關于SIEMENSS7—300/400PLC總線故障的分析及排查方法

摘 要：PLC即可編程邏輯控制器，由于其使用方便、功能強大、穩定性強及相對于DCS的低廉價格，廣泛應用于工業系統控制中。文章討論SIEMENS品牌的S7-300/400系列PLC在遇到總線故障時的分析與排查方法。

關鍵詞：PLC；西門子；S7-300；S7-400；ET200M；總線；故障排查

印尼棉蘭電廠一期項目為兩臺220MW常規燃煤單元制機組，其化學制水系統包括：海水淡化預處理（凈水站）系統、海水淡化系統及鍋爐補給水處理系統。本工程全廠用淡水均來自海水淡化系統，根據業主批準的全廠水量平衡圖，系統出力約為140t/h，這其中包括機組自用水、消防用水以及生活用水。由于印尼處于熱帶地區，燃油罐長期受到太陽直射升溫，為防止溫度過高引起起火爆炸，需要對燃油罐長期進行噴淋；且由于兩臺鍋爐排污電動門及手動門長期內漏，無法關嚴，導致鍋爐排污量過大，造成鍋爐需要經常進行除鹽水補水。本項目存在用水吃緊、制水系統長期滿負荷運行狀況。2014年2月21日早上十一點，制水系統工作斷電源丟失，由于機械式電源切換開關切換動作較慢，系統PLC失電，氣動門電磁閥失去常帶電的開指令后關閉，系統管路憋壓，由于管路所采用材質為UPVC，其承壓能力相對合金管較弱，同時系統的增壓泵無法快速停止，管路壓力快速升高導致爆管事故發生，制水系統癱瘓。2016年6月11日晚上九點，因雷雨天氣，化學系統在遭遇雷響后瞬間停電，由于系統UPS故障無法正常充放電，系統PLC失電，氣動門電磁閥失電關閉，系統管路憋壓，管道壓力快速升高導致爆管事故發生，制水系統癱瘓，因機組用水不足，業主臨時做出停機決定。兩次事故都由因PLC供電不穩定導致，而每次重新送電都須重啟恢復系統，在重啟過程中發生系統故障都會影響系統恢復的速度，因此針對該項目化學制水系統PLC恢復時易出現的故障，總結、分析故障原因和排查方法對今后該類事故發生及快速恢復生產都是大有幫助的。

印尼棉蘭電廠一期項目化學制水系統使用浙江歐美環境工程有限公司（OMEX）設計的PLC系統控制，系統由三臺上位PC機、PLC控制柜、PLC遠程柜、交換機、通訊電纜、網線等設備組成。兩臺互冗余PLC的CPU單元及三臺上位機通過RJ45接頭網線連接至交換機組成了控制局域網。PLC的CPU單元為SIEMENS S7-400 412-3H型，PLC的CPU單元通過DP總線實現現場數據采集和指令發送，DP上掛載了11個ET200M通訊模塊，各個ET200M與處于同一導軌上的SIEMENS DI、DO、AI、AO模塊相連，各個模塊通過軟芯導線連至機柜內接線端子排從而與就地設備進行對接，實現數據的采集和設備指令控制。三臺上位機為兩臺操作員站和一臺工程師站，三臺上位機使用microsoft WINDOWS XP操作系統，都安裝有WINCC 6.0軟件用于調試及維護人員對畫面進行編輯、運行操作人員對現場參數設備進行監視和操作，工程師站機安裝有STEP7軟件組用于項目硬件組態、軟件邏輯、網絡通信、license等的管理和后期維護[1]。

總線故障是系統恢復過程中出現最頻繁的故障，本文著重討論該類故障的分析和排查方法。當S7-300/400 系列PLC出現總線故障時，CPU單元的BF1燈閃爍或常亮紅，同時總線故障會導致系統故障的發生，此時CPU單元的SF燈常亮紅。下面介紹S7-300/400 系列PLC出現總線故障時，故障的可能原因和排查方法。

