Solução de problemas de entrada analógica do Siemens S7-300: Falhas do SM331 encontradas em campo
Três da manhã. A linha de embalagem fica silenciosa. Não o silêncio tranquilo de uma parada planejada. Mas aquele silêncio que faz o operador noturno me ligar com uma voz que diz: "Este não é o primeiro problema desta noite."
"O nível do tanque está cheio", diz ele. "Cheio e subindo. Estamos prestes a colocar o produto no chão."
Abro a tabela VAT no meu laptop. O valor bruto do canal de nível é 27648. Bem no limite máximo da escala. O transmissor desse tanque é uma unidade de 4-20 mA, e 27648 é o que o SM331 reporta quando a entrada está no máximo. Ou o tanque está realmente transbordando, ou algo nesse circuito está apresentando erro.
Era o loop. Geralmente é.
Já troquei tantos SM331 que perdi a conta. Também já vi módulos perfeitamente bons serem condenados porque um transmissor de 2 fios foi conectado em um slot para 4 fios, ou porque uma placa de alcance foi reinstalada ao contrário após a limpeza do painel. Nove em cada dez vezes, o problema não é o módulo. São os cabos conectados aos terminais.
Este artigo descreve a ordem em que verifico os itens, classificados pela frequência com que observo cada falha em campo. Verifique a lista de cima para baixo antes de encomendar uma peça de reposição. Você pode pensar que o problema está no módulo, mas na maioria das vezes não está.
O SM331 é a placa de entrada analógica da família S7-300. Ele recebe o sinal de 4-20 mA, 0-20 mA ou tensão de um transmissor de campo e o converte em um número que a CPU pode usar. Esse número é um inteiro bruto entre 0 e 27648 para faixas unipolares ou entre -27648 e +27648 para faixas bipolares. A CPU então converte esse valor bruto em unidades de engenharia: porcentagem, bar ou graus Celsius. O que o processo exigir.
Toda a família compartilha algumas características. São montadas no mesmo trilho. Usam o mesmo barramento de placa traseira. Todas respondem ao mesmo sistema de diagnóstico. As diferenças estão na quantidade de canais, na resolução, nas faixas de entrada e no grau de isolamento entre os canais.
Uma coisa que digo a todos os aprendizes: o SM331 é um dispositivo honesto e confiável. Ele não inventa leituras. Se indicar 27648, algo levou a entrada a esse valor. Se indicar zero, o circuito está aberto ou inativo. A placa é um voltímetro com um número de série. Trate-a dessa forma e a resolução de problemas se torna muito mais simples.
Nem todos os SM331 são iguais. O número do pedido diz quase tudo. Estes são os que eu realmente vejo nas fábricas, e para que servem.
Número do pedido | Canais | Resolução | Faixas de entrada | Uso típico
6ES7331-7KF02-0AB0 | 8 IA | 12 bits | 0-20 mA, 4-20 mA, ±10 V | O equipamento essencial. Sinais de processo, transmissores, feedback de acionamento
6ES7331-7KB02-0AB0 | 2 AI | 12 bits | 0-20 mA, 4-20 mA, ±10 V | Painéis pequenos, alguns sinais, adaptações
6ES7331-7NF10-0AB0 | 8 IA | 15 bits | 0-20 mA, 4-20 mA, ±10 V | Pesagem de alta resolução e precisão, ciclos rápidos
6ES7331-7NF00-0AB0 | 8 IA | 15 bits | 0-20 mA, 4-20 mA, ±10 V | Placa de alta resolução mais antiga, mesma função que a 7NF10
6ES7331-1KF02-0AB0 | 8 AI | 13 bits | 0-10 V, ±10 V, 0-20 mA | Painéis com alta tensão. Sem isolamento entre os canais.
6ES7331-7PF11-0AB0 | 8 AI | 16 bits | RTD, termopar | Temperatura. Pt100, tipo J e K
Algumas observações práticas. O 7KF02 é o modelo mais comum em racks. É barato, está em todo lugar e a placa de seleção de faixa permite que uma única placa controle tensão, corrente e, em algumas posições, até mesmo sensores Pt100 e termopares. Essa flexibilidade é o motivo de sua longa vida útil.
