关于SIEMENSS7—300/400PLC总线故障的分析及排查方法

摘 要：PLC即可编程逻辑控制器，由于其使用方便、功能强大、稳定性强及相对于DCS的低廉价格，广泛应用于工业系统控制中。文章讨论SIEMENS品牌的S7-300/400系列PLC在遇到总线故障时的分析与排查方法。

关键词：PLC；西门子；S7-300；S7-400；ET200M；总线；故障排查

印尼棉兰电厂一期项目为两台220MW常规燃煤单元制机组，其化学制水系统包括：海水淡化预处理（净水站）系统、海水淡化系统及锅炉补给水处理系统。本工程全厂用淡水均来自海水淡化系统，根据业主批准的全厂水量平衡图，系统出力约为140t/h，这其中包括机组自用水、消防用水以及生活用水。由于印尼处于热带地区，燃油罐长期受到太阳直射升温，为防止温度过高引起起火爆炸，需要对燃油罐长期进行喷淋；且由于两台锅炉排污电动门及手动门长期内漏，无法关严，导致锅炉排污量过大，造成锅炉需要经常进行除盐水补水。本项目存在用水吃紧、制水系统长期满负荷运行状况。2014年2月21日早上十一点，制水系统工作断电源丢失，由于机械式电源切换开关切换动作较慢，系统PLC失电，气动门电磁阀失去常带电的开指令后关闭，系统管路憋压，由于管路所采用材质为UPVC，其承压能力相对合金管较弱，同时系统的增压泵无法快速停止，管路压力快速升高导致爆管事故发生，制水系统瘫痪。2016年6月11日晚上九点，因雷雨天气，化学系统在遭遇雷响后瞬间停电，由于系统UPS故障无法正常充放电，系统PLC失电，气动门电磁阀失电关闭，系统管路憋压，管道压力快速升高导致爆管事故发生，制水系统瘫痪，因机组用水不足，业主临时做出停机决定。两次事故都由因PLC供电不稳定导致，而每次重新送电都须重启恢复系统，在重启过程中发生系统故障都会影响系统恢复的速度，因此针对该项目化学制水系统PLC恢复时易出现的故障，总结、分析故障原因和排查方法对今后该类事故发生及快速恢复生产都是大有帮助的。

印尼棉兰电厂一期项目化学制水系统使用浙江欧美环境工程有限公司（OMEX）设计的PLC系统控制，系统由三台上位PC机、PLC控制柜、PLC远程柜、交换机、通讯电缆、网线等设备组成。两台互冗余PLC的CPU单元及三台上位机通过RJ45接头网线连接至交换机组成了控制局域网。PLC的CPU单元为SIEMENS S7-400 412-3H型，PLC的CPU单元通过DP总线实现现场数据采集和指令发送，DP上挂载了11个ET200M通讯模块，各个ET200M与处于同一导轨上的SIEMENS DI、DO、AI、AO模块相连，各个模块通过软芯导线连至机柜内接线端子排从而与就地设备进行对接，实现数据的采集和设备指令控制。三台上位机为两台操作员站和一台工程师站，三台上位机使用microsoft WINDOWS XP操作系统，都安装有WINCC 6.0软件用于調试及维护人员对画面进行编辑、运行操作人员对现场参数设备进行监视和操作，工程师站机安装有STEP7软件组用于项目硬件组态、软件逻辑、网络通信、license等的管理和后期维护[1]。

总线故障是系统恢复过程中出现最频繁的故障，本文着重讨论该类故障的分析和排查方法。当S7-300/400 系列PLC出现总线故障时，CPU单元的BF1灯闪烁或常亮红，同时总线故障会导致系统故障的发生，此时CPU单元的SF灯常亮红。下面介绍S7-300/400 系列PLC出现总线故障时，故障的可能原因和排查方法。

1 CPU单元的异常

当CPU单元失电后恢复时会出现内部记录程序文件丢失或无法读取现象，虽然大部分情况在丢失的电源恢复时CPU仍然能正常读写程序文件，但官方手册中并未提及在使用过程中失电后恢复CPU能否依然正常工作，因此丢失电源对S7 300/400PLC CPU单元及内部程序并非没有影响，其中内部机制和原理本文不作说明，同时在遭受雷击电泳或较强电磁干扰时亦会出现CPU内部记录程序文件丢失或无法读取现象。由于硬件配置文件是存储在CPU模块中的，读取错误会使得CPU单元并不能正常识别出通过总线所挂载的I/O模组，或者误认为连接的硬件与配置表中的硬件不符，导致CPU报总线BF1故障。对于这种情况的解决办法只需要通过STEP 7组态编辑软件组将项目硬件配置重新下装即可，但是大多数项目使用S7-300/400与上位机通讯都是使用挂载的网卡模块连接网线进行通信，当硬件配置出错时会导致PLC无法识别挂载的网卡模块，此时则需要使用RS485串口数据线将计算机与PLC连接来进行硬件配置的下载。如果下载配置后依然失败可以尝试将CPU上的MMC内存卡复位清零后再重新下装硬件配置和软件逻辑。当CPU单元排查后若仍然报BF1故障时，则应查看DP总线上挂载的ET200M通讯模块是否也报BF1故障，若存在故障则按以下分析进行排查。

