一個接觸器引發的故障，讓幾位電氣工程師都摸不著頭腦

這次我們來看看接觸器引起故障的現場~

該現場使用的是西門子的S7 300 的PLC，該項目運行了一年多，一直有問題，但近出現問題比較頻繁，現象是每天從CPU次上電運行，大概30分鐘后，開始出現停機的情況，停機時 SF、STOP燈亮。此時只能通過手動復位，CPU才能恢復運行。而之后，該現象將隨時出現，并且越來越頻繁，甚至有時幾乎每個程序周期都會停機，因此嚴重影響了用戶的生產。

根據故障情況，我們初步懷疑是現場存在電磁干擾。因此我們奔赴現場對問題進行處理。

一、到現場后，我們首先觀察PLC運行的情況

我們發現，現場采用的是西門子S7 314C-2PN/DP 的CPU，在運行過程中會出現系統故障，但能夠自動消失（圖1）。

▲ 圖1.PLC報系統故障

之后，我們觀察了故障出現的情況，發現該故障的出現是有規律的：當Q5.4動作時，該SF燈會亮，當Q3.4動作時，該SF燈消失。

因此，我們懷疑是程序出現問題。通過讀取在線診斷信息，發現CPU報BCD碼轉換故障（圖2）。

▲ 圖2.CPU在線診斷信息報BCD碼轉換故障

經過與編程人員的交流，發現是上位機的某時間參數設定超限。該參數設計設定值范圍應為0～99，但現場設定為100， 因此程序每次運行至此都會報BCD碼轉換故障，并導致SF燈亮，而當該部分程序運行結束后，故障就會消失。

將該值改為0～99 之間的任意值后，SF燈不再點亮，該系統故障不再出現。這是我們在現場發現的個故障，但這個故障并沒有導致現場設備停機。

二、故障頻發，持續觀察

之后隨著我們繼續觀察，大概經過了1個小時后，突然出現了一次停機故障?，F象就是CPU停機時，SF燈和STOP燈亮，同時5V燈亮（圖3）。

▲ 圖3.CPU停機

此時，只能將CPU上的撥碼開關撥至STOP位置再重新撥回RUN位置，CPU才可以正常重啟。

我們在線檢查CPU的診斷信息后發現，此時CPU報的是IO模板丟失的故障（圖4）。

▲ 圖4.在線診斷信息

從診斷信息情況看，應該是CPU在瞬間無法識別其模板，導致CPU進入停機狀態。

由于現場的電氣柜內有較多的繼電器和接觸器（圖5），因此我們懷疑是由于這些感性負載動作時產生的干擾導致了CPU從而導致了停機，因此我們對CPU的電源進行了檢測。

▲ 圖5.柜內安裝了繼電器和接觸器

通過波形，可以看到在CPU的24V電源線上，隨著設備的動作，能夠檢測到有高頻干擾的存在，其中有的信號較強（圖6）。

▲ 圖6.在24V電源線上檢測到的共模干擾

同時，在柜內，我們發現了一塊鍍鋅板（圖5）。我們估計該鍍鋅板是用于系統接地的，但實際情況是，并沒有任何的PLC系統接地線連到該鍍鋅板上，也沒有發現該鍍鋅板接到外部的“地”（圖5）。

為了減小感性負載對PLC的沖擊，我們將PLC的安裝底板與該鍍鋅板相連接，同時將該鍍鋅板連接到外部的金屬結構上（圖6）。

▲ 圖6.PLC 做了接地處理

為此，現場進行了一系列的改動和布線、接線工作。但隨后我們發現，系統接了“地”之后，CPU運行一段時間，依然出現停機現象。

然后我們又檢測了PLC系統220V電源線上的干擾情況，果然發現干擾信號依然存在（圖7）。

▲ 圖7.PLC 220V電源線上的干擾

由于我們已經將系統進行了接地處理，那么該干擾信號是怎么進入到電源的呢？

我們進一步檢測了CPU 的M端與PE之間的電阻，發現該CPU的M端與PE之間存在電阻值（圖8）。并且該值在0～6M歐之間跳變。

▲ 圖8.檢測CPU的M與PE之間存在電阻

但314C系列的CPU的24V電源M端與PE端在內部應該是短接的，因此該電阻值是不應該存在的?，F場剛好還有一個同樣類型的CPU，我們對另外一塊CPU進行了檢測了，發現該CPU的電源M端對PE之間的電阻值為0歐姆。因此，這就意味著，出現停機現象的CPU本身也已經存在一些問題。

