基于S7-300PLC軟件編程的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)故障處理

張 還

PLC具有高可靠性和可維修性，通過(guò)其操作系統(tǒng)或監(jiān)控程序可實(shí)現(xiàn)較完善的自診斷功能。西門子S7-300PLC用戶程序由數(shù)量豐富的組織塊（OB）、功能（FC）、功能塊（FB）和系統(tǒng)功能（SFC）等邏輯塊組成。OB允許用戶創(chuàng)建在特定時(shí)間內(nèi)執(zhí)行的程序或?qū)μ囟ㄊ录憫?yīng)的程序，如對(duì)故障處理OB編程，一旦PLC控制系統(tǒng)出現(xiàn)硬件故障，PLC操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)故障處理OB進(jìn)行故障診斷；OB中的OB1為主程序，包含用戶編寫的主干程序，F(xiàn)C、FB和SFC中編有子程序，供OB1直接或間接調(diào)用，受PLC模塊診斷能力限制，對(duì)某些硬件故障，操作系統(tǒng)無(wú)法調(diào)用故障處理OB進(jìn)行自診斷，則必須在OB1或FC中編程。

一、雙復(fù)合胎面擠出聯(lián)動(dòng)線控制系統(tǒng)

1.基本組成

青島黃海橡膠集團(tuán)雙復(fù)合胎面擠出聯(lián)動(dòng)線采用基于PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的全分布式控制系統(tǒng)，PROFIBUS-DP連接西門子S7-300PLC，構(gòu)成單主—多從的總線網(wǎng)絡(luò)（圖1）?？刂葡到y(tǒng)主要組成：①PLC是系統(tǒng)主控制器，作為整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的主站，上位工控機(jī)安裝S7-300/400PLC編程軟件STEP7和組態(tài)軟件InTouch。②智能從站，如遠(yuǎn)程分布式I/O（ET200M）、直流調(diào)速器（6RA70）、交流調(diào)速器（MM440/MM420）、裁斷位置控制器（EVS9300）等。③外部設(shè)備，如繼電器、各類開(kāi)關(guān)、傳感器以及未和PROFIBUS總線連接的變頻器、直流調(diào)速器等。

2.控制系統(tǒng)故障類型

（1）外部設(shè)備故障。直接影響PLC系統(tǒng)工作，故障原因一般是設(shè)備損壞或壽命到期。

（2）智能從站故障?？芍苯右l(fā)直流電機(jī)、變頻電機(jī)或伺服電機(jī)的傳動(dòng)故障，導(dǎo)致胎面擠出聯(lián)動(dòng)線癱瘓。

（3）PLC系統(tǒng)故障。是影響系統(tǒng)運(yùn)行的全局性故障，一般是系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)或系統(tǒng)運(yùn)行年限較長(zhǎng)。其中偶然性故障在系統(tǒng)重啟后可恢復(fù)正常，反之為固定性故障，需更換硬件或軟件。

（4）硬件故障。PLC系統(tǒng)中的模塊損壞，原因是使用不當(dāng)或元器件老化。

（5）軟件故障。軟件自身包含錯(cuò)誤引起，主要原因是軟件設(shè)計(jì)者考慮不周，程序執(zhí)行過(guò)程中滿足了錯(cuò)誤條件。

（6）總線故障。主要原因是總線屏蔽不良、現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)環(huán)境干擾大、總線斷線和總線連接器接觸不良等。

二、在OB中編程進(jìn)行故障診斷

1.故障處理OB功能

該聯(lián)動(dòng)線控制系統(tǒng)CPU型號(hào)為315-2DP，主要包括如下故障處理OB。

（1）OB40（硬件中斷錯(cuò)誤OB）。當(dāng)具有中斷能力的模塊被激活，滿足中斷條件時(shí)，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用該OB。

（2）OB80（時(shí)間錯(cuò)誤處理OB）。響應(yīng)3種錯(cuò)誤：①循環(huán)監(jiān)視時(shí)間超時(shí)。②在執(zhí)行某OB時(shí)產(chǎn)生確認(rèn)錯(cuò)誤。③時(shí)間超前，引起OB啟動(dòng)時(shí)間被跳越。

（3）OB81（電源故障處理OB）。響應(yīng)24V電源和備用電池故障。

（4）OB82（診斷中斷處理OB）。當(dāng)具有診斷能力的模塊診斷到1個(gè)錯(cuò)誤時(shí)，即向CPU發(fā)出1個(gè)診斷中斷請(qǐng)求，操作系統(tǒng)會(huì)調(diào)用該OB。

（5）OB85（優(yōu)先級(jí)錯(cuò)誤OB）。響應(yīng)3種錯(cuò)誤：①試圖啟動(dòng)1個(gè)未下載的OB。②操作系統(tǒng)訪問(wèn)某個(gè)模塊時(shí)出錯(cuò)。③正在刷新整個(gè)映像區(qū)時(shí)I/O訪問(wèn)出錯(cuò)。

