唐山西门子中国代理商DP电缆供应商

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在现代工业控制系统中，PLC和变频器的综合应用为普遍。比较传统的应用一般是使用PLC的输出接点驱动中间继电器来控制变频器的启动、停止或是多段速，采用PLC加D/A 扩展模块控制变频器的频率。采用D/A扩展模块控制变频器的频率时，容易受到模拟量信号的波动和因距离不一致而造成的模拟量信号衰减不一致的影响，使整个系统的工作稳定性和性降低。从经济的角度来考虑，当需要控制多台变频器时，如果采用D/A扩展模块，成本将是使用RS-485通讯的多倍，例如：一块 FX2N-2DA(两路模拟量输出模块)价格在100以上，而一块FX2N-485BD(FX系列的485通讯板)价格在20左右。而使用RS-485通讯控制，很容易实现多变频器之间的同步和比例联动运行。该系统具有、信号精度高(可达变频器分辨率)、传输距离远、抗干扰性强等特点。

二、系统配置

胶辊机械控制系统共使用3台变频器，分别控制行走小车，主轴，挤出机的速度。要求分为自动/手动控制，触摸屏界面为开机界面手动、自动和手动/自动选择四个界面;自动状态时通过在触摸屏上选择不同的比例来控制3台变频器的频率和起停;手动状态时可以单操作三台变频器的正反转和频率。

三、系统硬件组成和连接

根据该系统的控制要求，选用以下器件：

1. PLC选用日本三菱公司FX1N-14MR;

2. PLC485通讯扩展板FX1N-485-BD(同变频器作通讯用);

3. 触摸屏为WEINVIEW MT500 5.7寸256色触摸屏;

4. 触摸屏同的PLC连接电缆;

5. 变频器采用我公司的正弦SINE003系列变频器，具有低频转距大，带载能力强，保护功能完善等特点;

四、通讯协议

正弦变频器内置标准RS-485通讯接口，其通讯协议格式如下表：

表1 发送、接收数据包格式

协议格式解释：

数据包头：02H(数据包头的起始字节)

从机地址：变频器为从机，变频器的本机地址即为PLC通讯的从机地址，由变频器的参数设定(主机为工控计算机或PLC可编程序控制器等)。

状态代码：从机变频器的状态代码。即参数设定状态、运行状态、停车状态、故障状态和 工厂测试状态。

状态代码：主机发送的命令代码，对从机进行相应的操作，如点动、启动、停车、读数据、写数据、故障等。

数据地址：即变频器功能代码的地址(通讯)编号。

数据信息：数据信息的定义，范围： 0-32000。无小数点，如：若功能代码内容为10.00，发送的数据为1000，若为50.0则为500。发送方式：先发高字节，再发低字节，将数据信息双字节的高 4位和低4位拆分并转换为ASCII码，先高后低发送。

异或校验：数据含义：数据帧从机地址至数据信息的异或结果。既 2字节3字节异或的结果与，再与4字节异或，以此类推至13字节。处理结果：当校验结果小于等于1FH，则校验结果加20H。

数据包尾：03H(数据包的结束字节)(从机地址、状态代码、状态代码、异或校验的发送方式：将命令代码的高 4位和低4位拆分并转换为ASCII码，先高后低发送)

五、采用三菱FX1N系列PLC的通讯程序实例如下：

图1 PLC通讯程序实例

六、变频器参数设定

1. 控制小车的变频器：

F1.01=2(端子控制正/反转，RUN端子ON/OFF控制正转/停止，F/R端子控制反转/停止)。

F1.02=13(485计算机输入有效)，F4.11=1(本机通讯站号设为1#)

2. 控制主轴的变频器：

F1.01=2(端子控制正/反转，RUN端子ON/OFF控制正转/停止，F/R端子控制反转/停止)。

F1.02=13(485计算机输入有效)，F4.11=2(本机通讯站号设为2#)

3. 控制小车的变频器：

F1.01=2(端子控制正/反转，RUN端子ON/OFF控制正转/停止，F/R端子控制反转/停止)。

F1.02=13(485计算机输入有效)，F4.11=3(本机通讯站号设为3#)

