西门子PLC控制系统工作原理及常见故障分析

徒有祥



西门子PLC控制系统工作原理及常见故障分析

徒有祥

大唐苏州热电有限责任公司，江苏 苏州 215214

随着我国社会经济的不断发展，工业化进程也得到了有效的推进，同时科技的不断开发与应用，又为工业化生产注入了强大的驱动力。当前西门子PLC控制系统在我国工业化生产中得到了有效的应用。然而，在实际的生产操作过程中，PLC控制系统存在的弊端日益凸显。为了提升PLC控制系统的效率及性能，需要分析其工作的原理及常见的故障，从而采取有效的应对措施，使其为工业化生产操作提供全方位的保障。

西门子PLC；PLC工作原理；PLC故障

1 西门子PLC控制系统概况及工作原理

在我国工业化生产中西门子PLC控制系统得到了普遍的应用，并获得了行业内的一致好评。西门子PLC控制系统的主要类型有：LOGO、s7-200、s7-RPU1200、s7-300、s7-400等。在西门子PLC控制系统中s7系列的应用效果较好、关注度较高。s7系列不仅具有体积小、速度快、精度高等优良特性，而且还具有很强的网络适应性、安全可靠性等，这也是其他PLC类型不能与之相媲美的关键所在。在西门子PLC s7系列中，s7-200属于微型的PLC，s7-300属于性能要求较小的PLC，s7-400属于性能较为齐全的PLC。现阶段，s7系列已成为西门子PLC的核心产品。通常可从三个层面对PLC控制系统进行分类：控制规模、控制性能以及控制结构。在PLC控制系统的实际运用过程中，其主要操作流程为：采样输入、用户程序执行以及输出刷新。整个流程结束后称之为一个扫描周期。PLC控制系统在运行过程中，其内部CPU可在一定的扫描速度内重复执行操作流程。PLC控制系统工作流程具体如下：

1.1 采样输入

西门子PLC控制系统在输入采样环节，通过扫描方式逐一读取输入的程序与数据，然后将其保存于I/O映象区内的对应单元里。当输入采样工作完成后，便自动进入用户程序执行、输出刷新环节。在后续的工作中，即使输入的程序及信息出现变化，在I/O映象区内对应单元里保存的信息也不会受到任何影响。但是如果PLC控制系统输入的是脉冲信号，其宽度只有大于一个扫描周期，才能确保输入的信息在各种时候都能够被读取。

1.2 用户程序执行

在西门子PLC控制系统的用户程序执行环节中，用户程序的扫描顺序是自上而下的，类似于梯形图。在扫描过程中，扫描顺序按照从左至右、从上至下对各触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后再按照计算得出的数据，刷新逻辑线圈在系统RAM存储区内的相应数据信息；或者刷新输出线圈在I/O映象区内相应单位例保存的数据；或者执行此梯形图所要求的特殊指令。

在用户程序执行操作中，应保证I/O映象区内输入的状态和数据不变，而在I/O映象区或系统RAM存储区内，其他输出点及软设备的状态和数据均有改变的可能性[1]。此外，处于上方的梯形图程序的执行情况会对下方涉及此线圈或数据的梯形图产生影响，由此推断处于下方的梯形图已刷新的逻辑线圈的状态或数据如果想对处于上方的程序产生影响，则只有在下一个扫描周期才能实现。

1.3 输出刷新

西门子PLC控制系统在用户程序扫描完成后，就进入输出刷新环节。在这一操作过程中，PLC控制系统的CPU可根据I/O映象区内对应单元中的状态和数据刷新全部的输出电路，再通过输出电路对其配套设备进行推动。此过程是PLC控制系统进行的实际输出操作。针对不同排列顺序的梯形图，其程序执行获得的结果也存在差异。此外，应用扫描用户程序的运行结果与继电器控制系统的硬逻辑并行运行的结果不尽相同。但是，在PLC控制体统的运行过程中，如果扫描周期占据的时间可以忽略不计，那么两者存在的差别也就微不足道了。

2 西门子PLC控制系统常见故障分析

2.1 西门子PLC网络故障及处理

2.1.1 PLC网络故障

在西门子PLC控制系统刚刚投入使用时，易发生控制室接收图像不稳、数据显示异常等问题，经过检测最常见的故障原因就是网络通信存在弊端。如果发现数据无法有效地传输，便可确定为工厂级Profibus总线故障，如上位机CP5613通行卡警报或线路终端接头存在异常，或者是Profibus总线环形网上的OLM转换器、连接终端接头出现问题。

在西门子PLC控制系统运行过程中，一些模拟量数据会出现断断续续的情况，关键问题就是预处理控制系统及老厂控制系统显示状态存在问题，而混床控制系统和新厂控制系统的模拟量数据可正常显示。由于仅有一部分模拟量数据的传输有问题，对其的显示不够清晰，并非是工厂级网络通信问题，因此Profibus-DP子网导致数据通信不畅的可能性更大。在Profibus-DP总线运行过程中，最易出现部分子网站通信不畅问题或通信停滞问题，若因通信电缆较长而导致信号减弱，接地及电磁干扰、IM153接口八位开关问题造成阻值存在差异。

