PLC系统故障诊断与排除

nullnull第16章 PLC系统故障诊断与排除 内容提要     PLC故障的分类及诊断（常见故障分类、故障类型及诊断方法）  PLC的硬件故障诊断与排除（系统故障、CPU单元故障、I/O单元故障、噪声故障null   PLC的控制系统中的故障分布情况是：CPU单元故障占5%；I/O单元故障占15%；系统布线故障占5%；输出设备故障占30%；输入设备故障占45%。由此可见，在PLC本身的20%的故障中，大多数是由恶劣环境造成的。而80%的故障是用户使用不当造成的。 PLC自身具有故障诊断的功能，这在用户学习PLC应用时就应该牢固掌握。但其诊断功能和故障显示的内容必竟有限。其次是有些PLC“用户手册”上给了故障检查流程图，例如SYSMAC-C200H的故障总体检查流程图（如图16.1所示）。当然这些资料也是极为重要的，应该熟悉并深刻理解它。但是，它只不过给出检查步骤，具体处理起来还会遇到许多现实困难。null图16.1 故障总体检修流程图 null图16.2 故障检查步骤框图 null   16.1 PLC常见故障种类及诊断方法 16.1.1 PLC故障现象的分类和诊断步骤 故障现象的分类及故障原因如16.1所示。图16.2所示是故障诊断步骤框图。 表16.1 PLC故障现象的分类及故障原因null16.1.2 故障诊断要点 1．CPU异常 CPU异常报警时，应检查CPU单元连接于内部总线上的所有器件。 2．存储器异常 存储器异常报警时，如果是程序存储器的问题，重新编程后故障现象会反复出现。这种情况可能是噪声的干扰引起程序的变化。否则，应更换存储器。 3．输入/输出异常、扩展单元异常 发生这类报警时，应首先检查输入/输出单元和扩展单元连接器的插入状态、电缆连接状态，确定故障发生在某单元之后，再更换单元。 null4．不执行程序 对于不执行程序，一般情况下可依照输入→程序执行→输出的步骤进行检查。 （1）输入检查是利用输入LED指示灯识别，或用写入器构成的输入监视器检查。当输入LED不亮时，可初步确定是外部输入系统故障，再配合万用表检查。如果测出电压不正常，就可确定是输入单元故障。当LED是亮的而内部监视器无显示时，则可认为是输入单元、CPU单元或扩展单元的故障。 （2）程序执行检查是通过写入器上的监视器检查。当梯形图的接点状态与结果不一致时，则是程序错误（例如内部继电器双重使用等），或是PLC内部的运算部分出现故障。 （3）输出检查可用输出LED指示灯识别。当运算结果正确而输出LED指示错误时，则可认为是CPU单元、I/O接口单元的故障。当输出LED是亮的而无输出，则可判断是输出单元故障，或是外部负载系统出现了故障。 null   5．部分程序不执行 当部分程序不执行时，检查方法与4项相同。 6．电源短时掉电，程序内容消失 当电源短时掉电，程序内容会消失，这时除了检查电池，还要进行下述检查： （1）通过反复通断PLC本身电源来检查。为使微处理器正确启动，PLC中设有初始复位电路和电源断开时的保存程序电路，这种电路发生故障时，就不能保存程序。所以可用电源的通断进行检查。 （2）如果在更换电池后仍然出现电池异常报警，就可判定是存储器或是外部回路的漏电流异常增大所致。 （3）电源的通断总是与机械系统同步发生，这时可检查机械系统产生的噪声影响。因为电源的断开是常与机械系统运行同时发生的故障，绝大部分是电机或线圈所产生的强噪声所致。 null   7．PROM不能运转 当PROM不能运转时，先检查PROM插入是否良好，然后确定是否需要更换芯片。 8．电源重新投入或复位后，动作停止 这种故障可认为是噪声干扰或PLC内部接触不良所致。噪声原因将在后续内容中讨论，对结构原因则可通过轻轻敲PLC机体进行检查。还要检查一下电缆和连接器的插入状态。 null   16.1.3 PLC常见故障及诊断方法 1．PLC故障类型的判断 一般PLC的基本单元面板上都有指示发光二极管，利用它的亮灭可提示用户设备故障的类型。 图16.3 CPM1A面板示意图 null   2．PLC故障诊断流程图 PLC各种不同故障的基本思路和方法。 （1）PLC故障检查总流程图如图16.4所示。 （2）电源故障检查流程图如图16.5所示。 （3）运行故障检查流程图如图16.6所示。 （4）输入故障检查流程图如图16.7所示。 （5）输出故障检查流程图如图16.8所示。 综上所述，根据PLC控制系统中CPU面板上的指示，先确定故障在哪一模块上，然后再确定故障的具体部位。检查的方法是按电源→系统运行→输入的顺序逐一进行。 null图16.4 PLC故障检查总流程图 null图16.5 电源故障检查流程图 null图16.6 运行故障检查流程图 null图16.7 输入故障检查流程图 null图16.8 输出故障检查流程图    16.1.4 锂电池维护 锂电池放电寿命约5年左右。当电池的电压逐渐降低到一定值时，LED指示灯（在基本单元上）便点亮。换电池必须在短时间内完成，只有这样，PLC内部的用户程序才不会丢失。 null   16.2 PLC的硬件故障诊断与排除 16.2.1 系统硬件故障诊断与排除 PLC硬件故障与所选用机种及工作环境关系很大，当系统发生故障时，正确区分是硬件还是软件故障是很重要的 。 1．PLC的硬件故障诊断 这里以PLC硬件故障为中心，按硬件结构分出故障种类，指出故障现象并故障产生的原因见表16.2。 null表16.2 PLC硬件故障诊断表 null续表 null   2．PLC故障诊断的基本方法 （1）发生异常时的识别。发生故障时，为了迅速查出故障原因并予以及时处理，在切断电源和复位之前，必须识别下述两点： ① 机械动作状态。向运行人员了解机械部件的运行情况。 ② 观察PLC显示内容。观察电源、RUN、输入输出指示灯，检查PLC自诊断结果的显示内容。 （2）异常状态的识别。为了识别异常状态如何变化。可以将开关从“RUN”位置切换至“STOP”位置，经短暂复位再切换至“RUN”位置开关或保持在“RUN”位置不变，切除PLC电源后再投入运行。经过上述操作后，如果PLC返回初始状态并能正常运转，就可判定并不是PLC硬件故障或软件异常，而是外部原因所致，如噪声干扰、电源异常等等。 （3）判断是否硬件故障。PLC硬件故障具有持续性和重复性。其判断方法是切断后再接通PLC电源或复位操作，通过几次重复试验都发生了相同的故障，则可判定是PLC本身的硬件故障。经过上述操作后，如果故障不能再现，就说明是外部环境干扰或是瞬时停电所致。null   （1）发生异常时的识别。发生故障时，为了迅速查出故障原因并予以及时处理，在切断电源和复位之前，必须识别下述两点： ① 机械动作状态。向运行人员了解机械部件的运行情况。 ② 观察PLC显示内容。观察电源、RUN、输入输出指示灯，检查PLC自诊断结果的显示内容。 （2）异常状态的识别。为了识别异常状态如何变化。可以将开关从“RUN”位置切换至“STOP”位置，经短暂复位再切换至“RUN”位置开关或保持在“RUN”位置不变，切除PLC电源后再投入运行。经过上述操作后，如果PLC返回初始状态并能正常运转，就可判定并不是PLC硬件故障或软件异常，而是外部原因所致，如噪声干扰、电源异常等等。null （3）判断是否硬件故障。PLC硬件故障具有持续性和重复性。其判断方法是切断后再接通PLC电源或复位操作，通过几次重复试验都发生了相同的故障，则可判定是PLC本身的硬件故障。经过上述操作后，如果故障不能再现，就说明是外部环境干扰或是瞬时停电所致。 （4）判断是否程序错误。PLC程序错误引起的故障具有再现性。 （5）判断是否外部原因。PLC控制系统发生异常时，一般容易引起怀疑的可能是PLC本身出了问题。主要检查的项目如下： ① 检查输入/输出设备状态。安装不当、调整不良，行程开关等的触点接触不良，在运行初期很难发现，运行一段时间后才能暴露出问题。null ② 检查配线。输入/输出配线有可能断路、短路、接地，也可能与其他导线相碰等。 以上两种情况的故障是断续性的，容易查找。 ③ 噪声、浪涌。在特定机械运转或与其他设备同步运转过程中出现的故障，应在PLC外部或PLC侧采取抗干扰措施。 ④ 电源异常。电源电压过高或过低，临时停电、瞬时停电、供电系统上的噪声源等。 （6）故障的产生与外部工作同步。判断噪声、瞬时停电等外部原因最有效的方法，就是了解PLC之外生产设备的工作状态，分析故障现象是否与外部工作状态同步。若故障现象与被控对象的特定状态同步发生，说明该故障与被控对象有关。另外故障现象也会与其他生产设备和特定状态同步发生。 