A placa 1KF02 não possui isolamento entre canais. Cada canal compartilha a mesma referência. Uma falha de aterramento em um dos circuitos afeta toda a placa. Já vi um cabo de campo defeituoso derrubar todos os oito canais simultaneamente, e a equipe de manutenção substituiu duas placas em perfeito estado antes que alguém verificasse o cabo.
O modelo 7NF10 utiliza um conector frontal de 40 pinos. Os modelos 7KF02 e 1KF02 utilizam conectores de 20 pinos. Ao comprar um cabo de substituição, certifique-se de que o conector seja compatível, caso contrário, você ficará procurando o cabo certo às 2 da manhã.
Este é o problema mais grave. Diria que metade dos meus chamados para equipamentos analógicos termina com um conserto simples com chave de fenda, e não com um pedido de peças. O erro mais comum é a inversão de polaridade nos terminais do canal. M+ e M- trocados. Um técnico de instrumentação reconecta um transmissor de pressão após a calibração, cruza os dois fios e a leitura desaparece. O operador jura que o transmissor está com defeito. O transmissor está perfeito. As duas letrinhas no bloco de terminais contam toda a história.
As entradas de corrente precisam de um caminho de retorno. Se o lado negativo do circuito estiver flutuando, você obtém dados inválidos. Não zero, não fixo. Dados inválidos. Valores que vagam descontroladamente. Também já vi um terminal que parecia firme, mas tinha um fio solto por um fio. A leitura caía toda vez que a máquina vibrava. Você pensaria que era um sensor solto. Era um parafuso solto.
Verificações:
· Os parafusos dos terminais estão realmente apertados? Puxe cada fio, sem delicadeza.
· O pino M+ do módulo está conectado ao lado positivo do sinal? E o pino M- está conectado ao lado negativo?
· Existe algum canal atual com um caminho de retorno completo?
· Há corrosão, mofo esverdeado ou terminais descoloridos em áreas úmidas?
Solução: refazer as terminações com terminais de compressão, substituir os blocos de terminais danificados e etiquetar o par. Uma etiqueta leva dez segundos e economiza uma hora.
Este modelo descarta bons módulos. Um transmissor de 2 fios é alimentado pela própria espira. O módulo precisa ser configurado para operação em 2 fios para que a alimentação da espira seja fornecida pelo canal. Um transmissor de 4 fios funciona com sua própria fonte de alimentação. Sua saída é apenas um sinal, e o módulo apenas o mede.
Conecte um transmissor de 2 fios em um slot configurado para 4 fios e não haverá alimentação no circuito. A placa indica zero. Todos culpam a placa. Certa vez, encontrei um transmissor de pressão novinho em folha assim, instalado por um empreiteiro, que chegou com defeito de fábrica, segundo o encarregado. Levei dois minutos com um multímetro para descobrir que o circuito não tinha tensão. A placa não teve a menor chance.
O inverso é pior. Conecte um transmissor de 4 fios em um slot configurado para 2 fios e o módulo tentará injetar corrente de loop em uma saída que não consegue suportá-la. A leitura trava em 27648 e o estágio de saída do transmissor superaquece e apresenta problemas. É aí que entra o aviso de "tanque cheio" às 3 da manhã, às vezes com o tanque realmente cheio porque a válvula fechou com base em uma leitura falsa.
Verificações:
· Quantos fios vão para o transmissor? Dois significa dois fios. Quatro significa que ele tem seu próprio par de alimentação.
· O que diz a entrada de configuração de hardware para esse grupo de canais?
· Em que posição está o cartão de alcance?
Correção: configure a placa de alcance e a configuração de hardware para corresponder ao tipo de transmissor e conecte a alimentação do loop no local correto.
