浪涌電壓導致PLC模塊失效實例分析

神龍汽車公司襄陽工廠 （湖北 441004） 王 寧 尹吉春 成 剛 李曙光

1. 故障表現(xiàn)

PLC數(shù)字量輸入輸出模塊是可靠性比較高的電路模塊，正常使用通常故障率很低，尤其是數(shù)字量輸入模塊故障更少。某線加工中心，設(shè)備才使用3年左右，DI、DO模塊故障率遠遠超出同類設(shè)備水平。統(tǒng)計數(shù)據(jù)如附表所列。

統(tǒng)計數(shù)據(jù)表

以上模塊通過IM361連接到840D數(shù)控系統(tǒng)，失效的輸出模塊都直接驅(qū)動電磁閥（無附加續(xù)流裝置）。

故障早期表現(xiàn)為PLC 突然報警停機，但復位之后可以繼續(xù)運行。模塊的主要故障模式是無法正常通信，輸出點短路2例、開路2例。鑒于產(chǎn)品自身特性，S7-300上述機架模塊不具有智能診斷功能，CPU無法定位故障模塊，只有等故障發(fā)展到無法復位的時候，我們才能比較方便、準確地判斷故障模塊的位置。因此，早期故障排除比較困難，其后果是造成加工過程中異常停機頻繁發(fā)生，很可能出現(xiàn)刀具損壞或者增加不良品。

2. 電路板腐蝕情況

（1）銅箔腐蝕。輸出模塊上的光電隔離與放大電路連線細小銅箔腐蝕，有的模塊微處理器周圍、輸出指示燈連線處也有銅箔腐蝕現(xiàn)象，有綠色銅銹。但一般都沒有發(fā)生斷線，即銅箔腐蝕并沒有直接造成模塊功能喪失（見圖1）。

（2）電源正極針腳腐蝕（負極接地）。如圖2所示，露在插座外面的針腳根部腐蝕更嚴重，而且沒有灼燒痕跡，顯然不是因為接插件接觸不良所致。針腳表面有深灰/棕灰色斑點或者表面覆蓋物，應為錫氧化物（針腳材料一般為鍍錫銅）。故障模塊的接插件并未斷路，即便對其進行打磨修理也不能排除故障。因此，針腳的腐蝕也沒有直接造成模塊功能喪失。

（3）接地片腐蝕。與機架卡接的接地片也有一定程度腐蝕，但并非污染，圖3所示為清洗后的情形。圖3中接地片表面局部腐蝕，棕灰色；未受傷處依然保留著金屬光澤及光滑表面。

圖1 銅箔腐蝕

圖2 電源正極針腳

圖3 接地片

3. 失效原因分析

以8DO輸出模塊為例，其方框如圖4所示。模塊通過背板接口與總線連接，而背板電路通過光電耦合與控制電路隔離，但背板電路的地線和控制電路地線通過10nF電容連在一起，與機床共同接地。模塊具有過電壓抑制功能，主要通過穩(wěn)壓二極管D發(fā)揮作用。在功率器件兩端反向并接二極管或穩(wěn)壓二極管是一種常見的驅(qū)動保護電路，尤其穩(wěn)壓二極管，它不僅響應快，而且能將兩端電壓限定在設(shè)計范圍內(nèi)（本例為48V），能保護與之并聯(lián)的其他電子器件。但是，感性負載斷開時，輸出端電壓會仍然發(fā)生跳變，依然會給電路板引入干擾。