null16.2.2 CPU单元的故障诊断与排除 1．PLC的内部结构 如图16.9所示为PLC的一般内部结构。 2．故障原因及处理方法 CPU的故障原因分为外部原因和内部原因。 （1）外部原因有电源电压波动，电源瞬时停电，电源长时间停电，环境湿度变化，环境温度变化；振动、噪声冲击，程序设计错误，使用操作错误等。 （2）内部故障原因。如表16.3所示为CPU故障的内部原因诊断。 null图16.9 PLC内部结构图 null表16.3 CPU故障的内部故障诊断处理 null16.2.3 I/O单元的故障诊断与排除 1．输入单元的故障诊断 输入单元故障的主要原因是：工作环境的影响，半导体器件的时效变化，噪声源、感应源的影响，输入单元电气规格选择不当等。输入单元故障及维修方法如表16.4所示。 表16.4 输入单元故障及维修 null续表 null2．输出单元的故障诊断 输出单元的故障现象、故障原因及处理方法如表16.5所示。 表16.5 输出单元故障及维修方法 null续表 null16.2.4 PLC的噪声故障 1．噪声三要素 噪声强度×耦合强度噪声影响系数的三个要素：噪声源及其强度；耦合媒体及其耦合强度；受噪体的抗噪性。可用公式表达： 噪声影响系数＝ 由此可知，为了减小噪声影响系数，可从减小式中的分子和增大分母入手。受噪体就是使用的PLC。减小分子就是要设法减小噪声源的强度和耦合强度，当然最有效的办法是消除噪声源，但有些噪声源却无法消除，只能把它减小到一定程度，如电磁线圈。这时就应分析噪声的耦合媒体、传输途径，并采取有效措施防止噪声侵入，如加装屏蔽、接入噪声滤波器等。噪声强度×耦合强度受噪体的抗噪性null （1）噪声源。在工业现场产生噪声因素很多，例如，继电器触点和开关在放电，继电器线圈和电磁铁线圈断电时产生的浪涌电压，空中电磁波等，都是噪声源。另外，如果把电源也看成是一种信号的话，那么电源电压的波动或瞬停，也可解释成是一种噪声源。典型噪声源如表16.6所示。 表16.6 典型噪声源 null （2）噪声侵入途径、耦合媒体。噪声侵入PLC的途径有电源、I/O部、大地和空中。另外，噪声还会以空中电磁感应或静电感应、导线等作为耦合媒体侵入PLC，如表16.7所示。 表16.7 噪声耦合媒体null 2．共模噪声和常模噪声 （1）共模噪声。接地（大地）与电源、输入/输出配线之间的噪声所产生的电位差，侵入PLC内部回路便引起误动作，称这种噪声为共模噪声，如图16.10所示。它是由于各种外部信号与内部回路间的寄生电容CS在充放电时，引起内部回路上电压剧烈变化所产生的一种噪声。对这种噪声的抗噪性，用户无法采取更有效的措施，完全取决于PLC制造厂家所采]取的措施。共模噪声源有各导线上感应电弧产生的噪声、高电位的感应电压、电波、静电等。 共模噪声强度取决于寄生电容CS，金属外壳接地的PLC机，共模噪声要弱一些，所以接地是降低这种噪声的主要途径。 图16.10 共模噪声 null （2）常模噪声。常模噪声是施加于电源、输入/输出配线之间的一种噪声，也称线间噪声，如图16.11所示。这种噪声主要是接于线路上的感性负载产生的反电势产生的。从电源侧来看，噪声源是来自于接在电源系统中的感性电气设备；从输出系统来看，噪声源就是PLC所控制的感性负载。 比较而言，常模噪声比共模噪声对PLC的干扰要小一些。用户所能采取的抗噪措施，主要是用来抑制常模噪声的，如加噪声滤波器、隔离变压器、浪涌限制器等等。 图16.11 常模噪声 null 3．噪声故障状态 （1）功能停止。PLC机的全部功能停止时，如果通过复位操作又可恢复正常工作，则这种现象大多数是由电源瞬时停电所致。其他还有高频设备的电波干扰等原因。 （2）误运算。CPU的误运算故障，大多数是由噪声干扰引起的，可通过自诊断显示判断。具体方法是保持误运算状态，使PLC处于“RUN”进行程序检查、误输入检查和输入/输出检查，以确定故障范围。 （3）程序变化。噪声过强会引起CPU误动作或程序变化；连接着外部设备时，外部设备也会误动作而使程序变化。最好的办法是使程序固化在ROM内。 （4）误输入、误输出。误输出故障多由误输入引起，而误输入的故障原因中，感应电势的影响比噪声干扰更为严重。感应电势是发生在交流输入上，断开输入测量输入电压就可判断。