O clássico. Um valor bruto fixado em 27648 significa que a entrada está sendo levada ao máximo. Um valor bruto fixado em 0 significa que o circuito está aberto, o sensor está com defeito ou a alimentação está ausente. Ambos parecem idênticos na IHM: uma leitura incorreta. No entanto, as causas são completamente diferentes.
Com o código de erro 27648, em ordem de probabilidade: o sensor está em curto ou travado, a corrente do circuito está realmente acima de 20 mA, a saída do transmissor está saturada ou a faixa de medição está configurada incorretamente. Tive um indicador de nível de tanque que marcava cheio por uma semana. O operador atribuiu o problema a uma placa defeituosa. O cabo havia sido prensado sob uma canaleta durante uma obra no telhado, causando um curto-circuito entre os dois fios. O transmissor estava operando em sua potência máxima contra um circuito em curto. A placa estava indicando a leitura correta.
Preso em 0: um circuito aberto, um transmissor inoperante, um fusível queimado na alimentação de 24V do circuito ou um fio rompido com o monitoramento desligado. E aqui vai uma observação sutil: se o canal estiver configurado para 0-20 mA, mas o transmissor estiver configurado para 4-20 mA, a placa indicará cerca de 20% da escala quando o reservatório estiver vazio. Não zero. Vinte por cento. Os operadores chamam isso de "vazamento" e é um problema de configuração, não de hardware.
Verificações:
· Coloque um medidor de mA em série com a espira. Qual é a leitura real da corrente?
· Meça a tensão nos terminais do transmissor. Ele está recebendo o que precisa?
· Verifique a linha de 24V e o fusível do circuito. Os fusíveis queimam às 3 da manhã com mais frequência do que qualquer outro componente.
Solução: substitua o fusível, repare o cabo ou substitua o sensor. Em seguida, injete 12 mA com um calibrador de loop. Se o cartão indicar um valor intermediário na escala, o problema nunca foi o cartão.
O 7KF02 isola seus canais em grupos de dois. Os canais 0 e 1 compartilham um grupo. O mesmo acontece com os canais 2 e 3, 4 e 5, 6 e 7. Quando um canal em um grupo sofre uma queda de tensão, seu parceiro continua funcionando normalmente. Já vi uma sobretensão desativar a proteção de entrada do canal 0, e o canal 1 exibir sinais sem sentido por um mês, enquanto todos culpavam o transmissor do canal 1.
A fiação do grupo também compartilha a referência. Um cabo de campo em curto em um canal do grupo pode puxar a referência do grupo e arrastar a leitura do canal vizinho. Mesmo grupo, mesmo destino.
Verificações:
· Mova o sinal suspeito para um canal em um grupo diferente. Se a leitura for normal nesse canal, o problema está no grupo, e não na placa inteira.
· Verifique os dois canais do grupo. Se ambos apresentarem comportamento anormal, suspeite do grupo.
· Observe o sinal do cabo de rede em ambos os canais, não apenas naquele que está apresentando problemas.
Solução: repare o caminho de campo com defeito. Se o estágio de entrada desse grupo estiver realmente danificado, a placa precisa ser substituída. Não é possível contornar um grupo inoperante.
O 7KF02 possui uma placa de seleção de faixa, uma pequena placa que você encaixa na parte frontal do módulo. Ela define a faixa de medição para cada grupo de canais. Ela pode ser inserida ao contrário. Pode ser colocada no slot errado. Eu vi uma equipe de limpeza de painéis remover uma, limpar os contatos e recolocá-la girada 180 graus. Metade dos canais passou a apresentar leituras incorretas depois disso. Ninguém mexeu na programação. Ninguém mexeu na fiação. Uma peça de plástico de 5 dólares foi a única culpada.
A posição do cartão de medição e a entrada na Configuração de Hardware (HW Config) devem coincidir. Se o cartão indicar 4-20 mA, mas a Configuração de Hardware indicar 0-10 V, as leituras estarão incorretas, dando a impressão de um problema no sensor. Além disso, o número de pedido e a versão do hardware na Configuração de Hardware devem corresponder ao módulo real; caso contrário, a CPU sinalizará o slot.