2.1.2 PLC网络故障应对措施

西门子PLC控制系统网络故障的解决对策，主要是沿着总线连接的设备故障的指示灯来检测故障出现的位置。首先总线出现问题时CPU的BUSF指示灯发出红色警报。如果是DP总线出现问题就要按顺序对IM153模块的BF指示灯进行检测，然后明确问题究竟发生在哪个位置。如果是工厂级Profibus总线存在问题，就需要通过光电转换器上的指示灯来确定问题出现的具体位置。只要明确故障发生的具体位置，接下来的问题就更容易解决了。对发生的故障问题进行详细的研究，然后针对问题制订合理、有效的应对措施即可。在整个检测过程中，需要明确设备是否连接准确、稳固，拨码的软硬件是否进行统一调置；光纤收发的连接是否准确、稳固，并要对终端电阻的连接进行的检测。

在西门子PLC系统运行过程中，可运用软件诊断系统对总线问题进行检测，点击Simatic Manager项目硬件配置Hardware，进入online，就可以解决系统总线至各连接设备中存在的问题，并阐述所有故障的详细情况。

2.2 西门子PLC系统干扰故障及处理

2.2.1 PLC系统干扰故障

西门子PLC控制系统需要对工厂的电气设备进行实时操控，主要是通过电缆将部分电气信号连入PLC的I/O之内；而另一部分则由Profibus-DP通信接入MCC电气控制设备中，通过Profibus双绞屏蔽电缆，其两边应用D型插头接地，通信速率为1.5 Mbps，在电气MCC柜中设置DP接口卡位。

在PLC控制系统刚投入使用时，部分接入MCC电气设备的Profibus-DP子站最易出现问题[2]。一旦子站离线数据读取便会中断，通过检测得到的结果显示MCC电气设备在运行过程中，电机的传动会产生电磁干扰。其中原因MCC柜内有接口卡位，易对总线信号造成电磁干扰，所以可将光纤代替Profibus双绞屏蔽电缆可增强子站通信的有效性，避免总发生子站离线的情况。

2.2.2 PLC系统干扰故障解决对策

当前一些电气设备的状态信号线接入了卡件之中，这种情况导致其在运行过程中易发生数据显示问题，如“0”“1”发生错位，但是通过检测显示卡件无任何问题。然而，电气设备传输的状态开关量信号通常为无源接点，但在实际的检测中，显示状态信号线接地存在30～80 V的电压。究其原因主要是电缆设置的不够标准，导致信号受到干扰，如果将信号线与动力线混合在一起，就会使得线路受到干扰而发生电压乱入的现象。

在西门子PLC控制系统运行过程中，若发现部分模拟量与现场实际测量值存在差异，且两者之间的偏差较大，通过模拟量信号接地电压内进行检测，其结果显示信号端存在干扰电压，因此可以断定是系统接地存在弊端，其主要原因是没有进行规范的系统接地。这样一来会发生电压干扰。地面的电位呈现不规则分布的状态，所以各接地点之间会存在一定的电位差，入股接地不规范便会促使地面形成电流，继而出现信号线接地的电压干扰。只有对其进行规范的接地，准确定位接地位置，并将24 V电源负极进行接地，才能保证模拟量测量符合标准，且保持正常、清晰的显示状态。

3 结束语

综合以上研究显示，西门子PLC控制系统在工业生产中已成为不可或缺的重要组成部分。然而，任何系统都会因内、外因素的影响而出现故障，这在工业生产自动化控制应用中也是不可避免的。但是若不对这些问题进行全面、深入的了解，并对导致故障发生的原因进行分析，就难以制订有效的解决对策。所以，只有充分了解西门子PLC控制系统的工作原理及故障，才能对其实施更好的优化与建设，使其在工业生产中发挥更大的效用。

[1]王素权.西门子PLC控制系统工作原理及常见故障分析[J].城市建设理论研究：电子版，2016（15）：78-79.

[2]高洪渊.西门子PLC控制系统工作原理及常见故障分析[J].工程技术：文摘版，2016（8）：288.

Working Principle and Common Fault Analysis of SIEMENS PLC Control System

Tu Youxiang

Datang Suzhou Thermal Electric Co., Ltd., Jiangsu Suzhou 215214

With the continuous development of China’s social economy, the industrialization process has also been effectively promoted. Meanwhile, the continuous development and application of science and technology has injected a strong driving force for industrial production. At present, the SIEMENS PLC control system has been effectively applied in the industrial production of China. However, in the actual operation process, the drawbacks of the PLC control system are becoming increasingly prominent. In order to improve the efficiency and performance of PLC control system, we need to analyze its working principles and common failures, so as to take effective measures to provide a comprehensive guarantee for industrial production operation.

SIEMENS PLC; PLC working principle; PLC malfunction

TM621.8

A

1009-6434（2017）11-0079-03