七、结束语

采用PLC同变频器通讯，具有接线简单，控制精度高，等特点，特别适合对多台变频器的同步、比例联动以及对变频器频率精度要求比较高的场合。

PLC通信的任务就是将地理位置不同的PLC、计算机、各种现场设备等，通过通信介质连接起来，按照规定的通信协议，以某种特定的通信方式率地完成数据的传送、交换和处理。

 

1．并行通信与串行通信

    数据通信主要有并行通信和串行通信两种方式。

并行通信是以字节或字为单位的方式，除了8根或16根数据线、一根公共线外，还需要数据通信联络用的控制线。并行通信的传送速度快，但是传输线的根数多，成本高，一般用于近距离的数据传送。并行通信一般用于PLC的内部，如PLC内部元件之间、PLC主机与扩展模块之间或近距离智能模块之间的数据通信。

串行通信是以二进制的位（bit）为单位的方式，每次只传送一位，除了地线外，在一个方向上只需要一根数据线，这根线既作为数据线又作为通信联络控制线，数据和联络信号在这根线上按位进行传送。串行通信需要的信号线少，少的只需要两三根线，适用于距离较远的场合。计算机和PLC都备有通用的串行通信接口，工业控制中一般使用串行通信。串行通信多用于PLC与计算机之间、多台PLC之间的数据通信。

在串行通信中，传输速率常用比特率（每秒传送的二进制位数）来表示，其单位是比特/秒（bit/s）或bps。传输速率是评价通信速度的重要指标。常用的标准传输速率有300、600、1200、2400、4800、9600和19200bps等。不同的串行通信的传输速率差别大，有的只有数百bps，有的可达100Mbps。

    2．单工通信与双工通信

串行通信按信息在设备间的传送方向又分为单工、双工两种方式。

单工通信方式只能沿单一方向发送或接收数据。双工通信方式的信息可沿两个方向传送，每一个站既可以发送数据，也可以接收数据。

双工方式又分为全双工和半双工两种方式。数据的发送和接别由两根或两组不同的数据线传送，通信的双方都能在同一时刻接收和发送信息，这种传送方式称为全双工方式；用同一根线或同一组线接收和发送数据，通信的双方在同一时刻只能发送数据或接收数据，这种传送方式称为半双工方式。在PLC通信中常采用半双工和全双工通信。

3．异步通信与同步通信

    在串行通信中，通信的速率与时钟脉冲有关，接收方和发送方的传送速率应相同，但是实际的发送速率与接收速率之间总是有一些微小的差别，如果不采取一定的措施，在连续传送大量的信息时，将会因积累误差造成错位，使接收方收到错误的信息。为了解决这一问题，需要使发送和接收同步。按同步方式的不同，可将串行通信分为异步通信和同步通信。

发送的数据字符由一个起始位、7~8个数据位、l个奇偶校验位（可以没有）和停止位（1位、1.5或2位）组成。通信双方需要对所采用的信息格式和数据的传输速率作相同的约定。接收方检测到停止位和起始位之间的下降沿后，将它作为接收的起始点，在每一位的中点接收信息。由于一个字符中包含的位数不多，即使发送方和接收方的收发频率略有不同，也不会因两台机器之间的时钟周期的误差积累而导致错位。异步通信传送附加的非有效信息较多，它的传输效率较低，一般用于低速通信，PLC一般使用异步通信。

同步通信以字节为单位（一个字节由8位二进制数组成），每次传送l~2个同步字符、若干个数据字节和校验字符。同步字符起联络作用，用它来通知接收方开始接收数据。在同步通信中，发送方和接收方要保持的同步，这意味着发送方和接收方应使用同一时钟脉冲。在近距离通信时，可以在传输线中设置一根时钟信号线。在远距离通信时，可以在数据流中提取出同步信号，使接收方得到与发送方相同的接收时钟信号。由于同步通信方式不需要在每个数据字符中加起始位、停止位和奇偶校验位，只需要在数据块（往往很长）之前加一两个同步字符，所以传输，但是对硬件的要求较高，一般用于高速通信。

4. 基带传输与频带传输

基带传输是按照数字信号原有的波形（以脉冲形式）在信道上直接传输，它要求信道具有较宽的通频带。基带传输不需要调制解调，设备花费少，适用于较小范围的。基带传输时，通常对数字信号进行一定的编码，常用数据编码方法有非归零码NRZ、曼彻斯特编码和差动曼彻斯特编码等。后两种编码不含直流分量、包含时钟脉冲、便于双方自同步，所以应用广泛。

