施耐德Modicon PLC系统通讯中断故障研究

施耐德 Modicon PLC系统通讯中断故障研究

王文军

山西大唐国际云冈热电有限责任公司   山西大同 037039

摘要：针对MODICON厂家PLC化学水系统突然出现上位机数据不刷新，并发出I/O通讯失败的报警；集成器(Hub)电源指示正常，连接灯(LINE)停止闪烁；通讯卡NOE的报警指示灯Fault、kernel、Appl闪亮报警，操作人员不能控制现场设备等现象，分析故障原因，提出解决办法，达到了良好效果。

关键词：PLC；网络通讯；故障；分析；解决

1、故障现象及原因分析

化学水PLC系统出现上位机数据不刷新，并发出I/O通讯失败的报警;集成器(Hub)连接灯(LINK)停止通讯闪烁；通讯卡NOE的指示灯Fault，Kernel，Appl闪亮报警等现象，使得操作人员不能远程监控现场设备运行状况，只能现场手动操作，这严重影响了安全生产。为尽快恢复系统的自动控制，我们逐个复位相关设备，并观察故障状态的变化情况。

(1)将集成器Hub断电再上电，电源灯指示正常，连接灯(LINK)仍不闪烁;

(2)上位机重新启动，I/O通讯失败的报警信息仍然存在；

(3)将通讯卡NOE卡带电插拔复位一次，报警指示灯依然报警；

(4)将主站机架断电后在上电，NOE通讯卡报警灯灭，但上位机数据仍不刷新；

经过上述一系列的操作，故障没有消除，为了不影响生产，我们只好将PLC程序重新Download一次，CPU进行模式切换由运行一停止一运行，故障现象消失，PLC系统正常工作。

这些故障现象到底是什么原因引起？为避免今后类似现象的再次发生，我们决定找出答案。根据故障现象及通讯网络图，查找有关资料、咨询有关专家和有经验的工程师，对出现的故障现象进行分析，最后判断是由通讯引起的，焦点集中在以太网和RIO网络通讯上。

2、确定主要影响因素

2.1以太网

已作为PLC控制系统连接的以太网的特点是高性能、经济、工业标准、灵活性(拓扑结构型式:总线、星型，还可构成冗余)、开放性(快速以太网、ATM、FDDI、帧中继等)，TCP/IP已是通用、开放的计算机技术和工业标准。

Modbus TCP/IP以太网:

拓扑形式:开放局域网络，符合IEEE802.3 ；

传送速度:100 M/10 Mbps；

传送介质:IEEE802.3，100Base TX，l00Base FX；

网络长度:100BaseT，10BaseTX 100m从集线器至节

点，100BaseFX 3km；

应用层:Modbus协议，TCP端口:502。

Quantum系列以太网模块兼有Ethernet，TCP/IP和Modbus三种开放的通用网络标准。以太网模块140NOE77100，它的连接方式非常简单，只需在现有PLC机架底板空闲槽位上插入NOE模块即可，且支持热拔插。通讯卡NOE为系统提供至Ethernet网络的窗口，必须经过Ethernet hub使网络正常工作。查找NOE资料，故障时卡件上Fault，Kernel，Appl出现闪亮报警，对应的信息分别为“检测到错误、下载失败或正在复位”，“程序正在下装”，“存在崩溃日志条目”等内容。NOE卡件在PLC程序重新下装、CPU运行后正常工作，这基本上排除了通讯卡NOE的问题。因此判定是由RIO网络通讯引起的。

2.2 RIO网络

2.2.1 RIO网络的构成

RIO网络主要由RIO处理器、RIO适配器、RIO网络电缆系统(包括干缆、分支器、分站电缆、75Ω终端器)三部分构成。RIO网络是专有的，保证高速数据传送，Modicon处理节点必须在整个RIO网络上使用。RIO处理器是主节点，它位于RIO网络前端PLC，通过网络电缆系统与每一个远程分站上的适配器相连接。RIO适配器模块存在于RIO网络上的每一个远程分站，必须要赋予一个唯一的地址号。电缆系统必须是专用于RIO的，即不得有其它的信号或电源在该网络上施

