西門子PLC控制系統在汽車生產線中的故障分析與研究

崔寒緒，辛生

（北汽利戴工業技術服務（北京）有限公司，北京 100875）

目前，西門子PLC國內市場占有率近50%，應用最廣泛的產品是西門子S7 300系列。在汽車行業中的應用特點是功能元件多、程序大、從站多、分布散。不同的設備廠家設計理念差別較大。本文認為常見的故障類型如下：PLC程序故障、通訊故障、硬件故障、設計問題等。下面將根據上述的故障類型和維修方法進行闡述。

1 PLC程序故障維修

汽車發動機產線中普遍采用托盤加碼塊（RFID）的模式進行工件狀態的判斷和記錄，當工件托盤進入設備內后RFID讀取工件的記錄數據判斷是否進行加工。工件采用輥道和轉臺的方式輸送到設備內（清洗機、機床、裝配設備）。這就要求PLC 的邏輯控制十分嚴謹，否則，將會發生故障。且此類故障通常的表現是自動循環顯示正常但不能進行加工或硬件正常卻產生硬件報警，這些問題一般都是由供應商的程序邏輯bug導致，通過對PLC程序的優化一般可以解決。以下將結合具體維修案例及維修方式進行分析。

案例1：PLC程序的邏輯漏洞導致RFID進入死循環。

本案例的控制系統為西門子CPU 317F-2PN/DP配置西門子RFID-RF340R模塊。

故障現象：清洗機開啟自動循環后設備不報警不工作，工件停止在入口處。

維修思路：現場觀察到工件停止在入口處沒有進一步動作，因此將工作重點放到入口處的元件上。首先，檢查元件狀態指示燈未發現異常；然后，使用PG查找PLC程序,檢查設備運行停止部分的程序，發現RFID沒有返回閱讀到的數據。進一步檢查發現RFID始終處于忙碌狀態。

圖1

檢查與分析：本工位配置的是西門子RFID-RF340R模塊，用來檢查工件狀態信息。RFID由通訊模塊，閱讀器，芯片組成，當芯片到達閱讀器的檢查范圍后，將檢測到出現信號，PLC發出讀取指令讀出芯片內的數據，通訊模塊將閱讀器狀態和讀取的數據送回至PLC進行邏輯判斷。RFID的忙碌狀態(RFID BUSY)一直有信號表示一直在讀取過程中沒有完成讀取任務。RFID BUSY：A command is processed by RFID。此問題通常出現在調試過程中或者讀取時的時序不對的情況下。該問題出現在生產時間排除了調試的可能性，重點查找時序問題，發現在RFID讀取的瞬間按復位后會終止作業但是RFID BUSY信號卻一直有信號。

故障處理：對RFID閱讀器進行初始化操作，將DB塊中的輸入輸出參數統一進行初始化并下載至項目后閱讀器恢復正常。進一步優化PLC程序中的時序問題，當RFID在讀取過程中時不允許進行復位操作。此問題得到了根本性解決。

總結：西門子PLC系統中對于各個元件的時序均有要求，當時序發生問題時極容易進入死循環，此時，對項目或元件進行初始化操作可快速解決問題。

案例2：PLC程序的邏輯不嚴謹導致轉臺電機保護開關動作，故障現象：輥道輸送轉臺運動到位后產生報警“701663 OP130_CONV: Turn unit DS8: Motor protection switch n.i.O. <KF70-12:I154.0>”。

本案例的控制系統為西門子CPU 315F-2PNP配置西門子ET 200pro RSE ST電機驅動模塊。

維修思路：找到報警的電機檢查機械負載未發現異常情況，進一步檢查電機絕緣正常，但是發現電機溫度偏高，電機驅動模塊有紅燈一閃而過，在絕緣和機械負載正常的情況下，電機溫度偏高，說明電機有缺相或者頻繁啟?，F象。進一步檢查電機驅動模塊出口側的三相電壓正常，所以排查重點放在啟?？刂粕?。使用PG查找PLC啟?？刂瞥绦颍l現轉臺到位后不能形成自鎖，導致電機出現頻繁啟停，當多次啟動后電機電流升高，電機溫度升高設備發出報警。

故障處理：根據上述分析可知，PLC程序問題是本次故障的根本原因，隨即對PLC程序進行了修改，增加轉臺運動的置位復位功能，當電機轉動命令發出后置位命令信號，必須到達位置后完成自復位，才能再次觸發轉動命令。

當設備報警時，采用先機械后電氣的方法逐步排查問題，能夠使問題快速得到解決，西門子PLC系統中每個動作和功能都需要嚴謹的邏輯，在任何控制步驟中不能出現線圈反復接通斷開的情況。對于控制邏輯復雜的情況，一般采用自鎖或置位的方法。

2 硬件故障維修

隨著自動化控制的日益發展，西門子PLC系統功能越來越強大，模塊之間開始采用拼接方式安裝和網絡通訊。并且普遍擁有自我硬件診斷功能。在實際使用過程中，因震動、安裝、環境濕度、設計等原因又會逐漸影響硬件的性能，如出現模塊通訊故障、硬件連接故障等。目前較常用的硬件維修方法主要是整體備件更換和元件替換法。