频带传输是一种采用调制解调技术的传输形式。发送端采用调制手段，对数字信号进行某种变换，将代表数据的二进制“1”和“0”，变换成具有一定频带范围的模拟信号，以适应在模拟信道上传输；接收端通过解调手段进行相反变换，把模拟的调制信号复原为“1”或“0”。常用的调制方法有频率调制、振幅调制和相位调制。具有调制、解调功能的装置称为调制解调器，即Modem。频带传输较复杂，传送距离较远，若通过市话系统配备Modem，则传送距离可不受限制。

PLC通信中，基带传输和频带传输两种传输形式都有采用，但多采用基带传输。

5.其他通讯方式

1.自由口通讯一般是指RS232的串行通讯方式，其通讯距离较短，速率较慢，一般在现场的某些仪表会采用这种方式，比较典型的是西门子的PC-PPI通讯；

2.总线一般指RS485的串行通讯方式，其通讯距离和速率要远RS232通讯方式，一般现场的PLC或变频器等设备用此协议较多，比较典型的是西门子的Profibus-DP，Modicon的Modbus等；

3.以太网采用的是通用的以太网通讯协议，具备相当高的速率，但其问题是设备成本较前两种方法要高很多，因此没有总线方式普及。

随着计算机硬件、软件的快速发展，特别是网络技术的快速发展，工控厂家及系统集成商都大力开发以太网产品，关注PLC的直接上网问题。现在上的PLC厂家产品均能够实现直接上网，如施耐德公司全线的Quantum系列、Premium系列等、通用电气公司GE90-70系列、GE90-30系列、VersaMAX系列等、西门子公司的有关PLC、罗克韦尔PLC的列控制器等。

采用直接上网的结构，妥善解决PLC直接上网后智能设备的接入问题。采用直接上网的结构，坚持分层分布（单元）式的结构原则，就是要达到与LCU有关的各种数据采集和控制都由LCU来实现的目标。现在，LCU一般都需要与一定数量的智能设备进行通讯。在有工控机结构的LCU结构中，通讯实现是比较容易的，通讯的方式也比较灵活。但在采用PLC直接上网的结构后，就考虑各种PLC产品特性对接入LCU智能设备的影响。PLC与工控机相比，通讯接口少，方式比较少。LCU智能设备接入问题，解决的总的方法有两种，一种是直接或经转换接入PLC，一种是直接接入以太网。由于各种PLC产品分别产于不同的公司，它们的特性也各不相同，因此实现智能设备接入PLC的方法有多种多样。在比较国外主要PLC产品特性基础上，在满足分层分布（单元）式的结构原则前提条件下，对智能设备接入LCU的方法进行分析对比，从它们的特性中，力图找出共性的方法，侧重于通讯速率、实现方式、是否需要编程、接入智能设备的数量、是否易于维护等方面。

1、直接接入PLC

每种PLC  CPU上的串口或一般通讯模块的串口所支持的普遍方式是从（Slave）方式，即使它支持主（Master）方 式，相应通讯协议也是专有协议,不是开放的协议。对于一些PLC如GE90系列PLC，它有一种模块，该模块通讯方式为主方式，可以使用不同通讯协议编程，与智能设备通讯，这是解决方法之一。这种方法智能设备与PLC的数据交换的速率是串口的速率，智能设备采集的数据可以在PLC控制流程中使用。设备通讯协议一致且数量不多时，比较适合这种方式。因为智能设备多，总的通讯速度就会较慢，通讯协议不一致，就会占用该模块较多内存。

2、通过现场总线直接接入PLC

对于部分PLC，一些智能设备可以通过现场总线直接接入PLC。这种方式较好，因为现场总线的方式，其性、速率与直接插入PLC机箱的模块是相同的，而且接入的地点比较灵活，距离可以比较远。这种方式不需要编程，可以接入较多设备，非常方便，是一种很好的方法。