當輸出由“1”到“0”跳變時，從功率器件Q關(guān)斷到穩(wěn)壓二極管D反向擊穿還有一個過程，這時Q、D都處于“截止”狀態(tài)，等效于電容（其電容值比C1要小很多）。流過負載的電流在這個過程中保持相對穩(wěn)定，負載續(xù)流通路主要有三條：一是通過Q、D到正極電源線；二是通過C1、Q、HL到負極電源線；三是從電源正負極通過C0、C2、C3以及負載自身分布電容到地線。由于地線阻抗最小，因此電源線動態(tài)電流被旁路，地線電流最大。由于接通狀態(tài)下，負載電流必須流過正極電源線，因此，在Q關(guān)斷到D擊穿之前，正極電源線和地線電流會產(chǎn)生較大跳變（負極電源線主要為電路板本身提供電流，變化不太大）。穩(wěn)壓二極管反向擊穿瞬間，其電流快速上升，使電源正極電流、地電流又產(chǎn)生一個反向跳變。同樣，穩(wěn)壓二極管從擊穿狀態(tài)恢復截止時，也會發(fā)生類似的電流跳變，引起衰減振蕩。需要指出的是，上述擾動并不是設(shè)計不當或者接地所致。比如不接地，負載關(guān)斷將會給電路板引入更加不確定的感應電位；如果沒有C1等濾波電容，輸出端的電壓變化率會上升（當然同時提高輸出響應速度），這些都會使問題更加嚴重。

導線及接地總會存在一定阻抗，尤其距離較長、頻率較高時會更加顯著，電流跳變就引起明顯的線路電壓擾動，電壓突變會進一步引起一些雜散電流（比如電極對塑料外殼放電）。它一方面引起相關(guān)電極和銅箔腐蝕加快，如圖1～圖3所示；另外一方面，通過接地電容C4將電壓波動耦合到背板接口電路，引起更加脆弱的集成電路損壞。另外，接地點電壓的波動會傳導至背板總線，將干擾傳導擴散至其他相鄰模塊；也就是說，附表中輸入模塊失效的原因是輸出模塊負載擾動間接導致的。

圖4 輸出模塊方框圖

顯然，負載電流越大、電感/電阻比值越大，關(guān)斷時引起的電流擾動就越大，破壞性越強。廠家提供的技術(shù)說明，以8DO模塊為例，允許的切換頻率和功率大小都與負載功率因素有關(guān)，電阻性負載最高切換頻率100Hz，最大功率48W；燈負載的最高切換頻率10Hz，最大功率10W；感性負載最高切換頻率0.5Hz，最大功率沒有明確數(shù)據(jù)，與負載電感有關(guān)，應小于10W，且電感越大允許的輸出功率越低。

在上述案例中，檢查了在用電路模塊腐蝕狀態(tài)，情況如下：在80s開啟/關(guān)斷一次的情況下，24VDC/2.4W電磁閥對電路板造成輕微影響，24VDC/6W電磁閥腐蝕作用非常顯著，而24VDC/0.9W以下的中間繼電器影響不太明顯；在2～5s開/啟關(guān)斷一次的情況下，24VDC/2.4W以下電磁閥對電路板也能造成明顯影響。

通過統(tǒng)計和上述分析，我們發(fā)現(xiàn)故障原因是在設(shè)備改造過程中新增了幾個功率6W的電磁閥，直接接入PLC輸出模塊，既無隔離也無任何續(xù)流裝置，超過了電路的承受能力。由于功率不算太大，采取的解決辦法是這一部分電磁閥兩端附加外部續(xù)流裝置。整改之后，故障大幅度下降。

4. 結(jié)語

開關(guān)控制是最常見的自動控制方式，感性負載浪涌電壓抑制也是最基本的電磁兼容問題之一，但工程實際中往往容易被忽視。隨著自動化程度提高，浪涌電壓的負面影響更復雜后果更嚴重。在驅(qū)動控制電路上使用齊納二極管等裝置進行過電壓抑制，仍然可能引入幅值不高但頻率很高的干擾，可能會對電子控制裝置的可靠性產(chǎn)生很大影響。因此，系統(tǒng)設(shè)計時應根據(jù)實際需要，在開關(guān)動態(tài)特性和干擾強度之間進行權(quán)衡取舍，采取隔離或者濾波等方式將負載感應電壓的影響限制到最低。浪涌抑制不能依賴控制器的抗干擾能力，而是應遵守分級原則，優(yōu)先從負載端采取措施，減小其對其他電路的干擾。

[1] 曹楚南. 腐蝕電化學原理[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2008.

[2] 吳淑忠, 趙德祥. 齊納二極管在瞬態(tài)干擾抑制中的應用[J]. 電子測試，2008（10）.