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西門子S7-200PLC的RS485通信口易損壞的原因分析和解決辦法

一、 S7-200PLC內部RS485接口電路圖：電路圖見附件
圖中R1、R2是阻值為10歐的普通電阻，其作用是防止RS485信號D+和D-短路時產生過電流燒壞芯片，Z1、Z2是鉗制電壓為6V，最大電流為10A的齊納二極管，24V電源和5V電源共地未經隔離，當D+或D-線上有共模干擾電壓灌入時，由橋式整流電路和Z1、Z2可將共模電壓鉗制在±6.7V，從而保護RS485芯片SN75176（RS485芯片的允許共模輸入電壓范圍為：-7V～+12V）。該保護電路能承受共模干擾電壓功率為60W，保護電路和芯片內部沒有防靜電措施。



二、常發生的故障現象分析：
當PLC的RS485口經非隔離的PC/PPI電纜與電腦連接、PLC與PLC之間連接或PLC與變頻器、觸摸屏等通信時時有通信口損壞現象發生，較常見的損壞情況如下：
●R1或R2被燒斷，Z1、Z1和SN75176完好。這是由于有較大的瞬態干擾電流經R1或R2、橋式整流、Z1或Z1到地，Z1、Z2能承受最大10A電流的沖擊，而該電流在R1或R2上產生的瞬態功率為：102×10=1000W，當然會將其燒斷。
●SN75176損壞，R1、R2和Z1、Z2完好。這主要可能是受到靜電沖擊或瞬態過電壓速度快于Z1、Z2的動作速度造成的，靜電無處不在，僅人體模式也會產生±15kV的靜電。
●Z1或Z2、SN75176損壞，R1和R2完好。這可能是受到高電壓低電流的瞬態干擾電壓將Z1或Z2和SN75176擊穿，由于電流較小和發生時間較短因而R1、R2不至于發熱燒斷。
由以上分析得知PLC接口損壞的主要原因是由于瞬態過電壓和靜電造成，產生瞬態過電壓和靜電的原因很多也較復雜，如由于PLC內部24V電源和5V電源共地，24V電源的輸出端子L+、M為其它設備混合供電可能導致地電位變化，從而造成共模電壓超出允許范圍。所以EIA-485標準要求將各個RS485接口的信號地用一條低阻值導線連接在一起以保證各節點的地電位相等，消除地線環流！
當帶電插拔未隔離的連接電纜時，由于兩端電位不相等電路中又存在諸多電感、電容之類的器件，插拔瞬間必然產生瞬態過電壓或過電流。
連接在RS485總線上的其它設備產生的瞬態過電壓或過電流同樣會流入到PLC，總線上連接的設備站點數越多，產生瞬態過電壓的因素也越多。
當通信線路較長或有室外架空線時，雷電必然會在線路上造成過電壓，其能量往往是巨大的，常有用戶沮喪地說：“聯網的幾十臺PLC全部遭打壞了！”。
三、 解決辦法：
1、從PLC內部考慮：
●采用隔離的DC/DC將24V電源和5V電源隔離，分析了三菱、歐姆龍、施耐德PLC以及西門子的PROFIBUS接口均是如此。
●選用帶靜電保護、過熱保護、輸入失效保護等保護措施完善的高擋次RS485芯片，如：SN65HVD1176D、MAX3468ESA等，這些芯片價格一般在十幾元至幾十元，而SN75176的價格僅為1.5元。
●采用響應速度更快、承受瞬態功率更大的新型保護器件TVS或BL浪涌吸收器，如P6KE6.8CA的鉗制電壓為6.8V，承受瞬態功率為500W，BL器件則可抗擊4000A以上大電流沖擊。
●R1和R2采用正溫度系數的自恢復保險PTC，如JK60-010，正常情況下的電阻值為5歐，并不影響正常通信，當受到浪涌沖擊時，大電流流過PTC和保護器件TVS（或BL），PTC的電阻值將驟然增大，使浪涌電流迅速減小。
2、從PLC外部考慮：
● 使用隔離的PC/PPI電纜，盡量不用廉價的非隔離電纜（特別是在工業現場）。西門子公司早期出產的PC/PPI電纜（6ES7 901-3BF00-0XA0）是不隔離的，現在也改成隔離的電纜了！
● PLC的RS485口聯網時采用隔離的總線連接器.
● 與PLC聯網的第三方設備，如變頻器、觸摸屏等的RS485口均使用RS485隔離器BH-485G進行隔離，這樣各RS485節點之間就無“電”的聯系，也無地線環流產生，即使某個節點損壞也不會連帶其它節點損壞。
● RS485通信線采用PROFIBUS總線專用屏蔽電纜，保證屏蔽層接到每臺設備的外殼并最后接大地。
● 對于有架空線的系統，總線上最好設置專門的防雷擊設施。 