3、间接接入PLC

直接接入PLC的方法不具有普遍性，不是每一种PLC都可以实现的。下面两种方法可以在大范围使用。尤其是经串口接入PLC的方法，是一种普遍的方法。

1.经串口转换接入PLC

PLC一般具有丰富的通讯模块可供选择，多数PLC的CPU模块具有一到两个串口。由于这些串口多支持从（Slave）方式通用协议，智能设备也多为从方式，两者通讯不能实现。有些串口虽支持主（Master）的通讯方式，但通讯协议多为不公开的专有协议，智能串口设备很少能支持这些协议。因此，解决方法之一是采用一种装置，它一侧接入PLC串口，另一侧接入智能设备。该装置起协议转换作用，而且它对两侧都可以是主方式。这种方式可以接入较多串口设备。这是一种很有前途的、比较经济的方式，可以适用每一种PLC产品。

2.经转换接入现场总线进入PLC

为了解决PLC串口从方式不能直接接入PLC的问题，有些PLC厂家如施耐德，它开发一种网桥装置，一边接串口设备，一边接PLC的现场总线MB+。它有两种，一种支持同一种开放的协议如MODBUS，不需编程，另一种支持各个串口协议可以不同，但需要编程。

4、串口设备经转换（不经PLC）上网

几种方法都直接或间接通过PLC接入智能设备。现在，通过一种串口以太网转换器装置，它的一侧接入串口设备，另一侧接入局域以太网。串口设备侧不需任何改变，上位系统直接采集串口设备的信号。这样一个LCU需要有几个IP地址。这种方式可以接入大量的智能设备。

5、智能设备直接接入以太网

随着时间的推移，越来越多的设备将可以直接上网，因此可以采取智能设备直接上网的方式,速率可以达到10Mbps或100Mbps，将会很有应用前景。但一个LCU需要有几个IP地址。