由于現場出現跳停大概要30分鐘左右，因此我們每次需要觀察到底是什么情況下該CPU會停機都得將近1個小時，而且每次停機的情況都不同，很難發現規律。但通過一段時間的觀察，我們發現：當設備的某個關料閥動作的時候，PLC比較容易停機，而且幾乎每次停機都是發生在該關料閥到位的時刻。而該閥對應了一個接觸器，當閥體關到位時，該接觸器會斷開（圖9）。

▲ 圖9.控制關料閥的接觸器

由于關料閥動作的同時，其液壓系統電機會啟動，因此，我們懷疑是電機電纜布線不規范導致其對系統的220V電源電纜產生了干擾，因此我們將該電機電纜從線纜溝里找出來，單獨進行了布線，遠離了供電電源電纜，從而避免了電纜之間的干擾，但隨后我們發現，CPU依然會停機......因此，該干擾不是來自于電機電纜的，應該還有別的原因。

三、刨根問底，找到故障點

為此，我們再次對柜內的接觸器動作的時刻的波形進行了檢測。由于該接觸器并沒有配備浪涌吸收回路，因此在接觸器動作的時刻，都會出現脈沖干擾，而且有時干擾脈沖的幅值還非常的高(>20V)，但每次的干擾脈沖大小并不相同。是否是這些干擾導致CPU的停機呢？于是我們對該干擾脈沖進行了檢測。通過一段時間的觀察，我們發現：由于柜內安裝了較多的接觸器和繼電器，因此從示波器上可以看到很多干擾脈沖，并且幅值也并不相同。由于我們此刻重點關注的是連接關斷閥的接觸器，因此我們在每次該接觸器斷開時都會格外注意示波器的屏幕，但我們發現，盡管該接觸器的負載大，但并不是每次的干擾幅值都是高的，而有時屏幕上也會出現一些幅值很高的干擾脈沖，但此時大的接觸器卻并沒有動作。并且系統停機時，屏幕上并沒有出現很高的干擾脈沖。

這就意味著：柜內每個接觸器或者繼電器動作時，都有可能導致CPU停機。但這與我們觀察到的情況似乎有些矛盾，因為我們逐漸發現，系統確實是在關斷閥體的時候容易停機，盡管不是每次動作都停機，但每次停機幾乎都是系統的關料閥動作到位時發生的。但為什么停機時沒有看到大的干擾脈沖出現呢？

帶著疑問，我們進行了多次的測試，直到有一次，我們看到CPU停機的時刻，剛好是接觸器斷開的瞬間，同時在示波器上發現我們也發現了一個非常大的干擾脈沖（圖10）。

▲ 圖10.CPU停機的瞬間檢測到該脈沖

至此，我們終于看到了該斷路器斷開的瞬間，出現了較大的干擾脈沖，導致CPU停機。原來，終還是這一個接觸器引起了系統停機等等一系列的故障。當然，根據我們建議，現場將該接觸器外面增加吸收回路后，問題得到徹底的解決。

但這里有個問題，就是為何停機時示波器并不是每次都能抓到大的干擾脈沖？我們的分析，認為應該是由于設備動作時，并不見得每次都能產生大的干擾；另外，系統干擾可能是一個累積的過程，由于之前感性設備斷開時產生的干擾沒有能及時地釋放掉，因此甚至隨后的一個很小的干擾也會終導致系統出現問題。

四、總結

通過這個現場出現的問題，我們可以總結出以下兩點，是現場比較關鍵的：
1） 自動化現場的接觸器、繼電器等帶感性負載線圈的設備必須增加浪涌吸收回路；
2） 現場電氣系統必須接地。