S7-200系列PLC RS485接口损坏故障处理实例

    故障现象：S7-200系列PLC的RS485接口经非隔离的PC/PPI电缆与计算机连接、PLC与PLC之间，或PLC与变频器、触摸屏等通信时，发生RS485接口损坏。

    故障分析与处理：S7 -200系列PLC内部RS485接口电路图如图4-25所示。在图4-25中，R1、R2是阻值为10Ω的普通电阻，其作用是防止RS485信号D+和D-短路时产生过电流损坏芯片；Z1、Z2是钳制电压为6V，最大电流为10A的齐纳二极管；24V电源和5V电源共地未经隔离，当D+或D-线上有共模干扰电压灌人时，由桥式整流电路和Z1、Z2可将共模电压钳制在±6. 7V，从而保护RS485接口的SN75176芯片（RS485芯片的允许共模输入电压范围为：-7~12V）。该保护电路能承受的共模干扰功率为60W，保护电路和芯片内部没有防静电措施。

    图4-25    西门子S7 - 200 PLC内部RS485接口电路图

    当PLC的RS485口经非隔离的PC/PPI电缆与计算机连接、PLC与PLC之间连接或PLC与变频器、触摸屏等通信时，较常见的通信口损坏故障现象有：

    ①R1或R2被损坏，Z1、Z2和SN75176完好。这是由于有较大的瞬态干扰电流经R1或R2、桥式整流、Z1或Z2到地，Z1、Z2能承受最大10A电流的冲击，而该电流在R1或R2上产生的瞬态功率为100×10 =1000 (W)，当然会将其损坏。

    ②SN75176损坏，R1、R2和Z1、Z2完好。这主要是受到静电冲击或瞬态过电压速度快于Z1、Z2的动作速度造成的，静电无处不在，人体也会产生±15kV的静电。

    ③Z1或Z2、SN75176损坏，R1和R2完好。这可能是因于高电压低电流的瞬态干扰电压将Z1或Z2和SN75176击穿，由于电流较小且发生时间较短，R1、R2不至于发热损坏。

    由以上分析得知，PLC的RS485接口损坏的主要原因是瞬态过电压和静电；产生瞬态过电压和静电的原因很多也较复杂，如由于PLC内部24V电源和5V电源共地，24V电源的输出端子L+、M为其他设备混合供电可能导致地电位变化，从而造成共模电压超出允许范围等。所以RS485标准要求将各个RS485接口的信号地用一条低阻值导线连接在一起，以保证各节点的地电位相等，消除地线环流。

    当带电插拔未隔离的连接电缆时，由于两端电位不相等，电路中又存在诸多电感、电容之类的器件，插拔瞬间必然产生瞬态过电压或过电流。基于此考虑，在进行通信接头插拔的时候，应尽量使设备处于断电状态。

    连接在RS485总线上的其他设备产生的瞬态过电压或过电流同样会流入到PLC；总线上连接的设备站点数越多，产生瞬态过电压的因素也越多。当通信线路较长或有室外架空线时，雷电将会在线路上造成过电压，其能量往往是巨大的。雷电是主要的自然干扰源，雷电产生的干扰可以传输到数千公里以外的地方。雷电干扰的时域波形叠加成随机脉冲上的一个大尖峰脉冲，这个能量巨大的尖峰脉冲必然会在线路上造成过电压，造成PLC等通信网中所连设备的损坏，为此，应在PC内部采取的措施有：

    ①PLC采用隔离的DC/DC将24V电源和5V电源隔离。选用带静电保护、过热保护、输入失效保护等保护措施的高档次RS485芯片，如SN65HVD1176D、MAX3468ESA等。

    ②采用响应速度更快、承受瞬态功率更大的新型保护器件TVS或BL浪涌吸收器，如P6KE6. 8CA的钳制电压为6.8V，承受瞬态功率为500W，BL器件则可抗击4000A以上大电流冲击。若使用不带故障保护的芯片，如SN75176，可在软件上作一些处理，从而避免通信异常。即在进入正常的数据通信之前，由主机预先将总线驱动为大于200mV，并保持一段时间，使所有节点的接收器产生高电平输出。这样，在发出有效数据时，所有接收器均能够正确地接收到起始位，进而接收到完整的数据。

    ③R1和R2采用正温度系数的自恢复PTC电阻，如JK60 -010，正常情况下的电阻值为5Ω，并不影响正常通信，当受到浪涌冲击时，大电流流过PTC电阻和保护器件TVS(或BL)，PTC电阻的电阻值将骤然增大，使浪涌电流迅速减小。

    应在PLC外部采取的措施有：

    ①使用隔离的PC/PPI电缆，尽量不用廉价的非隔离电缆（特别是在工业现场）。西门子公司早期出产的PC/PPI电缆（6ES7901 - 3BF00 - 0xA0）是不隔离的，现在也改成了隔离的电缆。

    ②PLC的RS485口联网时采用隔离的总线连接器，如PFB -G，速率为0~1.5Mb/s自动适应，外形和使用方法与西门子非隔离的总线连接相同。

    ③与PLC连网的第三方设备，如变频器、触摸屏等的RS485口均使用RS485隔离器BH -485G进行隔离，这样各RS485节点之间就无“电”的联系，也无地线环流产生，即使某个节点损坏也不会连带其他节点损坏。

    ④RS485通信线采用PROFIBUS总线专用屏蔽电缆，保证屏蔽层接到每台设备的外壳并最后接大地。

    ⑤对于有架空线的系统，总线上最好设置专门的防雷击设施。

    良好的接地是PLC安全可靠运行的重要条件，对于工业通信网络更是如此。在工业通信网络中，至少有三种分开的地线，通过一点接地。第一种是低电平电路地线（即信号地线），包括数字地、模拟地、信号地和直流地等；第二种是噪声地线，即继电器、电动机、高功率电路的地线；第三种是机壳接地点，专供机械外壳、机身、机架、底板使用，此地线应该和交流电源的地线相接。交流电源地线应和保护地线相连，以避免因公共地线各点电位不均而产生的干扰。

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