（1）PLC直接上网的LCU结构经过工控机上网LCU结构；因为LCU整体性得到提高；

（2）智能设备以直接接入PLC现地总线方式从比较好，因为应用简单、速率快等，在可以选择直接接入现场总线的设备时，尽量采用这种方式。

（3）智能设备经串口转换接入PLC方式，是一种较优的方法，它虽然与PLC产品有关，但可以在每种PLC产品上使用，接入智能设备数量也较多，经济性能也较好。

（4）智能设备经串口转换上网方式和智能设备直接上网方式是很有应用前景的两种方式。因为这两种方法都与具体的PLC产品无关，是一种具有普遍意义的方法，值得引起注意。

随着信息化自动的快速发展, PLC可编程逻辑控制器在我公司使用越来越多,它采用可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。它具有丰富的输入/输出接口,并且具有较强的驱动能力。目前我公司部分设备采用PLC集中自动控制,应用PLC可使机电设备的生产效率大幅提高,同时也可为机电设备的故障诊断带来大的方便,PLC应用的深度和广度已成为一个国家工业水平的重要标志。
如何判断开关量信号的故障
所谓开关量即是数字量,也就是输入端子的“位”状态值置位“0”或 “1”。PLC对开关量的信号的识别是通过其数字输入模块完成的。
PLC在控制机电设备时,设备中的各种操作按钮及压力、温度、液位、行程开关等开关量直接与PLC的输入模块端子相连,每个输入端子在PLC的数据区中分配有一个“位”,每个“位”在内存中为一个地址。PLC的内部电路可以扫描到开关信号的有无。读取PLC输入位的状态值可以作为判断开关量故障信号的依据,诊断开关量故障的过程实质就是将PLC输入位正常的状态值与相应的输入位的实际值相比较的过程。如果二者比较的结果是一致的则表明机电设备处于正常工作情况,不一致则说明对应输入位的设备部位处于故障状态。这就是PLC诊断基于开关量信号故障的基本原理。
一般PLC均有LED指示灯可以帮助检查故障是否由外部设备引起。不论在模拟调试还是实际应用中,若系统某回路不能按照要求动作,应检查PLC输入开关点接触是否(一般可通过查看输入LED指示灯或直接测量输入端)。若输入信号未能传到PLC,则应去检查输入对应的外部回路;若输入信号已经采集到,则再看PLC是否有相应输出指示,若没有,则是内部程序问题或输出LED指示灯问题;若输出信号已确信发出,则应去检查外部输出回路(从PLC输出往后检查)。
在输出回路中,由于短路或其它原因造成PLC输出点在内部粘滞,只需将其接线换至另一预留的空接线点上,同时修改相应程序,将原输出标号改为新号即可。
这种诊断方法,故障定位准确,可进行实时在线诊断。通过PLC的梯形图编程,还可将故障诊断融入过程控制,达到保护机电设备的目的。
如何判断模拟量信号的故障
PLC对模拟量信号的识别是通过PLC的模拟量输入模块来完成的。模拟量输入模块采用A/D转换原理,输入端接收来自传感器或信号发生器送来的模拟信号,输出端输出的模拟信号作用于PLC的控制对象。
PLC诊断模拟量故障的过程,实质就是将在相应A/D通道读到的检测信号的模拟量的实际值与系统允许的限值相比较的过程。如果比较的结果是实际值远离限值,则表明机电设备对应的受监控部位处于正常状态,（信息来源www..cn）如果实际值接近或达到限值,则为不正常状态。判断故障发生与否的限值根据实际系统相应的参数变化范围确定,利用PLC的模拟量设定开关可设置该限值。
当模拟量的实际值达到模拟量设定开关的设定值,PLC还能按照一定的逻辑关系启动开关量模块上的输出位,或者从PLC的通讯口主动发起通讯,从而输出故障诊断的,并据此实现对机电设备的控制。
具体应用
根据上述原理和方法,可利用PLC诊断我公司PLC电气设备的故障。我厂现有的PLC电气设备大都是以下列模式实现功能的,如图1所示。
这些信号既有触点信号,又有数字信号和模拟信号。根据PLC程序的编制,这些信号在操作界面或PLC模块上都有一固定的位置,常开点显示为“0”,常闭点显示为“1”。如果某一指令在执行机构上没有动作,那么在计算机或控制屏上就能显示出来,这样我们就可以检查是信号没有传到PLC还是PLC没有传到执行机构,故障很容易发现。
下面以我公司新上的罩式电炉为例介绍这种方法的使用。例如炉罩移开点动失效,检查步骤如下:根据PLC的程序找到“炉罩移开”输入信号对应的地址为02CH07,也就是02CH输入模块的7个输入点,,如果LED灯亮说明PLC已接收到输入信号,按钮到PLC之间的传输线没有断点,相反LED灯不亮说明输入信号在这段线路上有断点,应检查这段线路。如果输入信号接收正常,那么就得进行二步检查,找到 “炉罩移开”输出信号在PLC中的即输出模块12CH的0个输出点,查看LED指示灯是否点亮,如果LED指示灯亮,表明输出信号正常,这时应是外部接触器及传动机构的故障,如果LED指示灯不亮,说明是PLC的程序有问题或是某些条件没有满足,导致没有输出,这时应打开PLC的梯形图程序进行修改和在线观察,看欠缺哪些条件,然后再逐一排查。用这样的方法我们将会很快查到问题所在,避免了走弯路,也节省了很多时间,不会影响生产。
总结
PLC可为机电设备的故障诊断提供强有力的技术支持,给机电设备的维护带来了大的方便,避免了许多重复无意义的工作,提高了维修的效率,在实际应用中了非常好的效果。

