鈕，M100.1為0，Q0.0為0，水泵停止運行。

圖2 PLC緩沖區信息

圖3 水泵梯形圖程序

本段梯形圖程序的輸入點現場/遠程I0.0、故障I0.1正好來自9#遠程I/O站，輸出Q0.0來自另外1個遠程I/O站。根據前面PLC故障診斷緩沖區信息分析，結合NETWORK 1，CPU和9#遠程I/O通信中斷2 s多一點，在此時間內Q0.0輸出為0，水泵短時停機后自動恢復運行。從NETWORK 2看，短時間通信中斷，CPU讀不到該遠程站輸入模塊的信息，會自動將對應輸入映像區的值設定為0。從程序中可以看出，一旦I0.0為0，就將上位機開/停機指令M100.1清0，M100.1為0后，Q0.0就為0，設備停止運行。只有在上位機人為重新點動水泵啟/停按鈕，將M100.1置位為1，設備才能重新運行。逐一對照檢查PLC故障診斷緩沖區中的通信中斷信息、相應異常停機設備梯形圖程序以及中控室值班記錄發現，每臺設備異常停機后重新遠程人為啟動恢復正常運行，均是上述原因。

分析發現，第二類設備異常也是因CPU和相應遠程I/O站通信中斷引起。

短時間內通信中斷后又恢復，且無任何規律，幾天不出現或一天出現幾次。一旦出現CPU上的通信故障，指示LED燈也是一閃而過又恢復正常，維護人員現場也無法使用常規的萬用表等工具檢測捕捉這一過程。

3.解決措施

經咨詢西門子技術支持得知，是電磁干擾進入PROFIBUSDP總線，引起CPU與遠程I/O站瞬間或短時間通信中斷。2014年10月，按照西門子技術支持提供的減小電磁干擾方法，進行整改。

（1）PLC CPU所在控制柜及遠程I/O站所在控制柜良好接地，等電位聯結CPU所在控制柜與所有遠程I/O站所在控制柜接地。該廠PLC2號站CPU所在主機架在1個控制柜，其他6～14遠程I/0站分布在3個控制柜，4個控制柜緊靠在一起。檢查每個柜接地情況，發現個別接地不牢靠，重新進行緊固；PLC1號站主機架和遠程I/O機架在同一個控制柜，也對其接地進行檢查緊固。若這些控制柜距離較遠，在每一個柜接地良好前提下，還應將所有控制柜接地做等電位聯結。

（2）PLC主機架、遠程I/O機架接地。PLC上安裝模塊的機架有接地點，必須確保模塊機架和本柜體接地良好。

（3）為保證通信質量，應優先選用西門子生產的PROFIBUSDP通信電纜及PROFIBUS-DP接頭。制作PROFIBUS-DP接頭時，應輕輕剝開電纜外皮，不要損壞外包繞的電纜屏蔽層，按要求將電纜屏蔽層牢固地壓接在PROFIBUS-DP接頭外殼上。PROFIBUS-DP電纜應該盡可能遠離動力電纜，特別要遠離變頻設備的動力電纜。檢查發現，該廠PLC1和PLC2站均存在PROFIBUS-DP接頭處電纜屏蔽層斷裂，與接頭外殼接觸不好現象。

（4）將網絡起始兩頭站點PROFIBUS-DP接頭外殼接地。

（5）采取杜絕電源干擾措施。由于電網中變頻設備應用，大功率動力設備的開關等形成的諧波、浪涌等沖擊，會通過電源對通信造成干擾，建議用UPS向PLC供電。

經過上述整改，截至目前，未再出現設備異常停機現象。