篦冷机程控柜CPU 故障的原因分析及处理方法

唐全胜

（惠州市光大水泥企业有限公司，广东惠州 516840）

0 引言

电气自动控制系统，由于设计考虑不周所带来的电气隐患称之为隐性故障。这类隐性故障一旦发生，则危害较大，轻则使控制系统不能正常工作，重则导致重大设备安全事故，造成重大经济损失。现以公司篦冷机程控柜CPU 频繁出现死机的隐性故障及消除故障的查找方法为例，谈谈隐性故障的解决方法，因为在此类故障处理过程中没有什么经验，因此在故障查找过程中也走了不少弯路，现总结经验，吸取教训，供同行参考借鉴。

1 PLC 常见故障与处理步骤

当PLC 出现故障时，常用处理步骤如下：

（1）第一步看CPU 的指示状态。DC 5 V 灯为电源指示，SF红灯亮为系统错误，原因是内部CPU 故障或带诊断功能的模块发生故障，BF 红灯亮表示网络故障。

（2）第二步查看诊断缓冲区。CPU 停机可简单分为致命错误和非致命错误，无论是什么原因导致，都会在CPU 的诊断缓冲区留下痕迹。因此，需要在线查看CPU 的诊断缓冲区，来判断具体的停机情况。CPU 在运行中进入STOP 状态，大致原因如下：①PROFIBUS 网络通信错误；②I/O 模块损坏，导致寻址错误；③程序中有自停机程序；④存储卡或者CPU 有问题；⑤控制系统接地不好，高频干扰导致信号错误；⑥安装机架及背板总线连接器松动，或外界振动造成CPU 与以太网模块接触不良，导致通信不正常。

（3）解决方法：在日常维护中，可以根据故障现象及原因分析，按照以下步骤进行相应的处理：①检测PROFIBUS DP 接口，保证连接正常；②更换损坏的I/O 模块；③检查控制程序；④更换有问题的存储卡或者CPU；⑤控制系统重新做接地，接地统一连接到导轨接地端，然后接地端再连接到电气柜接地排上；⑥紧固CPU、以太网模块的背板总线。

2 篦冷机程控柜CPU 频繁出现的故障现象

公司现篦冷机程控柜及液压站如图1 所示。

图1 篦冷机程控柜及液压站

2019 年11 月6 日夜班凌晨1：00，公司A 线窑篦冷机系统跳停，值班电工接到通知立即赶到现场，发现篦冷机程控柜CPU 处于STOP 状态，同时报SF 故障。

为了尽快恢复生产，当班电工尝试对CPU 进行复位操作，复位步骤如下：①CPU 断电，待CPU 指示灯不亮，拨出内存卡；②CPU 上电，待故障灯不亮及STOP 不闪后，插入内存卡；③CPU 自检，待故障灯不亮及STOP 指示灯不闪后，将开关由运行位打至复位；④待STOP 不闪后再由复位打至STOP 位；⑤由STOP 位打至运行位。

CPU 自检运行灯正常后，电工通知开机，中控开启篦冷机液压传动系统工作正常。运行至6:30，篦冷机再次跳停，CPU 同样报SF 故障，电工又尝试用上述方法对CPU 进行复位操作，结果CPU 一直报SF 故障，同时STOP 灯一直闪烁，故障不能消除，A 线窑被迫止料。

7:40，动力部相关技术人员赶到现场，由于CPU 一直处于STOP 状态，此故障从来没有碰到过，因此技术人员对如何处理此类故障也没有头绪，只能摸索，采用逐一排除法来查找故障原因，查找方法如下：

首先，怀疑现场1～3 段的篦床位移传感器有问题，检查现场1～3 段位移传感器，发现二段位移传感器传输电缆有破损，存在短路现象，更换二段位移传感器及其传输电缆后，故障现象依然存在，因此，故障原因排除了位移传感器。

于是将查找对象放在程控柜的PLC 模块及通信电缆DP 上，对篦冷机程控柜PLC 模块（电源模块，CPU 模块、程序存储卡，DI、DO、AI，AO 模块）逐一进行更换，故障依然；排除程控柜的PLC 模块及存储卡之后，怀疑安装机架及背板总线连接器松动或接触不良，于是更换程控柜中PLC 模块底部的全部总线连接器，故障还是不能排除；因为CPU 在报了SF 系统故障的同时，也报过BF 通信故障，于是对DP 电缆头接线进行检查，同时更换一个新的DP 头，怀疑DP 电缆有问题或受电磁干扰影响，更换篦冷机程控柜DP 通信电缆并对其单独穿管敷设，故障仍然没有排除。

