★上海振华港机重工有限公司张亚楠

关键词：岸桥；PLC控制；电气故障；故障诊断；故障排查

在现代港口物流体系中，岸桥是实现高效装卸作业的关键设备，其运行可靠性和精确性直接关系到码头的运营效率和安全性。随着自动化技术的发展，基于PLC的岸桥控制系统已成为主流，其通过分层架构和网络化控制，能够高效地管理复杂的设备动作。然而，系统的高集成度和复杂性也带来了电气故障诊断和排查的挑战。故障的发生不仅会导致设备停机，影响作业效率，还可能引发设备损坏或安全事故。因此，如何快速、精准地诊断和解决岸桥电气故障，已成为行业关注的重点。

1　岸桥PLC控制系统概述

岸桥PLC控制系统是现代港口自动化作业的核心控制单元。其以西门子S7-400系列可编程控制器为核心，采用冗余架构确保系统的高可靠性运行，并通过PROFIBUS-DP现场总线网络连接分布式I/O模块，实现对岸桥各执行机构的精确控制，通信速率可达12Mbps，响应时间小于10ms。

系统采用分层分布式架构，将控制功能划分为运动控制层、过程控制层和监控层三大层次。运动控制层负责大车、小车、起升等四大机构的闭环控制，采用西门子FM458功能模块实现高精度的多轴协调控制，定位精度可达±5mm。过程控制层负责联锁保护、工况判断和顺序控制，通过冗余的CPU414-4H处理器保证控制逻辑的可靠执行。

监控层基于WinCC SCADA系统构建人机界面，实现运行参数显示、故障报警和远程诊断等功能。系统通过光纤以太网组建双环网冗余拓扑结构，网络带宽达1000Mbps，确保数据传输的实时性和可靠性。同时，系统集成基于OPC标准的数据接口，实现与码头管理信息系统的无缝对接，为智能化集装箱码头的建设提供了坚实的控制平台支撑。

该系统的复杂性使得电气故障诊断变得尤为关键，深入理解其架构不仅是实现高效排查的基础，更是制定针对性解决方案的重要前提。

2　岸桥电气故障分析

岸桥电气故障主要分为供电系统、驱动控制系统和PLC控制系统三大类。供电系统故障主要发生在高压输入和低压配电环节。高压输入常见10kV进线开关跳闸或熔断器熔断，多因绝缘老化和短路保护导致，尤其在沿海高盐雾环境下更为突出。低压配电方面，380V变压器次级电压不平衡和DC24V控制电源波动会引起PLC系统异常，影响设备定位精度。

驱动控制系统故障主要表现在变频器控制和编码器反馈两个方面。变频器在重载工况下易出现直流母线电压过高，触发过压保护；制动单元IGBT管损坏会导致制动能量无法及时释放。编码器反馈故障则主要体现为信号丢失和位置偏差，特别是在高速运转时更为明显。

PLC控制系统故障涉及通信网络和程序执行两个层面。通信网络故障表现为PROFIBUS-DP总线通信中断或数据传输错误，常见于电磁环境恶劣或总线终端匹配不当的情况。程序执行故障主要包括CPU周期超时和数据区访问异常，这些问题往往导致系统响应延迟，需要通过优化程序结构来提升系统性能。

3　故障诊断方法

3.1　系统性PLC排查法

系统性PLC排查法是一种基于层级递进的结构化故障诊断方法，遵循“由外至内、由表及里”的诊断思路。系统性PLC排查法以西门子S7-400系列PLC为对象，结合分层检测与量化分析，实现故障的快速定位。本方法涵盖硬件状态检测、软件诊断优化及通信质量评估三个核心环节，详细技术细节如表1所示。

表1系统性PLC排查法技术表

3.2　PLC在线监视诊断

PLC在线监视诊断是一种基于实时数据采集与分析的动态故障诊断方法，能够在PLC系统运行过程中，实时跟踪和分析关键参数的变化情况，以精准定位潜在故障点。该方法利用STEP7程序包中的变量监视表（VAT）和程序状态（Program Status）等功能，对PLC控制系统的运行数据进行深度监测和诊断，从而有效提升系统的稳定性和可靠性。

在具体实施过程中，首先需要建立针对性的VAT，重点跟踪机构运动控制过程中的核心变量，如位置反馈值（编码器分辨率≥17位（如绝对值编码器），监控DB10.DBD20（mm），允许偏差≤±0.5mm）、速度给定值（通过PROFIdrive报文（PZD2）监控DB30.DBW30（rpm），动态响应时间≤5ms）、电流实际值（伺服驱动器输出电流（DB40.DBW50），正常波动范围±2%，如额定电流10A时允许±0.2A）、扭矩负载（变频器扭矩反馈（DB50.DBW60），正常值≤额定扭矩的120%）、电源电压及温度参数（电机绕组温度（DB60.DBD70），报警阈值设定为85℃，停机保护阈值95℃）等模拟量信号。为了确保数据采集的精度，建议将数据采样周期设定为20ms，以便对高速动态过程进行高分辨率的捕捉。对于某些高精度控制场景（如位置闭环控制或高速信号处理），可进一步优化采样频率，以满足实时性要求。