1 CPU單元的異常

當CPU單元失電后恢復時會出現內部記錄程序文件丟失或無法讀取現象，雖然大部分情況在丟失的電源恢復時CPU仍然能正常讀寫程序文件，但官方手冊中并未提及在使用過程中失電后恢復CPU能否依然正常工作，因此丟失電源對S7 300/400PLC CPU單元及內部程序并非沒有影響，其中內部機制和原理本文不作說明，同時在遭受雷擊電泳或較強電磁干擾時亦會出現CPU內部記錄程序文件丟失或無法讀取現象。由于硬件配置文件是存儲在CPU模塊中的，讀取錯誤會使得CPU單元并不能正常識別出通過總線所掛載的I/O模組，或者誤認為連接的硬件與配置表中的硬件不符，導致CPU報總線BF1故障。對于這種情況的解決辦法只需要通過STEP 7組態編輯軟件組將項目硬件配置重新下裝即可，但是大多數項目使用S7-300/400與上位機通訊都是使用掛載的網卡模塊連接網線進行通信，當硬件配置出錯時會導致PLC無法識別掛載的網卡模塊，此時則需要使用RS485串口數據線將計算機與PLC連接來進行硬件配置的下載。如果下載配置后依然失敗可以嘗試將CPU上的MMC內存卡復位清零后再重新下裝硬件配置和軟件邏輯。當CPU單元排查后若仍然報BF1故障時，則應查看DP總線上掛載的ET200M通訊模塊是否也報BF1故障，若存在故障則按以下分析進行排查。

2 總線接頭接觸不良

對報錯的ET200M通訊模組卡件對應串口RS485插頭進行檢查。RS485插頭由可打開的塑料插頭外殼、9個插針和一個小型手動切換開關組成，9個插針通過電路板與電纜接線端子排連接，接線端子排一般分為螺絲鎖緊型和夾扎型兩種。檢查其插頭與插口連接是否有松動、接地開關是否有錯誤設置、內部通訊電纜線芯與插頭內部接線端子是否有接觸不良、線芯是否老化導致的短路及斷路等情況。應確保：插頭與插口連接的兩個固定螺絲均已鎖緊，不會因插頭松動導致接觸不良；插頭針腳完好，沒有歪針，斷針等現象；插頭接地開關均為正常設置的“OFF”位置，使進線電纜與出線電纜保持并聯狀態；對每個RS485插頭拆開檢查并重新接線，線芯末端可以正常使用，不存在氧化、金屬疲勞等現象；RS485插頭的3、8號針腳分別為數據的負端、正端，通訊電纜的紅綠兩芯分別連接對應端子，復裝后的插頭使用萬用表對相鄰的兩個插頭3、8號針腳進行斷路短路檢查。

3 總線電纜斷路

PLC系統控制總線網絡上各設備均并聯在DP總線上，分段通訊電纜在插頭內部并聯接線組成網絡的信道骨干，通訊骨干發生異常時易會是PLC系統出現總線故障。許多現場由于電纜部分段地埋，地埋溝排水不當導致積水或者地埋溝內的嚙齒動物啃咬，都會對通訊電纜造成隱蔽性破壞。總線電纜的損壞，直接造成PLC系統出現總線故障。一般的現場設備都偏向于集中布置，因此該類情況一般出現在主CPU和遠程控制柜的通訊上。檢查時，先見確認總線上掛載的其他設備是否全部出現BF1燈常亮紅，如果僅遠程柜設備報總線故障而總線上的其他設備正常時，則可以判斷是遠程通信段電纜出現問題。此時先通過萬用表測量檢查各線芯及屏蔽金屬包線是否存在斷路短路等情況，當萬用表檢測出異常時，需將各段紫色（標準電纜）通訊電纜從插頭中拆除，通過外觀檢查是否存在老化、腐蝕、絕緣層破損等現在，檢查后確保通訊電纜無異常，絕緣層無老化、破損，內芯無短路、短路現象。

