浪涌電壓導(dǎo)致PLC模塊失效實(shí)例分析

神龍汽車公司襄陽(yáng)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(yuǎn)遠(yuǎn)超出同類設(shè)備水平。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如附表所列。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表

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

故障早期表現(xiàn)為PLC 突然報(bào)警停機(jī)，但復(fù)位之后可以繼續(xù)運(yùn)行。模塊的主要故障模式是無(wú)法正常通信，輸出點(diǎn)短路2例、開路2例。鑒于產(chǎn)品自身特性，S7-300上述機(jī)架模塊不具有智能診斷功能，CPU無(wú)法定位故障模塊，只有等故障發(fā)展到無(wú)法復(fù)位的時(shí)候，我們才能比較方便、準(zhǔn)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(guò)程中異常停機(jī)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(xì)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(méi)有發(fā)生斷線，即銅箔腐蝕并沒(méi)有直接造成模塊功能喪失（見(jiàn)圖1）。

（2）電源正極針腳腐蝕（負(fù)極接地）。如圖2所示，露在插座外面的針腳根部腐蝕更嚴(yán)重，而且沒(méi)有灼燒痕跡，顯然不是因?yàn)榻硬寮佑|不良所致。針腳表面有深灰/棕灰色斑點(diǎn)或者表面覆蓋物，應(yīng)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(duì)其進(jìn)行打磨修理也不能排除故障。因此，針腳的腐蝕也沒(méi)有直接造成模塊功能喪失。

（3）接地片腐蝕。與機(jī)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(guò)背板接口與總線連接，而背板電路通過(guò)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(guò)10nF電容連在一起，與機(jī)床共同接地。模塊具有過(guò)電壓抑制功能，主要通過(guò)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(jiàn)的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，尤其穩(wěn)壓二極管，它不僅響應(yīng)快，而且能將兩端電壓限定在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)（本例為48V），能保護(hù)與之并聯(lián)的其他電子器件。但是，感性負(fù)載斷開時(shí)，輸出端電壓會(huì)仍然發(fā)生跳變，依然會(huì)給電路板引入干擾。

當(dāng)輸出由“1”到“0”跳變時(shí)，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(gè)過(guò)程，這時(shí)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(guò)負(fù)載的電流在這個(gè)過(guò)程中保持相對(duì)穩(wěn)定，負(fù)載續(xù)流通路主要有三條：一是通過(guò)Q、D到正極電源線；二是通過(guò)C1、Q、HL到負(fù)極電源線；三是從電源正負(fù)極通過(guò)C0、C2、C3以及負(fù)載自身分布電容到地線。由于地線阻抗最小，因此電源線動(dòng)態(tài)電流被旁路，地線電流最大。由于接通狀態(tài)下，負(fù)載電流必須流過(guò)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(huì)產(chǎn)生較大跳變（負(fù)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(gè)反向跳變。同樣，穩(wěn)壓二極管從擊穿狀態(tài)恢復(fù)截止時(shí)，也會(huì)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(dòng)并不是設(shè)計(jì)不當(dāng)或者接地所致。比如不接地，負(fù)載關(guān)斷將會(huì)給電路板引入更加不確定的感應(yīng)電位；如果沒(méi)有C1等濾波電容，輸出端的電壓變化率會(huì)上升（當(dāng)然同時(shí)提高輸出響應(yīng)速度），這些都會(huì)使問(wèn)題更加嚴(yán)重。

導(dǎo)線及接地總會(huì)存在一定阻抗，尤其距離較長(zhǎng)、頻率較高時(shí)會(huì)更加顯著，電流跳變就引起明顯的線路電壓擾動(dòng)，電壓突變會(huì)進(jìn)一步引起一些雜散電流（比如電極對(duì)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(guò)接地電容C4將電壓波動(dòng)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(diǎn)電壓的波動(dòng)會(huì)傳導(dǎo)至背板總線，將干擾傳導(dǎo)擴(kuò)散至其他相鄰模塊；也就是說(shuō)，附表中輸入模塊失效的原因是輸出模塊負(fù)載擾動(dòng)間接導(dǎo)致的。

圖4 輸出模塊方框圖

顯然，負(fù)載電流越大、電感/電阻比值越大，關(guān)斷時(shí)引起的電流擾動(dòng)就越大，破壞性越強(qiáng)。廠家提供的技術(shù)說(shuō)明，以8DO模塊為例，允許的切換頻率和功率大小都與負(fù)載功率因素有關(guān)，電阻性負(fù)載最高切換頻率100Hz，最大功率48W；燈負(fù)載的最高切換頻率10Hz，最大功率10W；感性負(fù)載最高切換頻率0.5Hz，最大功率沒(méi)有明確數(shù)據(jù)，與負(fù)載電感有關(guān)，應(yīng)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(duì)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(duì)電路板也能造成明顯影響。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)和上述分析，我們發(fā)現(xiàn)故障原因是在設(shè)備改造過(guò)程中新增了幾個(gè)功率6W的電磁閥，直接接入PLC輸出模塊，既無(wú)隔離也無(wú)任何續(xù)流裝置，超過(guò)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(yǔ)

開關(guān)控制是最常見(jiàn)的自動(dòng)控制方式，感性負(fù)載浪涌電壓抑制也是最基本的電磁兼容問(wèn)題之一，但工程實(shí)際中往往容易被忽視。隨著自動(dòng)化程度提高，浪涌電壓的負(fù)面影響更復(fù)雜后果更嚴(yán)重。在驅(qū)動(dòng)控制電路上使用齊納二極管等裝置進(jìn)行過(guò)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(huì)對(duì)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(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要，在開關(guān)動(dòng)態(tài)特性和干擾強(qiáng)度之間進(jìn)行權(quán)衡取舍，采取隔離或者濾波等方式將負(fù)載感應(yīng)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(yīng)遵守分級(jí)原則，優(yōu)先從負(fù)載端采取措施，減小其對(duì)其他電路的干擾。

[1] 曹楚南. 腐蝕電化學(xué)原理[M]. 北京：化學(xué)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(yīng)用[J]. 電子測(cè)試，2008（10）.