Verificações:
· Retire o cartão de alcance. Está na posição correta?
· A configuração de hardware mostra o mesmo intervalo para esse grupo?
· O número de pedido na Configuração de Hardware corresponde ao módulo no rack?
Solução: reinsira o cartão corretamente, corrija a entrada de configuração de hardware e faça o download. Reinicie o rack se a CPU apresentar problemas.
O 7KF02 separa seus grupos de canais por apenas cerca de dois volts. Isso não é isolamento real. É uma separação simbólica. Se o transmissor e o CLP estiverem em potenciais de terra diferentes, a diferença incide diretamente na entrada. As leituras oscilam. Elas saltam. Às vezes, chegam ao limite máximo.
Mandei construir um skid de compressor nos Estados Unidos, funcionando com 120V/60Hz, ao lado de um painel elétrico de 230V/50Hz. O sinal analógico oscilava o dia todo. Os terras divergiam em alguns volts e o 7KF02 não tinha margem para isso. A solução foi um aterramento em ponto único e uma blindagem aterrada em uma das extremidades. Os módulos 7NF de 15 bits lidam melhor com esse tipo de problema, mas nem sempre podemos escolher o hardware.
Verificações:
· Meça a tensão entre o negativo do transmissor e o terminal M- do módulo. Uma tensão superior a um ou dois volts indica um problema de modo comum.
· A blindagem está aterrada em ambas as extremidades? Isso é um loop de terra com ruído.
· Os cabos de sinal compartilham a mesma bandeja com os cabos do motor ou com os cabos do inversor de frequência?
Solução: aterramento em um único ponto, com uma extremidade da blindagem aterrada e a outra isolada com fita, e, em casos mais persistentes, um isolador entre o transmissor e a placa. Custa menos que um módulo novo e resolve a causa raiz.
O módulo está no slot 4 e a configuração indica slot 5. Ou o número de pedido na Configuração de Hardware não corresponde à placa que está realmente instalada. A CPU apresenta falha no slot ou os valores nunca são atualizados. A IHM exibe números desatualizados e os operadores pensam que o processo está travado.
Também já recebi um módulo "novo" de uma loja que era de uma versão de hardware mais antiga do que a esperada pelo HW Config. A CPU se recusou a aceitá-lo. A solução foi fazer com que a versão na configuração correspondesse à placa no rack, ou encontrar a placa correta. Verifique também os endereços das palavras de entrada. Uma placa de 8 canais usa oito palavras e, se duas placas tiverem endereços sobrepostos, as leituras entrarão em conflito.
Verificações:
· Abra as informações do módulo na Configuração de Hardware. A placa reporta o número de pedido e a versão esperados?
· O módulo está no slot indicado na configuração?
· Os endereços das palavras de entrada se sobrepõem a outro cartão?
Correção: corrija a configuração, faça o download e confirme os endereços. Em seguida, verifique o valor em tempo real em uma tabela de IVA.
Por último, e com razão. Falhas reais de hardware acontecem. Uma sobretensão danifica um estágio de entrada. Um transmissor em curto injeta 24V em uma entrada projetada para apenas miliamperes. Um raio atinge uma cerca a cem metros de distância e todo o rack treme. Às vezes, uma placa simplesmente para de funcionar devido à idade.
Os sinais são claros: LED SF aceso constantemente, informações do módulo mostrando uma falha interna, nenhum canal responde mesmo com um calibrador conectado diretamente aos terminais, e a falha acompanha a placa quando você a move para outro slot. Se você seguiu os passos de 1 a 7 e a placa ainda não funciona corretamente, o problema está na placa.
Verificações:
· Faça o teste de troca com uma placa que você sabe que funciona. O defeito acompanha a placa? É a placa.
· Cheire o módulo. Componentes eletrônicos queimados têm um cheiro característico. O mesmo acontece com um estágio de proteção de entrada danificado.
· Procure por danos visíveis no circuito de entrada.