4 其他總線連接線路的異常

由于該項目中總線通訊電纜與部分現場電磁閥動力電纜在機柜內相距較近，且在電纜橋架走線處于同一架槽內，因此存在強電磁干擾的可能性，須對電纜可能存在的干擾進行排查。排查時將通訊電纜固定捆扎帶剪開，改變通訊電纜走線位置和方向使其遠離強電動力電纜。

5 ET200M模塊損壞

一個比較容易忽視的問題是ET200M模塊的損壞，正常情況下，這類模塊的質量是非常可靠不易損壞的，但如果遇到雷擊，強電磁干擾等不可預見情況發生時則難以保證。強電壓可以將ET200M模塊燒毀，而弱電壓亦可以通過RS485接口將ET200M模塊損壞，弱電損壞時模塊卡表面沒有明顯的元件燒焦現象，比較難判斷其是否損壞。檢查時在確保DP總線正常，未串入強電，無強電干擾時，將處于RUN狀態的正常CPU與待測ET200M卡件連接，若不報BF1故障且ACT ON燈亮綠，則卡件正常，否則可能已損壞。

6 檢查ET200M供電不正常[2]

本項目ET200M模塊的電源由所在導軌的PS307模塊提供。標準輸出為直流24V，檢查是否存在電壓不穩定，電壓過低，或混入交流信號，ET200M模塊的供電輸入負端和接地端并聯，檢查并聯是否存在虛接，短接片斷損等情況。

7 檢查通訊地址撥碼錯誤

在系統測試階段或者更換卡件時，由于未修改ET200M模塊上的撥碼卡關，則會造成網絡地址沖突導致報BF1故障。ET200M模塊上的撥碼開關為8位二進制撥碼開關，因此網絡中DP上可掛載的最大從站數由此撥碼可撥最大數限制。檢查時建議結合項目硬件配置和STEP7軟件，查看各個機柜導軌的ET200M模組地址是否對應。而在更換損壞的ET200M模塊時，應該將新模塊撥碼先調整正確后再裝入導軌固定，這樣不會出錯。

8 系統恢復順序不正確

當排查完以上故障后，重新啟動時，有時也會出現報BF1故障。很多時候可能是因為恢復順序不對。一般按以下建議順序可以恢復大部分報BF1故障的系統，該方法只有支持熱拔插的系統硬件才能進行：

（1）關閉DP總線上所有掛載設備電源，斷開所有掛載設備DP通訊串口插座，啟動CPU，使CPU處于RUN狀態，此時CPU會因為找不到硬件列表中設置的DP掛載設備而報系統故障，SF燈亮紅。

（2）根據網絡順序，重啟總線DP上第一個掛載設備。恢復第一個ET200M供電，恢復第一個ET200M數據插座，并把插座調整開關撥“ON”位，撥至“ON”位時使后面DP設備離線，達到排查目的。等待第一個ET200M的BF1故障燈消失，等待時間可長可短，由DP總線的傳輸速度和設備響應時間決定，但一般不超過60秒，ACT ON燈亮綠。若BF1燈仍然亮紅，則應重新按文中之前提及方法對該ET200M模塊及對應通訊電纜進行檢查。

（3）按（1）、（2）步驟逐個恢復第一個之后的DP設備。

9 結束語

通過對印尼棉蘭項目化學制水系統PLC調試及故障恢復的工作經驗，總結出針對S7-300/400系列PLC容易出現的一大疑難雜癥的分析原因及排查方法，希望能對同行今后對西門子該系列PLC調試及故障處理有所幫助。

參考文獻

[1]SIEMENS. SIMATIC HMI WinCC V7.0SP1 MDM-WinCC：通信 系統手冊，11/2008[Z].

[2]北京進步時代網.西門子PLC ET200M通訊故障分析[Z].

作者簡介：鐘力群（1990-），男，漢族，廣東廣州人，中國能源建設集團華南電力試驗研究院有限公司，助理工程師。