加或传送。干缆从RIO处理器起始并在整个网络长度上运行，分支器通过分站电缆将每个分站上的分站适配器与干缆相连接，保证每个适配器带有一部分干缆上的信号，分站电缆完成由分支器向适配器的延伸，允许的最小长度为2.5m,避免分支器反射，在分站适配器中产生误差。采用75Ω终端器使整个网络上保持合适的阻抗匹配。

化学水装置RIO网络配置采用冗余配置，即前置处理器和分站适配器都有两个电缆端口，提供两个并行路径至相同的远程I/O站，实现冗余通讯电缆。它增加了RIO网络上的通讯完整性，使得当一个电缆系统受到损坏或不正常工作时，网络也能正常工作。

2.2.2 RIO网络的信息传送过程

RIO网络保证高速数据传送。大部分数据在RIO处理器(PLC前端)和RIO适配器(远程分站)之间进行传送，对I/O的一个分站小于1ms。网络上的所有信息都由处理器或RIO前端的主节点来进行初始化。网络上的每一个RIO分站适配器必须要赋予一个唯一的地址号，RIO处理器利用该分站地址将I/O模块数据或ASCⅡ信息数据送至合适的适配器。网络上适配器的物理位置与它的地址或整个数据没有关系，使RIO网络成为真正的总线结构。

参看《Modicon远程I/O设计和安装手册》中RIO网络，在我们注意到这样一段话:由RIO前置适配器初始化的信息沿网络的电缆系统传送并被所有的RIO适配器接收。具有在信息中特定地址的RIO适配器可在特定的时间范围之内将相应信息返回至RIO前端。如果分站适配器无反应，则相同的信息再次发送。无反应以后再发送信息的过程被称作重发。如果该适配器对若干次重发仍无反应，则该分站被宣布死站。对PLC的每次连续扫描，RIO前端试图与适配器重新建立通讯，每次浏览中只完成一次试图与死分站建立通讯，直到适配器成功恢复为止。

通过信息传送过程，我们进一步肯定故障现象是由RIO网络问题引起的，通讯频繁的重试，致使数据传输发生错误，从而引起PLC程序紊乱崩溃，必须通过重新下装程序，系统才能恢复正常运行。

3. RIO网络产生问题的影响因素

3.1接地

Modicon RIO系统正确的接地点应位于或靠近(20英尺内)网络前置终端RIO处理器处。如果系统接地不良或未接地，就会招致通讯频繁的重试，数据传输将发生错误。解决方法是必须用一根单独的电线使RIO网络系统电缆接地，接地线最好采用直径8平方或较大直径的软线，在RIO处理器端单端接地，接地端为离RIO处理器最近的分支器。

3.2电缆间距问题

RIO系统的电缆或部件与任何低中型动力电缆之间的间距必须确保在12至14英寸/千伏以上。要避开所有的动力电缆，包括直流动力电缆在内，使RIO电缆系统不能感应到峰值电压。

3.3接头松动问题

接头松动问题一般出现在通讯电缆与分支器、RIO适配器、RIO处理器等接头处，一定要拧紧和固定。

根据以上影响因素排查RIO网络，化学水系统出现的通讯故障现象，就是由RIO网络系统通讯电缆未接地引起的。解决方法：接地线采用直径8平方软线，在离RIO处理器最近的分支器处接地。

4、结束语

通过对RIO网络电缆接地线的安装，解决了由RIO网络引起的PLC程序紊乱间题，运行至今未再发生此类现象。

PLC运行中最常碰到、最令人头痛的问题是接地，接地故障会造成整个PLC系统停止工作，且具有特征隐蔽性，发生不可预料性，表象不可知性，判断困难性，排除复杂性等特点。因此，必须重视系统的接地问题，使之达到要求，才能确保整个控制系统的可靠运行。

参考文献：

【1】陶伟.电机控制中PLC与变频器通讯的应用【J】.电子技术与软件工程. 2020,(11)：30-32.

作者简介：王文军 1982年出生 男 汉族 山西平定人 毕业于东北电力学院 计算机科学与技术专业 本科学历 学士学位 工程师 研究方向发电技术。