西門子S7-300遠(yuǎn)程I/O站設(shè)備故障處理

王明軍

（淮安同方水務(wù)有限公司 江蘇淮安）

1.問題

2個(gè)S7-300系列PLC站，每個(gè)S7-300 PLC站主機(jī)架均有若干個(gè)通過PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡(luò)（RS-485電平）連接的遠(yuǎn)程I/O分站。PLC1、PLC2、兩臺(tái)監(jiān)控上位機(jī)以環(huán)形光釬以太網(wǎng)形式連成網(wǎng)絡(luò)（圖1），其中1～3為帶有光口及電口的工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，PC1和PC2為監(jiān)控上位機(jī)。交換機(jī)光口分別插入多模光纖構(gòu)成10/100 Mbps環(huán)形以太網(wǎng)，普通網(wǎng)線連接PLC1、PLC2站中以太網(wǎng)模塊和交換機(jī)電口。PC1、PC2分別為工程師站及操作員站，均配有普通網(wǎng)卡，通過網(wǎng)線插入以太網(wǎng)交換機(jī)，采用杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司的FACVIEW 6.0組態(tài)軟件。PLC1及PLC2的遠(yuǎn)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(yè)控制網(wǎng)絡(luò)

2014年7月開始，PLC站遠(yuǎn)程I/O站控制的設(shè)備在遠(yuǎn)程手動(dòng)和自動(dòng)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)不明原因停機(jī)，有時(shí)一個(gè)班停好幾次，有時(shí)好幾天又正常。進(jìn)一步觀察不明原因停機(jī)分兩種情況：①設(shè)備停機(jī)后，必須中控室操作人員從上位機(jī)手動(dòng)重新啟動(dòng)，才能正常運(yùn)行；②設(shè)備停機(jī)后，經(jīng)過短暫時(shí)間自行恢復(fù)正常運(yùn)行。

2.故障處理

設(shè)備遠(yuǎn)程手動(dòng)或自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，由PLC程序及中控室操作人員命令決定其運(yùn)行規(guī)律。因此首先懷疑是PLC站中控制該設(shè)備的梯形圖程序出現(xiàn)問題，但監(jiān)控西門子STEP7運(yùn)行程序，一切正常。而且PLC1及PLC2中程序已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行8年多，無人修改程序，PLC程序中不應(yīng)該有邏輯及其他編程錯(cuò)誤。判斷PLC硬件出現(xiàn)問題，先后使用備品更換兩個(gè)PLC站的主機(jī)架CPU模塊、各遠(yuǎn)程I/O站PROFIBUS-DP通信接口模塊IM153-2、各遠(yuǎn)程站I/O模塊、主機(jī)架及遠(yuǎn)程I/O機(jī)架的底板等部件，正常運(yùn)行一段時(shí)間后，問題重現(xiàn)。CPU模塊也沒有報(bào)硬件及與遠(yuǎn)程站通信故障，據(jù)此初步判斷PLC系統(tǒng)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(qū)。根據(jù)故障信息中的日期時(shí)間及值班人員記錄發(fā)現(xiàn)，每出現(xiàn)1次CPU和某個(gè)遠(yuǎn)程I/O站通信失敗，就有一些設(shè)備異常停機(jī)。每次通信失敗后均能自動(dòng)恢復(fù)，從通信失敗到通信恢復(fù)，時(shí)間一般就幾秒鐘。結(jié)合相應(yīng)設(shè)備梯形圖程序邏輯分析，確認(rèn)是CPU和遠(yuǎn)程I/O站通信失敗，導(dǎo)致設(shè)備異常停機(jī)。

2014年9月，PLC2站9#遠(yuǎn)程I/O站控制的1#二級(jí)提升泵異常停機(jī)。值班記錄顯示當(dāng)日21：55，泵出現(xiàn)異常停機(jī)，導(dǎo)出的該時(shí)段 PLC 緩沖區(qū)部分信息見圖2，可以看出，21：55：48：25時(shí)（event 2 of 10），CPU 與 9#遠(yuǎn)程 I/O 通信失敗，21：55：50：509（event 1 of 10）通信恢復(fù)，通信中斷2 s多。該臺(tái)水泵部分梯形圖程序見圖3，I0.0為提升泵控制柜上的現(xiàn)場(chǎng)/遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)換開關(guān)，當(dāng)開關(guān)為遠(yuǎn)程位置時(shí)I0.0為1，水泵故障時(shí)I0.1為1；M100.0為上位機(jī)設(shè)定的提升泵工作模式，選定為遠(yuǎn)程自動(dòng)模式運(yùn)行時(shí)，M100.0為1，選定為遠(yuǎn)程手動(dòng)模式時(shí)為0；M100.1為上位機(jī)啟/停命令，當(dāng)在上位機(jī)點(diǎn)動(dòng)啟動(dòng)水泵時(shí)M100.1為1，再次點(diǎn)動(dòng)時(shí)M100.1為0，再次點(diǎn)動(dòng)又為1……M100.0、M100.1與上位機(jī)通信軟件相連；M200.0為遠(yuǎn)程自動(dòng)工作模式時(shí)啟/停命令；Q0.0為輸出繼電器，控制提升泵啟/停。根據(jù)NETWORK 1，在現(xiàn)場(chǎng)/遠(yuǎn)程開關(guān)轉(zhuǎn)換選定在遠(yuǎn)程位置（I0.0為1），無故障（I0.1為0），上位機(jī)將該設(shè)備選定在遠(yuǎn)程手動(dòng)模式時(shí)（M100.0為0），在上位機(jī)點(diǎn)動(dòng)開/停機(jī)按鈕，則M100.1為1，Q0.0就為1，水泵運(yùn)行，如果要停機(jī)，則需要再次點(diǎn)動(dòng)開/停機(jī)按鈕，M100.1為0，Q0.0為0，水泵停止運(yùn)行。