至此，从程控柜模块到通信DP 电缆及接头等已更换完毕，但PLC 故障依然存在，CPU 仍然报SF 系统故障，同时CPU 也一直处于STOP 状态，说明故障根源还未找到。

于是，维修人员拿来手提电脑，调用西门子SIMATIC S7-300 控制程序，解锁程序密码，使用STEP 7 软件在线查看CPU的诊断缓冲区，将相关的历史故障信息调出来，故障记录是“invalid analog signal”即“模拟量信号无效”，但模拟量模块已全部更换，说明故障原因不在模拟量模块上，而是在模拟量信号干扰上，至此锁定篦冷机程控柜故障出在电磁干扰上。

以上篦冷机程控柜PLC 故障的查找过程，故障查找过程说明维修人员在处理此类故障时没有经验，在故障查找过程中走了不少弯路。

3 原因分析

3.1 篦冷机程控柜PLC 系统电源受到污染

经查，由于设计时公司篦冷机程控柜电源没有取自单独的仪表柜，而是取自篦冷机液压传动系统的动力柜。篦冷机液压传动系统的动力柜取自市电，正是因为篦冷机程控柜的电源取自篦冷机液压传动系统的动力柜，从而导致篦冷机PLC 控制器系统的供电电源取自市电，由于市电电网覆盖范围广，会受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电流。尤其是电网内部的变化，如开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都会通过输电线路传到PLC电源原边。

虽然公司篦冷机程控柜PLC 的电源，设计院在设计时考虑到电磁干扰因素而采用了隔离电源，但隔离电源的机构及制造工艺因素使其隔离性能并不理想。实际上，由于分布参数特别是分布电容的存在，绝对隔离是不可能的。尤其是PLC 电源与强干扰设备共用一组电源，则这种电源污染更为明显。

3.2 PLC 输入和输出信号受到干扰

PLC 的输入和输出信号一般为单端脉冲信号，如果现场有变频器、伺服电机、焊机或其他大功率设备，都可能对PLC 的信号产生干扰，从而改变信号的电平位，使其输入和输出波形由方波信号变为带有杂波的信号。

在调试之初和前几年运行过程中，公司篦冷机液压传动程控柜PLC 控制器从没有出现CPU 死机现象，进一步分析查找现在出现此现象的原因。

因为在2019 年7、8 月及9、10 月期间公司从节能降耗考虑，逐步对A 线篦冷机二段的143.22，143.23 风机（电机功率132 kW）和三段的143.24，143.25，143.26 风机（电机功率90 kW）分别进行变频改造，风量由电动阀门调节进风大小方式改为取消阀门，由变频调速控制进风风量方式，从而改变篦冷机程控柜的工作环境，大功率变频器对PLC 的输入输出信号产生电磁干扰。

4 处理措施

（1）临时紧急处理措施是：将取自篦冷机液压传动系统动力柜的交流220 V 电源在程控柜内加装型号为CW4N-10A-R 电源滤波器，PLC 电源加装滤波器（图2）。

图2 篦冷机液压系统动力柜的PLC 电源加装滤波器

（2）将篦冷机程控柜PLC 与现场的采集信号进行隔离。其中，数字信号通过中间继电器的方式进行隔离，模拟量信号通过隔离器连接进行隔离。可以防止干扰信号直接进入PLC，以保证PLC 能够正常工作。

（3）将所有信号屏蔽电缆的屏蔽层重新梳理一遍，重新进行接地。

通过以上措施，篦冷机程控柜PLC 死机现象消除。为了更好地消除PLC 电源污染，2020 年3 月，利用大修停窑机会，将篦冷机程控柜PLC 的电源重新进行更改，由于篦冷机程控柜PLC的负荷不大，将其电源由原来的篦冷机液压传动系统动力柜提供，改为由窑头DCS 控制站6 kVA 的UPS 电源提供。

5 结束语

以上故障的处理过程，证明维修人员处理故障的经验不足，在故障处理过程中走了弯路，同时视野还不够开扩，对全局掌控不够全面，因此仍需要加强理论与技术的学习，只有理论与实践相结合，做到熟能生巧，才能在难点问题出现时亦能应对自如，及时解决问题，保证生产的正常运行。