2 总线接头接触不良

对报错的ET200M通讯模组卡件对应串口RS485插头进行检查。RS485插头由可打开的塑料插头外壳、9个插针和一个小型手动切换开关组成，9个插针通过电路板与电缆接线端子排连接，接线端子排一般分为螺丝锁紧型和夹扎型两种。检查其插头与插口连接是否有松动、接地开关是否有错误设置、内部通讯电缆线芯与插头内部接线端子是否有接触不良、线芯是否老化导致的短路及断路等情况。应确保：插头与插口连接的两个固定螺丝均已锁紧，不会因插头松动导致接触不良；插头针脚完好，没有歪针，断针等现象；插头接地开关均为正常设置的“OFF”位置，使进线电缆与出线电缆保持并联状态；对每个RS485插头拆开检查并重新接线，线芯末端可以正常使用，不存在氧化、金属疲劳等现象；RS485插头的3、8号针脚分别为数据的负端、正端，通讯电缆的红绿两芯分别连接对应端子，复装后的插头使用万用表对相邻的两个插头3、8号针脚进行断路短路检查。

3 总线电缆断路

PLC系统控制总线网络上各设备均并联在DP总线上，分段通讯电缆在插头内部并联接线组成网络的信道骨干，通讯骨干发生异常时易会是PLC系统出现总线故障。许多现场由于电缆部分段地埋，地埋沟排水不当导致积水或者地埋沟内的啮齿动物啃咬，都会对通讯电缆造成隐蔽性破坏。总线电缆的损坏，直接造成PLC系统出现总线故障。一般的现场设备都偏向于集中布置，因此该类情况一般出现在主CPU和远程控制柜的通讯上。检查时，先见确认总线上挂载的其他设备是否全部出现BF1灯常亮红，如果仅远程柜设备报总线故障而总线上的其他设备正常时，则可以判断是远程通信段电缆出现问题。此时先通过万用表测量检查各线芯及屏蔽金属包线是否存在断路短路等情况，当万用表检测出异常时，需将各段紫色（标准电缆）通讯电缆从插头中拆除，通过外观检查是否存在老化、腐蚀、绝缘层破损等现在，检查后确保通讯电缆无异常，绝缘层无老化、破损，内芯无短路、短路现象。

4 其他总线连接线路的异常

由于该项目中总线通讯电缆与部分现场电磁阀动力电缆在机柜内相距较近，且在电缆桥架走线处于同一架槽内，因此存在强电磁干扰的可能性，须对电缆可能存在的干扰进行排查。排查时将通讯电缆固定捆扎带剪开，改变通讯电缆走线位置和方向使其远离强电动力电缆。

5 ET200M模块损坏

一个比较容易忽视的问题是ET200M模块的损坏，正常情况下，这类模块的质量是非常可靠不易损坏的，但如果遇到雷击，强电磁干扰等不可预见情况发生时则难以保证。强电压可以将ET200M模块烧毁，而弱电压亦可以通过RS485接口将ET200M模块损坏，弱电损坏时模块卡表面没有明显的元件烧焦现象，比较难判断其是否损坏。检查时在确保DP总线正常，未串入强电，无强电干扰时，将处于RUN状态的正常CPU与待测ET200M卡件连接，若不报BF1故障且ACT ON灯亮绿，则卡件正常，否则可能已损坏。

6 检查ET200M供电不正常[2]

本项目ET200M模块的电源由所在导轨的PS307模块提供。标准输出为直流24V，检查是否存在电压不稳定，电压过低，或混入交流信号，ET200M模块的供电输入负端和接地端并联，检查并联是否存在虚接，短接片断损等情况。

7 检查通讯地址拨码错误

在系统测试阶段或者更换卡件时，由于未修改ET200M模块上的拨码卡关，则会造成网络地址冲突导致报BF1故障。ET200M模块上的拨码开关为8位二进制拨碼开关，因此网络中DP上可挂载的最大从站数由此拨码可拨最大数限制。检查时建议结合项目硬件配置和STEP7软件，查看各个机柜导轨的ET200M模组地址是否对应。而在更换损坏的ET200M模块时，应该将新模块拨码先调整正确后再装入导轨固定，这样不会出错。

8 系统恢复顺序不正确

当排查完以上故障后，重新启动时，有时也会出现报BF1故障。很多时候可能是因为恢复顺序不对。一般按以下建议顺序可以恢复大部分报BF1故障的系统，该方法只有支持热拔插的系统硬件才能进行：

（1）关闭DP总线上所有挂载设备电源，断开所有挂载设备DP通讯串口插座，启动CPU，使CPU处于RUN状态，此时CPU会因为找不到硬件列表中设置的DP挂载设备而报系统故障，SF灯亮红。

（2）根据网络顺序，重启总线DP上第一个挂载设备。恢复第一个ET200M供电，恢复第一个ET200M数据插座，并把插座调整开关拨“ON”位，拨至“ON”位时使后面DP设备离线，达到排查目的。等待第一个ET200M的BF1故障灯消失，等待时间可长可短，由DP总线的传输速度和设备响应时间决定，但一般不超过60秒，ACT ON灯亮绿。若BF1灯仍然亮红，则应重新按文中之前提及方法对该ET200M模块及对应通讯电缆进行检查。

（3）按（1）、（2）步骤逐个恢复第一个之后的DP设备。

9 结束语

通过对印尼棉兰项目化学制水系统PLC调试及故障恢复的工作经验，总结出针对S7-300/400系列PLC容易出现的一大疑难杂症的分析原因及排查方法，希望能对同行今后对西门子该系列PLC调试及故障处理有所帮助。

参考文献

[1]SIEMENS. SIMATIC HMI WinCC V7.0SP1 MDM-WinCC：通信 系统手册，11/2008[Z].

[2]北京进步时代网.西门子PLC ET200M通讯故障分析[Z].

作者简介：钟力群（1990-），男，汉族，广东广州人，中国能源建设集团华南电力试验研究院有限公司，助理工程师。