Solução: substitua-o. Verifique se o número do pedido corresponde exatamente e confira a versão do hardware com a entrada de configuração de hardware. Um módulo 6ES7331-7KF02-0AB0 usado de um fornecedor confiável é uma boa opção. Basta confirmar a versão e se a placa de seleção de faixa está incluída. O tipo de conector frontal também é importante. Se você estiver procurando peças de reposição, temos peças de reposição para PLCs Siemens e peças de reposição gerais para PLCs que abrangem as versões comuns do SM331, novas e usadas. Os módulos novos possuem as marcações CE e UL. Os usados, provenientes da UE ou dos Estados Unidos, são aceitáveis, desde que o número do pedido e a versão correspondam.
O LED SF é todo o vocabulário do módulo. Aprenda-o e você elimina metade das suposições.
Estado do LED | Significado | O que fazer
SF desligado | Nenhuma falha relatada pela placa | Confie nela, mas ainda verifique a fiação de campo.
Luz SF piscando | Falha no canal: fio rompido, sobrecarga, subcarga | Leia o diagnóstico e encontre o canal
SF estável | Erro de atribuição de parâmetros ou falha interna | Verifique a configuração de hardware, a placa de alcance e a versão do módulo.
Na Configuração de Hardware, clique duas vezes no módulo e abra as Informações do Módulo. A aba Diagnóstico mostra o funcionamento correto da placa. Ela indica o canal, o tipo de falha e se é um fio rompido, uma subalimentação ou uma sobrealimentação. Também mostra falhas internas que os LEDs não conseguem indicar.
Se você habilitar a interrupção de diagnóstico nos parâmetros do módulo, a CPU será notificada a cada falha. É aí que reside o problema. Se a interrupção estiver habilitada e o OB82 não estiver carregado no programa, a CPU entrará em estado de PARADA na primeira vez que um canal apresentar falha. Já atendi a uma chamada dessas às 3 da manhã. Alguém habilitou o diagnóstico por um bom motivo e se esqueceu do OB. Toda a linha parou porque um canal reserva tinha um fio solto.
Abra uma tabela VAT e insira o endereço da palavra de entrada. Para uma placa de 8 canais, isso corresponde a oito palavras. Observe o valor enquanto injeta um sinal conhecido nos terminais de campo. Se o valor bruto acompanhar o sinal, a placa e a configuração estão corretas. Se o valor bruto ignorar o sinal, verifique os terminais de campo, terminal por terminal.
O monitoramento de ruptura de fio é parametrizável nas faixas de 4-20 mA e 1-5 V. Quando ativado, o circuito aberto exibe 32767 e o LED SF pisca, indicando um diagnóstico de ruptura de fio. Quando desativado, o circuito aberto exibe 0 e se comporta exatamente como um sensor inoperante. Saiba qual configuração está ativa, ou você perderá uma hora tentando resolver um problema que não existe.
Eis o mapa que guardo na minha cabeça. Os valores brutos são números inteiros e a escala é fixa.
Valor bruto | Percentual da faixa | Sinal de 4 a 20 mA | O que isso geralmente significa
32767 | sobrecarga | acima de 20 mA | Ruptura do fio com monitoramento ativado ou sobrecarga
27648 | 100% | 20 mA | Entrada máxima. Sensor travado, em curto ou com faixa incorreta.
20736 | 75% | 16 mA | Leitura normal a 75%
13824 | 50% | 12 mA | Escala média. Normal
6912 | 25% | 8 mA | Leitura normal a 25%
0 | 0% | 4 mA | Sinal zero, circuito aberto ou transmissor inativo
-32768 | Subfaixa | Abaixo de 4 mA | Subfaixa com monitoramento ativado
Um detalhe que costuma confundir as pessoas: na faixa de 4 a 20 mA, o módulo mapeia 4 mA para o valor bruto 0 e 20 mA para o valor bruto 27648. O zero absoluto da faixa de 4 a 20 mA já foi removido internamente na placa. Portanto, ao ajustar a escala, o limite inferior passa a ser o valor de engenharia em 4 mA, e não o valor em 0 mA. Se isso for invertido, o indicador de bateria marcará cheio quando estiver vazio.