案例：控制系統為西門子CPU 317F-2PN/DP配置西門PMD SENTRON PAC3200電源檢測模塊。

故障現象：集中供液系統開啟自動循環后自動斷電并提示“設備關機”。

維修思路：根據報警提示的信息采取先外后內的方法，首先檢查設備開關機按鈕和控制電源狀態，然后根據PLC關機程序查找問題點。

檢查與分析：經檢查按鈕和電源狀態正常，對PLC程序進行分析。

通過分析得出能夠引起關機的原因有：從站故障、急停、電源未準備好、遠程關機命令。查看硬件組態從站正常無故障記錄，急停功能驗證正常，遠程關機命令未觸發，重點檢查電源未準備好問題。通過對系統的運行原理進行分析，電源實際正常，可能是檢測元件問題導致誤檢查到電源電壓不合格。隨即對元件檢測的數值進行監控，發現在現場有大功率泵啟動的時數值有明顯跳變。將PAC3200電源檢測模塊拆下進行仔細檢查，發現測量電源電壓的針腳有虛接情況，對針腳重新焊接后回裝到設備，集中工業系統恢復正常。

震動是能量源耗散的傳播，當有較精密的元件時易發生損壞現象，還可使電子設備產生誤動作從而造成設備故障，降低系統的穩定性。此類故障需要優先鎖定故障所在的位置，通過位置進行仔細檢查發現異常點,針對異常點處理才能較快地解決故障。

3 通訊故障維修

在西門子PLC系統中通訊功能是十分重要的功能，它能夠大大地減少現場電纜的布置，減少線纜連接的故障，使遠從站距離傳輸成為可能。目前西門子PLC主推PROFINET IO網絡，它是基于以太網通訊的網絡，囊括了實時以太網，運動控制，分布式自動化等并且可以跨供應商兼容其他品牌的工業以太網。由于通訊網絡連接的設備或模塊較多導致發生網絡通訊類問題時的影響較大輕則設備無法運行，重則網絡癱瘓工廠不能生產，所以處理網絡通訊類問題是技術人員必須掌握的技能。PROFINET網絡通訊故障通常具有以下幾個種：（1）模塊故障；（2）網絡丟包；（3）站點丟失；（4）電纜斷線。下面將結合實際案例對PROFINT 通訊故障案例進行分析。

案例1：PLC模塊偶爾丟包導致的連接故障。

本案例的控制系統：此設備運行中需要和上料裝置進行通訊，使用的是西門子CPU 317F-2PN/DP配置西門子XB008交換機。

故障現象：設備頻繁報警連接故障，復位后可以繼續生產。

檢查與分析：根據網絡連接和設備原理進行分析，首先，對PROFINT網絡線纜使用儀器進行了測量線纜狀態良好，證明線纜正常。將線纜在交換機中端口位置進行了更換并觀察，故障頻次無明顯變化。通過PING測試發現設備存在丟包現象，為了解決此問題在PLC網絡中增加了INDU SOL的網絡監測模塊進行網絡觀察，模塊帶有網絡分析功能，通過查看統計記錄發現共檢測到PLC請求包526個，但是只檢測到514個PLC應答包，據此可以得出PLC至交換機就存在丟包現象，能夠造成丟包一般有幾種情況：（1）交換機端口故障；（2）網絡線纜故障；（3）PLC模塊故障。根據前邊的檢查工作得出網絡線纜正常，交換機端口正常，所有采取更換PLC模塊的措施。更換后設備恢復正常未再出現連接故障的報警。查看網絡分析也沒有丟包現象，將網絡中的監測模塊取消。

圖2

網絡出現問題時采取先測量后更換，先線纜后模塊的原則進行處理。當無法確定是哪個模塊出現問題時采用儀器測量，網絡監控分析，或者使用軟件抓包的方法，將不可見的網絡問題變成可見的數據或指示燈來幫助我們確定故障模塊。

案例2：PROFINET線纜斷線導致的站點丟失。

本案例的控制系統：西門子CPU 317F-2PN/DP配置西門子ET200從站。

故障現象：設備頻繁報警34號站點丟失。

檢查與分析：站點丟失問題通常是由線纜斷線或者模塊損壞導致。首先，對34號站接頭進行檢查未發現異常，繼續使用儀器進行線纜測量，指示燈狀態正常。此時，分析認為是模塊的問題導致的站點丟失，隨即將模塊進行了更換，設備運行4小時后故障復發。根據設備原理分析34號站安裝在能夠旋轉的部件上通訊線纜由碳刷結構連接，重點檢測旋轉部件和碳刷機構，發現在碳刷機構上的通訊線纜存在斷線情況。重新制作線纜并安裝后，設備恢復正常。

通訊線纜故障時，PRFINT網絡故障中常見的故障，在解決故障時，優先檢測線纜狀態，當線纜中間有其他部件時優先檢查中間環節。

4 結語

PLC自動化控制在各個行業應用越來越廣泛，進一步促使其系統向著大型化、高可靠性、集成化和網絡化方向發展。由此帶來的新型故障也越來越多，維修和故障排除難度逐漸加大。既有硬件故障又有軟件故障，還有外線路故障。所以掌握PLC系統的故障維修是技術人員必備的技能。在現場工作中，一般通過分析系統的運行原理后采取先機械后電氣、先動后靜、由外到內的思路，逐步縮小故障范圍確定故障點，當現有手段不易查找問題時，借助專業的工具有利于幫助我們快速解決問題。