    在分析PLC过程控制故障特点的基础上，介绍四种PLC故障分析与排除的方法，并列举两实例说明故障分析与排除的过程。
    PLC故障特点
    PLC控制系统故障是指其失去了规定功能，一般指整个生产控制系统失效的总和，它又可分为PLC故障和现场生产控制设备故障两部分。PLC系统包括处理器、主机箱、扩展机箱、I/O模块及相关的网络和外部设备。现场生产控制设备包括端口和现场控制检测设备，如继电器、接触器、阀门、电动机等。
    大多数有关PLC的故障是外围接口信号故障，所以在维修时，只要PLC有些部分控制的动作正常，都不应该怀疑PLC程序。如果通过诊断确认运算程序有输出，而PLC的物理接口没有输出，则为硬件接口电路故障。另外硬件故障多于软件故障，大多是由外部信号不满足或执行元件故障引起，而不是PLC系统的问题。
    PLC故障分析及排除方法
    为了便于故障的及时解决，要区分故障是全局性还是局部性的，如上位机显示多处控制元件工作不正常，提示很多报警信息，这就需要检查CPU模块、存储器模块、通信模块及电源等公共部分。如果是局部性故障可从以下几方面进行分析。
    1．根据上位机的报警信息查找故障。PLC控制系统都具有丰富的自诊断功能，当系统发生故障时立即给出报警信息，可以、准确地查明原因并确定故障部位，具有事半功倍的效果，是维修人员排除故障的基本手段和方法。
    2．根据动作顺序诊断故障。对于自动控制，其动作都是按照一定的顺序来完成的，通过观察系统的运动过程，比较故障和正常时的情况，即可发现疑点，诊断出故障原因。如某水泵需要前后阀门都要打开才能开启，如果管路不通水泵是不能启动的。
    3．根据PLC输入输出口状态诊断故障。在PLC控制系统中，输入输出信号的传递是通过PLC的I/O模块实现的，因此一些故障会在PLC的1/0接口通道上反映出来，这个特点为故障诊断提供了方便。如果不是PLC系统本身的硬件故障，可不必查看程序和有关电路图，通过查询PLC的I/O接口状态，即可找出故障原因。因此要熟悉控制对象的PLC的I/O通常状态和故障状态。
    4．通过PLC程序诊断故障。PLC控制系统出现的绝大部分故障都是通过PLC程序检查出来的。有些故障可在屏幕上直接显示出报警原因；有些虽然在屏幕上有报警信息，但并没有直接反映出报警的原因；还有些故障不产生报警信息，只是有些动作不执行。遇到后两种情况，跟踪PLC程序的运行是确诊故障的有效方法。对于简单故障可根据程序通过PLC的状态显示信息，监视相关输人、输出及标志位的状态，跟踪程序的运行，而复杂的故障使用编程器来跟踪程序的运行。如某水泵不工作，检查发现对应的PLC输出端口为0，于是通过查看程序发现热水泵还受到水温的控制，水温不够PLC就没有输出，把水温升高后故障排除。
    当然，上述方法只是给出了故障解决的切人点，产生故障的原因很多，所以单纯依靠某种方法是不能实现故障检测的，需要多种方法结合，配合电路、机械等部分综合分析。
    典型故障分析实例
    实例1：故障现象是供热系统正常运行过程中，突然警报声响，上位机监控界面提示“MCC故障”。
    根据上位机的报警信息，MCC表示电机控制盘。结合电路图，发现所有电机的空气开关辅助常开触点都是串联起来再连接到PLC的输入点，开关合上后，触点闭合，任何一个触点断开，都会提示“MCC故障”，所以分析是电机控制部分出现了问题。为了确定具体是哪个电机出现了问题，先从配电室进行查找，每个电气柜的外面都有黄色指示灯，从电路图发现，指示灯是由这个盘的所有空气开关的辅助常闭触点并联后控制的，任何一个触点接通后，都会使该灯亮。据此找到黄色指示灯亮的电气柜，打开后发现是1号排水泵电机空气开关跳闸，合上运行又立即跳闸，判断是电机过载或有短路现象。现场用摇表检测电机线圈正常，手摇电机旋转，听到械摩擦的声音，打开水泵后发现是固定叶轮的螺母脱落，造成电流过大，导致跳闸，把螺母紧固后故障排除。
    实例2：故障现象是供热系统的流量调节阀能正常打开，无论手动和自动均无问题，但关闭后一直红绿闪烁，导致出现报警，但并未对生产造成影响。
    通过上位机监控和现场观察，发现该阀门能够正常打开和关闭，所以可以排除机械问题。通过分析电路发现，与该阀门相关的只有其自带的限位开关与PLC连接，所以可以初步判断故障在限位开关或PLC上。由于该阀门位置较高，检查较困难，不便检查限位开关。经过仔细观察PLC的I/O接口状态，发现阀门打开后接口指示灯亮，关闭后指示灯灭，即正好与阀门的开关状态相对应。为此得出结论，问题出在阀门的反馈开关上，该阀门是个调节阀，应该反馈阀门的关闭信号，即关闭后应该反馈+24V信号，打开后反馈OV，而现场发现反馈线接到了常开触点上，导致阀门关闭后没有信号反馈，屏幕显示红绿闪烁。由于PLC程序只用到阀门的关闭信号，所以阀门打开后程序并不认为反馈出错，阀门打开显示是正常的，把反馈线接到常闭触点上后故障排除。