FC105 é a função SCALE da biblioteca padrão. IN é o inteiro bruto da palavra de entrada. HI_LIM e LO_LIM são os seus intervalos de engenharia. BIPOLAR indica ao bloco se o intervalo bruto é de -27648 a +27648 ou de 0 a 27648. OUT é o resultado real. RET_VAL é a palavra de status e você deve verificá-la. Se não for zero, a conversão tem um problema.
A maioria dos erros de escala que vejo são causados por um sinalizador BIPOLAR incorreto ou limites invertidos. Ambos produzem leituras incorretas de forma muito consistente, o que faz com que os operadores confiem mais nelas, e não menos. Uma leitura que está sempre 10% acima do valor real é considerada um erro de escala até que se prove o contrário.
O módulo fornece a alimentação do circuito de loop. O fio L+ é conectado ao terminal L+ do módulo. A corrente do circuito sai do terminal M+ do canal, passa pelo transmissor e retorna para M-. Não é necessária nenhuma fonte de alimentação externa. Se o módulo não estiver configurado para 2 fios, não haverá alimentação do circuito de loop e a leitura ficará em zero, esperando que você culpe a placa.
O transmissor funciona com sua própria fonte de alimentação. O par de sinais vai para M+ e M-. Não alimente a alimentação do loop do módulo em uma saída de transmissor de 4 fios. A placa satura e o estágio de saída do transmissor superaquece. Já precisei substituir dois transmissores antes de encontrar um técnico que fazia exatamente isso.
Cabo de par trançado blindado para 4-20 mA, sempre. Aterre a blindagem em apenas uma extremidade. Escolha a extremidade do painel ou a extremidade de campo e mantenha a consistência. Aterrar ambas as extremidades cria um loop de terra com um zumbido considerável. Mantenha os cabos de sinal fora da bandeja com os cabos do motor e os cabos do inversor de frequência. Já vi um inversor de frequência transformar um sinal limpo de 4-20 mA em ruído audível em um rádio. A placa lê como sinal. O processador lê como caos.
· Terminais: firmes, limpos, com ponteiras, com M+ e M- corretos.
· Loop: medidor em série, confirme se a corrente corresponde ao processo.
· Alimentação: 24V no circuito, fusível bom, polaridade correta.
· Configuração: posição do cartão de alcance, número do pedido de configuração de hardware, versão do hardware, faixa de medição.
· Isolamento: mova o sinal para outro grupo de canais e injete um calibrador.
· Em seguida, o cartão.
Faça nessa ordem e você precisará substituir muito menos módulos. Eu mantenho um calibrador de loop no meu caminhão. Ele já se pagou centenas de vezes. Uma ferramenta de US$ 200 que comprova que a placa está funcionando corretamente é mais barata do que um módulo de US$ 400 que não é o problema.
Substitua o módulo quando o LED SF estiver aceso continuamente devido a uma falha interna detectada no diagnóstico. Substitua-o quando nenhum canal responder, mesmo com um calibrador conectado diretamente aos terminais. Substitua-o quando a falha persistir em outro slot. Substitua-o quando sentir cheiro de componentes queimados. Danos causados por surtos em um estágio de entrada não são reparáveis na área de produção. Não perca um turno com isso.
Ao comprar a peça de reposição, certifique-se de que o número do pedido corresponda exatamente. Verifique a versão do hardware em relação à sua configuração de hardware. Confirme o tipo de conector frontal. Confirme se a placa de seleção de faixa está incluída. Um módulo sem a placa de seleção de faixa é inútil no 7KF02. Temos em estoque peças de reposição para PLCs Siemens com as versões listadas, para que você possa verificar a compatibilidade antes de fazer o pedido, em vez de depois.
· A cada desligamento: verifique se os terminais estão bem apertados e se há corrosão.
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