找到了解決S7-200通訊口損壞的辦法了

在我們單位眾多的S7-200PLC中，不時有通訊口損壞，致使不能連接PC或不能進行通訊，在對PLC解體時發現，在PLC通訊口出有一芯片－－75176，這就是通訊接口芯片，在芯片周圍有5個FB，標識FB1~FB5，這其實就是5個保險，在通訊連不上時，一般就是這5個保險中的某個燒毀了，可用同等型號的保險代替，也可用導線直接短路。一般就能解決問題。不過更換時要注意，由于元件時貼片的，十分小，空間也小，所以焊接時注意不要短路。

CPU 啟動(暖啟動)，冷啟動和熱啟動的區別是什么？

通電后，西門子S7-400 CPU 或 CPU 318-2 開始執行用戶程序之前，啟動程序已開始工作。在啟動程序中，用戶可以對循環程序通過編程啟動 OB 來進行相應地定義預設置。

如下有三種啟動方式：

在操作模式“STARTUP”中：

• 程序在啟動 OB 中運行( OB 100 為啟動(暖啟動)，OB101 為熱啟動，OB102 為冷啟動) 。
• 不可用時間和報警控制程序運行。
• 時間保持更新。
• 運行時間表在運行。
• 信號模塊上的數字輸出被鎖定，但可以通過直接存儲來設置。

啟動(暖啟動)：

圖 01

 在啟動(暖啟動)中， 程序處理以“基本設置”內系統數據和用戶地址范圍為程序啟動點來重啟。

• 過程映像區，非保持存儲器，定時器和計數器都重新設置。保持的存儲器，定時器，計數器各自都保留其最后的有效數值。所有以“未保留”的屬性參數化的數據塊被復位為初始值。其他數據塊各自保留其最后的有效數值。
• 程序處理從頭開始再次重新啟動 (啟動 OB 或 OB1) 。
• 如果供電中斷，暖啟動只可用于緩沖模式。如若運行的 CPU 沒有后備電池，當開關接通或 POWER OFF 后重新上電時，CPU 將自動復位并重新啟動(暖啟動)。

如果系統不要求完全復位，那么啟動(暖啟動)一直是可行的。在如下情況發生后，只有啟動(暖啟動)可行：

• 完全復位。
• 在CPU 的 STOP 模式下載入用戶程序。
• USTACK/BSTACK 溢出。
• 通過 POWER OFF 或模式開關使啟動(熱啟動)被中斷。
• 重新啟動超出參數化中斷的時間限制。

啟動(暖啟動)的操作命令：

用戶可以觸發手動啟動(暖啟動)：

• 通過模式選擇開關
• (如果可以，CRST/WRST  開關必須設置為 CRST)
• 通過PG的命令菜單或通訊功能
• (模式選擇開關需設置在 RUN 或 RUN-P 位置).

在 POWER ON 時，下面的狀態會觸發自動啟動(暖啟動)：

• POWER OFF 時 CPU 不在 STOP .  
• 模式選擇開關設置到 RUN 或者 RUN-P.
• 沒有將 POWER ON 的參數設置為自動熱啟動或自動冷啟動。
• CPU　的啟動(暖啟動)沒有因電源故障而引起中斷(不依賴于啟動的參數設置)

冷啟動：

圖 02

• 冷啟動時，主存儲器中 SFC 生成的數據塊都被刪除，其他數據塊從裝載存儲器中獲取默認值。
• 無論是否設置數據保持，過程映像區，定時器，計數器，指示器都將在程序(裝載存儲器)中重新設置到初始值。
• 輸入的過程映像區被讀入，STEP 7 用戶程序開始重新啟動 (OB102 或 OB1).