圖2 PLC緩沖區(qū)信息

圖3 水泵梯形圖程序

本段梯形圖程序的輸入點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)/遠(yuǎn)程I0.0、故障I0.1正好來自9#遠(yuǎn)程I/O站，輸出Q0.0來自另外1個(gè)遠(yuǎn)程I/O站。根據(jù)前面PLC故障診斷緩沖區(qū)信息分析，結(jié)合NETWORK 1，CPU和9#遠(yuǎn)程I/O通信中斷2 s多一點(diǎn)，在此時(shí)間內(nèi)Q0.0輸出為0，水泵短時(shí)停機(jī)后自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行。從NETWORK 2看，短時(shí)間通信中斷，CPU讀不到該遠(yuǎn)程站輸入模塊的信息，會(huì)自動(dòng)將對(duì)應(yīng)輸入映像區(qū)的值設(shè)定為0。從程序中可以看出，一旦I0.0為0，就將上位機(jī)開/停機(jī)指令M100.1清0，M100.1為0后，Q0.0就為0，設(shè)備停止運(yùn)行。只有在上位機(jī)人為重新點(diǎn)動(dòng)水泵啟/停按鈕，將M100.1置位為1，設(shè)備才能重新運(yùn)行。逐一對(duì)照檢查PLC故障診斷緩沖區(qū)中的通信中斷信息、相應(yīng)異常停機(jī)設(shè)備梯形圖程序以及中控室值班記錄發(fā)現(xiàn)，每臺(tái)設(shè)備異常停機(jī)后重新遠(yuǎn)程人為啟動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)行，均是上述原因。

分析發(fā)現(xiàn)，第二類設(shè)備異常也是因CPU和相應(yīng)遠(yuǎn)程I/O站通信中斷引起。

短時(shí)間內(nèi)通信中斷后又恢復(fù)，且無任何規(guī)律，幾天不出現(xiàn)或一天出現(xiàn)幾次。一旦出現(xiàn)CPU上的通信故障，指示LED燈也是一閃而過又恢復(fù)正常，維護(hù)人員現(xiàn)場(chǎng)也無法使用常規(guī)的萬用表等工具檢測(cè)捕捉這一過程。

3.解決措施

經(jīng)咨詢西門子技術(shù)支持得知，是電磁干擾進(jìn)入PROFIBUSDP總線，引起CPU與遠(yuǎn)程I/O站瞬間或短時(shí)間通信中斷。2014年10月，按照西門子技術(shù)支持提供的減小電磁干擾方法，進(jìn)行整改。

（1）PLC CPU所在控制柜及遠(yuǎn)程I/O站所在控制柜良好接地，等電位聯(lián)結(jié)CPU所在控制柜與所有遠(yuǎn)程I/O站所在控制柜接地。該廠PLC2號(hào)站CPU所在主機(jī)架在1個(gè)控制柜，其他6～14遠(yuǎn)程I/0站分布在3個(gè)控制柜，4個(gè)控制柜緊靠在一起。檢查每個(gè)柜接地情況，發(fā)現(xiàn)個(gè)別接地不牢靠，重新進(jìn)行緊固；PLC1號(hào)站主機(jī)架和遠(yuǎn)程I/O機(jī)架在同一個(gè)控制柜，也對(duì)其接地進(jìn)行檢查緊固。若這些控制柜距離較遠(yuǎn)，在每一個(gè)柜接地良好前提下，還應(yīng)將所有控制柜接地做等電位聯(lián)結(jié)。

（2）PLC主機(jī)架、遠(yuǎn)程I/O機(jī)架接地。PLC上安裝模塊的機(jī)架有接地點(diǎn)，必須確保模塊機(jī)架和本柜體接地良好。

（3）為保證通信質(zhì)量，應(yīng)優(yōu)先選用西門子生產(chǎn)的PROFIBUSDP通信電纜及PROFIBUS-DP接頭。制作PROFIBUS-DP接頭時(shí)，應(yīng)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(yīng)該盡可能遠(yuǎn)離動(dòng)力電纜，特別要遠(yuǎn)離變頻設(shè)備的動(dòng)力電纜。檢查發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)象。

（4）將網(wǎng)絡(luò)起始兩頭站點(diǎn)PROFIBUS-DP接頭外殼接地。

（5）采取杜絕電源干擾措施。由于電網(wǎng)中變頻設(shè)備應(yīng)用，大功率動(dòng)力設(shè)備的開關(guān)等形成的諧波、浪涌等沖擊，會(huì)通過電源對(duì)通信造成干擾，建議用UPS向PLC供電。

經(jīng)過上述整改，截至目前，未再出現(xiàn)設(shè)備異常停機(jī)現(xiàn)象。