浪涌電壓導致PLC模塊失效實例分析

神龍汽車公司襄陽工廠 （湖北 441004） 王 寧 尹吉春 成 剛 李曙光

1. 故障表現

PLC數字量輸入輸出模塊是可靠性比較高的電路模塊，正常使用通常故障率很低，尤其是數字量輸入模塊故障更少。某線加工中心，設備才使用3年左右，DI、DO模塊故障率遠遠超出同類設備水平。統計數據如附表所列。

統計數據表

以上模塊通過IM361連接到840D數控系統，失效的輸出模塊都直接驅動電磁閥（無附加續流裝置）。

故障早期表現為PLC 突然報警停機，但復位之后可以繼續運行。模塊的主要故障模式是無法正常通信，輸出點短路2例、開路2例。鑒于產品自身特性，S7-300上述機架模塊不具有智能診斷功能，CPU無法定位故障模塊，只有等故障發展到無法復位的時候，我們才能比較方便、準確地判斷故障模塊的位置。因此，早期故障排除比較困難，其后果是造成加工過程中異常停機頻繁發生，很可能出現刀具損壞或者增加不良品。

2. 電路板腐蝕情況

（1）銅箔腐蝕。輸出模塊上的光電隔離與放大電路連線細小銅箔腐蝕，有的模塊微處理器周圍、輸出指示燈連線處也有銅箔腐蝕現象，有綠色銅銹。但一般都沒有發生斷線，即銅箔腐蝕并沒有直接造成模塊功能喪失（見圖1）。

（2）電源正極針腳腐蝕（負極接地）。如圖2所示，露在插座外面的針腳根部腐蝕更嚴重，而且沒有灼燒痕跡，顯然不是因為接插件接觸不良所致。針腳表面有深灰/棕灰色斑點或者表面覆蓋物，應為錫氧化物（針腳材料一般為鍍錫銅）。故障模塊的接插件并未斷路，即便對其進行打磨修理也不能排除故障。因此，針腳的腐蝕也沒有直接造成模塊功能喪失。

（3）接地片腐蝕。與機架卡接的接地片也有一定程度腐蝕，但并非污染，圖3所示為清洗后的情形。圖3中接地片表面局部腐蝕，棕灰色；未受傷處依然保留著金屬光澤及光滑表面。

圖1 銅箔腐蝕

圖2 電源正極針腳

圖3 接地片

3. 失效原因分析

以8DO輸出模塊為例，其方框如圖4所示。模塊通過背板接口與總線連接，而背板電路通過光電耦合與控制電路隔離，但背板電路的地線和控制電路地線通過10nF電容連在一起，與機床共同接地。模塊具有過電壓抑制功能，主要通過穩壓二極管D發揮作用。在功率器件兩端反向并接二極管或穩壓二極管是一種常見的驅動保護電路，尤其穩壓二極管，它不僅響應快，而且能將兩端電壓限定在設計范圍內（本例為48V），能保護與之并聯的其他電子器件。但是，感性負載斷開時，輸出端電壓會仍然發生跳變，依然會給電路板引入干擾。

當輸出由“1”到“0”跳變時，從功率器件Q關斷到穩壓二極管D反向擊穿還有一個過程，這時Q、D都處于“截止”狀態，等效于電容（其電容值比C1要小很多）。流過負載的電流在這個過程中保持相對穩定，負載續流通路主要有三條：一是通過Q、D到正極電源線；二是通過C1、Q、HL到負極電源線；三是從電源正負極通過C0、C2、C3以及負載自身分布電容到地線。由于地線阻抗最小，因此電源線動態電流被旁路，地線電流最大。由于接通狀態下，負載電流必須流過正極電源線，因此，在Q關斷到D擊穿之前，正極電源線和地線電流會產生較大跳變（負極電源線主要為電路板本身提供電流，變化不太大）。穩壓二極管反向擊穿瞬間，其電流快速上升，使電源正極電流、地電流又產生一個反向跳變。同樣，穩壓二極管從擊穿狀態恢復截止時，也會發生類似的電流跳變，引起衰減振蕩。需要指出的是，上述擾動并不是設計不當或者接地所致。比如不接地，負載關斷將會給電路板引入更加不確定的感應電位；如果沒有C1等濾波電容，輸出端的電壓變化率會上升（當然同時提高輸出響應速度），這些都會使問題更加嚴重。

導線及接地總會存在一定阻抗，尤其距離較長、頻率較高時會更加顯著，電流跳變就引起明顯的線路電壓擾動，電壓突變會進一步引起一些雜散電流（比如電極對塑料外殼放電）。它一方面引起相關電極和銅箔腐蝕加快，如圖1～圖3所示；另外一方面，通過接地電容C4將電壓波動耦合到背板接口電路，引起更加脆弱的集成電路損壞。另外，接地點電壓的波動會傳導至背板總線，將干擾傳導擴散至其他相鄰模塊；也就是說，附表中輸入模塊失效的原因是輸出模塊負載擾動間接導致的。

圖4 輸出模塊方框圖

顯然，負載電流越大、電感/電阻比值越大，關斷時引起的電流擾動就越大，破壞性越強。廠家提供的技術說明，以8DO模塊為例，允許的切換頻率和功率大小都與負載功率因素有關，電阻性負載最高切換頻率100Hz，最大功率48W；燈負載的最高切換頻率10Hz，最大功率10W；感性負載最高切換頻率0.5Hz，最大功率沒有明確數據，與負載電感有關，應小于10W，且電感越大允許的輸出功率越低。

在上述案例中，檢查了在用電路模塊腐蝕狀態，情況如下：在80s開啟/關斷一次的情況下，24VDC/2.4W電磁閥對電路板造成輕微影響，24VDC/6W電磁閥腐蝕作用非常顯著，而24VDC/0.9W以下的中間繼電器影響不太明顯；在2～5s開/啟關斷一次的情況下，24VDC/2.4W以下電磁閥對電路板也能造成明顯影響。

通過統計和上述分析，我們發現故障原因是在設備改造過程中新增了幾個功率6W的電磁閥，直接接入PLC輸出模塊，既無隔離也無任何續流裝置，超過了電路的承受能力。由于功率不算太大，采取的解決辦法是這一部分電磁閥兩端附加外部續流裝置。整改之后，故障大幅度下降。

4. 結語

開關控制是最常見的自動控制方式，感性負載浪涌電壓抑制也是最基本的電磁兼容問題之一，但工程實際中往往容易被忽視。隨著自動化程度提高，浪涌電壓的負面影響更復雜后果更嚴重。在驅動控制電路上使用齊納二極管等裝置進行過電壓抑制，仍然可能引入幅值不高但頻率很高的干擾，可能會對電子控制裝置的可靠性產生很大影響。因此，系統設計時應根據實際需要，在開關動態特性和干擾強度之間進行權衡取舍，采取隔離或者濾波等方式將負載感應電壓的影響限制到最低。浪涌抑制不能依賴控制器的抗干擾能力，而是應遵守分級原則，優先從負載端采取措施，減小其對其他電路的干擾。

[1] 曹楚南. 腐蝕電化學原理[M]. 北京：化學工業出版社，2008.

[2] 吳淑忠, 趙德祥. 齊納二極管在瞬態干擾抑制中的應用[J]. 電子測試，2008（10）.