除了数据采集，还需利用强制值（Force Value）功能验证输入信号的响应特性。对于数字量输入信号，如I3.5，强制逻辑“1”时（即24V），需检查输出点Q2.7是否闭合，确保接触器吸合电压不低于22V；若强制逻辑“0”时（0V），输出点应在≤50ms内释放。对于模拟量信号，如PIW320，强制4mA时，DB20.DBD40应等于0；强制20mA时，DB20.DBD40应为27648，这符合西门子S7-400模拟量的标定值。在响应特性测试中，伺服使能信号的验证要求在强制M10.0=1后，驱动器应在≤10ms内进入“Ready”状态，状态字的Bit0需为1。急停连锁功能的验证则要求在强制急停信号I0.0=0后，系统应在≤20ms内触发安全停机，且所有输出点应置为0。同时观察PLC是否能按照设定的控制逻辑进行相应的输出调整。这种方法不仅可以帮助维修人员快速确认故障点，还能有效排除因传感器误动作或信号干扰引起的错误报警。

当系统出现异常时，需要重点关注数据变化趋势，结合西门子S7-400系列PLC的诊断缓存区（Diagnostic Buffer）信息，分析故障的触发条件。例如，若发现某个变量的变化速率异常（如电流突增、扭矩波动剧烈或速度反馈偏差过大），可能意味着驱动系统存在问题，此时应结合变频器或伺服驱动器的状态信息进行进一步分析。此外，还需检查CPU扫描周期（Scan Cycle Time）是否发生异常波动，若发现周期明显延长，则可能存在程序执行效率低下、循环嵌套过深或数据处理逻辑异常等问题。

3.3　智能数据分析与故障预测

针对岸桥PLC控制系统的电气故障特性，我们构建了基于西门子S7-400系列的智能诊断预测系统。该系统重点监控PLC控制系统的关键运行参数，包括CPU414-4H的程序块执行状态（OB、FB、FC的调用频率与执行时间）、系统负载率、数据块（DB）访问情况，以及PROFIBUS-DP网络通信质量指标。通过ET200分布式I/O站，系统实现50ms高速采样周期，确保对设备运行状态的实时监测。

在PLC程序层面，我们设计了专门的故障诊断功能块（FB100-FB120），实现了对各机构（大车、小车、起升等）的运行参数实时分析。诊断程序通过循环组织块OB35（100ms定时中断）触发执行，确保诊断过程不影响主控程序的实时性。系统重点监控CPU扫描周期波动范围（正常应保持在50～80ms）、程序块执行时间（单个FB不应超过20ms）、数据块访问频率与数据流向，以及系统诊断缓冲区告警信息等PLC核心运行参数。同时，对PROFIBUS-DP通信质量（≥95%为正常）、总线负载率（应控制在60%以下）、通信重试率（每小时不超过5次）和从站响应时间（应≤10ms）等现场总线参数进行实时监测。

针对驱动控制系统，我们建立了完整的参数监控体系，包括变频器直流母线电压波动（允许范围±10%）、编码器反馈信号稳定性、驱动器故障代码记录以及电机运行参数（电流、转速、转矩等）的连续采集与分析。系统采用分级报警策略，将故障等级划分为提示级（参数轻微偏离，记录日志）、警告级（性能下降，需计划性维护）和报警级（需立即处理，系统可能停机）三个层次。常见故障及处理措施如表2所示。

表2常见故障类及处理措施

4　典型故障案例分析

某港口岸桥在高温环境（环境温度38℃）下运行时，突发PROFIBUS-DP总线通信中断故障，导致小车定位系统失效。我们通过西门子BT200总线分析仪测量发现，总线信号幅值降至标准值的65%（正常应≥75%）、信号上升时间延长至135ms（标准值≤100ns）、总线误码率达到10-4（正常应低于10-6）。系统事件缓冲区显示大量“站点故障”报警，且故障发生频率随环境温度升高而增加。

经过系统性排查，我们发现故障源于PROFIBUSDP通信电缆在高温环境下加速老化，屏蔽层出现局部损伤。我们通过示波器对故障段进行信号质量测试，测得信号反射系数达-12dB（标准值应≤-9dB），表明存在严重的阻抗失配。同时，我们采用热成像仪扫描发现，电缆接头处温度达到52℃，明显高于其他部位。我们进一步拆检发现接头端子氧化，接触电阻升高至1.2Ω（正常应≤0.3Ω）。

针对该故障，我们采取了三项优化措施：首先，更换为耐高温型PROFIBUS-DP电缆（工作温度范围-40℃~105℃），并采用镀金端子确保接触可靠性；其次，在通信关键节点增设总线光电转换器，将最大传输距离从100m延长至2km，同时提升抗干扰能力；最后，优化PLC程序中的通信重试机制，将重试间隔从固定20ms调整为自适应算法（初始20ms，累进增加至最大100ms）。改进后系统连续运行3000小时，总线通信质量维持在95%以上，误码率降至10-9量级，系统稳定性显著提升。

5　结语

综上所述，岸桥电气控制系统的高复杂性对其故障诊断与解决方案提出了更高的要求。PLC的控制系统虽然具备强大的功能和高可靠性，但其在供电、驱动控制和通信等环节仍存在多种潜在故障风险。通过系统性故障排查法、在线监视诊断、智能数据分析与故障预测等方法，能够有效提高故障定位的效率和准确性。典型案例验证表明，优化PLC程序结构、改善硬件性能和增强抗干扰能力等措施，可显著提升系统的稳定性和运行效率。

作者简介：

张亚楠（1991-），男，江苏通州人，工程师，学士，现就职于上海振华港机重工有限公司，研究方向为电气调试及其自动化。

参考文献：

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[2] 邱谋杰,柳学杰,潘吉波,等.岸桥ABBAC800M与西门子S7-300PLC通信技术应用[J].集装箱化,2022,33(12):14-17.

[3]常青.岸桥司机室I/O通信故障分析及处理[J].电世界,2022,63(4):46-49.

摘自《自动化博览》2025年7月刊