冷啟動的操作命令：

• 只能從 PG 觸發手動冷啟動。
• 如果參數已相應地定義于 STEP 7 中，某些 S7-400 CPU 可通過模式選擇開關和啟動模式轉換 (CRST/WRST) 來執行冷啟動。

熱啟動：

圖 03

在 RUN 狀態下電源中斷后再次供電，S7-400 CPU 通過初始化路徑然后自動執行熱啟動。重新熱啟動后，用戶程序在中斷點繼續運行 (定時器，計數器，指示器不被重新設置，當前數值保存在 DB 塊中)。在斷電前未執行的用戶程序被稱為剩余循環程序。剩余循環程序同時包括時間和報警控制程序部分。 

• 熱啟動中，所有數據包括過程映像區都執行它們最后的有效數值。
• 程序在中斷點繼續執行命令。
• 在當前周期完成之前，輸出不會改變。
• 如果供電中斷，熱啟動只可適用于緩沖模式。

原則上來說，如果用戶程序在 STOP 狀態下沒有改變 (例如裝載一個修改過的塊) 或者因為某些原因而不需要進行啟動 (暖啟動)，那么，熱啟動是允許的。

熱啟動的操作命令：

如果相關參數已設定于 CPU 中，并且是如下原因造成 STOP, 那么手動熱啟動是可行的：

• 模式選擇器從 RUN 轉換到 STOP。
• STOP 已被用戶編程，STOP 在調用 OB 后未被載入。
• STOP 狀態包含于 PG 或某個通訊功能。

用戶可以觸發熱啟動：

• 通過模式選擇開關來選擇。
• CRST/WRST 需設置在 WRST。
• 通過 PG 菜單命令或通過通訊功能 (模式選擇開關設置到 RUN 或 RUN-P)
• 手動熱啟動已在 CPU 中參數化。

自動熱啟動可在 POWER ON 狀態下被觸發，如果：

• 在 POWER OFF 狀態下，CPU 不在 STOP 或 HALT。
• 模式選擇開關設置到 RUN 或 RUN-P。
• 自動熱啟動已為 POWER ON 在 CPU 內參數化。
• 在自動熱啟動中，CRST/WRST 的轉換是無效的。

FB塊接口類型大不同

 對于工控新人來說，使用STEP7編程時，首先需了解OB/FC/FB/DB等塊的功能和作用，待掌握這些塊后再進行編程就“輕而易舉”了。
    在熱線上經常遇到用戶咨詢FB的接口變量類型IN_OUT、STAT、TEMP在使用上有何區別，以下通過一個簡單的例子進行說明。運用FB塊編程計算公式：(A+B) * C = D，在程序中需要通過一個中間變量（例如其變量名定義為“TEMP_value”）傳遞“A”和“B”相加的結果，然后再乘以“C”得到最終結果“D”；將中間變量“TEMP_value”分別定義為IN_OUT、STAT或TEMP類型后做如下測試。
    首先創建FB1，在IN接口類型中新建A、B、C 三個變量，數據類型INT；在OUT接口類型中新建D 變量，數據類型INT；在OB1中調用FB1，并生成對應的背景DB塊DB1。
    情形一，將中間變量“TEMP_value”定義為IN_OUT類型時，接口定義及程序如圖1：

                                           圖1  中間變量“TEMP_value”定義為IN_OUT類型

    下載到CPU中執行程序監控，在調用FB1的接口參數處和背景DB塊中都可以監控到變量“A”和“B”相加的中間結果“TEMP_value”，如圖2所示。

                                     圖2  中間變量“TEMP_value”定義為IN_OUT時的在線數據

    情形二，將中間變量“TEMP_value”定義為STAT類型時，接口定義及程序如圖3：

                                           圖3  中間變量“TEMP_value”定義為STAT類型

    下載到CPU中執行程序監控，僅能在其背景DB塊中監控到變量“A”和“B”相加的中間結果“TEMP_value”的值，而在調用FB1的接口參數處無該中間變量，如圖4所示。

                                   圖4  中間變量“TEMP_value”定義為STAT時的在線數據

    情形三，將中間變量“TEMP_value”定義為TEMP類型時，接口定義及程序如圖5：

                                           圖5  中間變量“TEMP_value”定義為TEMP類型

    下載到CPU中執行程序監控，既不能在其背景DB塊中監控到變量“A”和“B”相加的中間結果“TEMP_value”的值，也不能在調用FB1的接口參數處看到該中間變量，如圖6所示。
 
                                      圖6  中間變量“TEMP_value”定義為TEMP時的在線數據

    對于同一個中間變量，在FB中定義為不同的參數類型時，其接口參數和對應的背景數據塊的顯示都不盡相同。所以在不同的需求下可自行定義中間變量的類型，以滿足不同的需求。西門子創新工業之道是“知其道，用其妙”，編程也不例外，知“FB接口類型”之道，用其妙。