（6）OB86（機(jī)架故障OB）。發(fā)生擴(kuò)展機(jī)架故障，主站故障或分布式I/O系統(tǒng)中某個(gè)站點(diǎn)故障時(shí)調(diào)用該組織塊。

（7）OB87（通信故障OB）。響應(yīng)由通信引起的故障。

2.故障診斷和處理

該聯(lián)動(dòng)線控制系統(tǒng)實(shí)際用到OB80、OB81、OB82和OB86等，下面以對(duì)OB82和OB86編程為例，介紹故障診斷和處理方法。

（1）在OB82中編程。該控制系統(tǒng)只對(duì)AO模塊出現(xiàn)的錯(cuò)誤故障在OB82中進(jìn)行了編程，反之若S7-300PLC操作系統(tǒng)調(diào)用OB82，則必定發(fā)生了和AO模塊有關(guān)的故障類型，OB82臨時(shí)變量區(qū)中的診斷變量見(jiàn)表1。

表1

在OB82中編程時(shí)，需使用SFC 51“RDSYSST”（系統(tǒng)功能）讀出模塊診斷數(shù)據(jù)，再使用SFC 52“WR_USMSG”將診斷數(shù)據(jù)存入S7-300PLC的診斷緩沖區(qū)中。當(dāng)某模塊發(fā)生故障，PLC操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)用OB82，這時(shí)可在上位機(jī)啟動(dòng)STEP7編程開(kāi)發(fā)環(huán)境，監(jiān)視CPU診斷緩沖區(qū)中故障診斷信息（表1數(shù)據(jù)），具體步驟：①啟動(dòng)STEP7編程軟件，選擇要監(jiān)視的站（S7-300），進(jìn)入編程環(huán)境主界面。②執(zhí)行菜單命令“PLC”→“Diagnostics/Settings”→“Diagnose Hardware”。③點(diǎn)擊“Module Information”，打開(kāi)CPU硬件診斷快速視窗。④點(diǎn)擊視窗選項(xiàng)卡的“Diagnostic Buffer”，進(jìn)入診斷緩沖區(qū)。診斷緩沖區(qū)顯示該站中故障模塊的詳細(xì)診斷信息，“Events”窗口顯示事件記錄，“Details on Event”窗口顯示選中事件詳細(xì)信息，包括事件描述、事件發(fā)生地址等。

例 假設(shè)AO模塊起始地址為256，模塊發(fā)生電流斷線故障，則OB82的診斷變量將會(huì)變?yōu)椋篍V_CLASS=39，MDL_ADDR=256，INT_FAULT=0，EXT_FAULT=1，PNP_INFO=1，EXT_VOLTAGE=0，F(xiàn)ID_CONNCTR=1。

（2）在OB86中編程。當(dāng)OB86被調(diào)用時(shí)，可能發(fā)生的故障有：①?gòu)恼竞椭髡韭?lián)系中斷，即總線故障。②從站自身故障。若主站和從站1之間總線斷開(kāi)，所有的N個(gè)從站（本PLC控制網(wǎng)絡(luò)中N=25）與主站聯(lián)系中斷，因此1個(gè)PLC循環(huán)會(huì)調(diào)用N次OB86，同理，當(dāng)從站1和從站2之間總線斷開(kāi)，會(huì)調(diào)用N-1次OB86。因此根據(jù)OB86被調(diào)用次數(shù)，可確定總線故障的大概位置（當(dāng)然也可能多個(gè)從站同時(shí)發(fā)生故障，但概率極?。蝗羰菑恼咀陨砉收?，如ET 200M掉電、背板總線故障等，由OB86啟動(dòng)信息可診斷出故障從站。OB86臨時(shí)變量區(qū)中的診斷變量見(jiàn)表2。

表2

OB86編程和診斷步驟與OB82相似，不再詳述。

3.注意事項(xiàng)

若PLC控制系統(tǒng)發(fā)生了使PLC操作系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用某個(gè)錯(cuò)誤處理OB的故障，但CPU中沒(méi)有下載該OB，則CPU會(huì)轉(zhuǎn)入停止?fàn)顟B(tài)（調(diào)用OB81的故障除外），引起整個(gè)控制系統(tǒng)癱瘓。因此，一般要將所有故障處理OB均下載至CPU中，即使不在其中編程。例如該控制系統(tǒng)存在AI模塊，當(dāng)發(fā)生調(diào)用OB86的錯(cuò)誤時(shí)，PLC操作系統(tǒng)同時(shí)調(diào)用OB122（I/O訪問(wèn)錯(cuò)誤OB），直至故障被排除（此時(shí)若CPU中未下載OB122，CPU會(huì)轉(zhuǎn)入停止?fàn)顟B(tài)）。

在STEP7中插入、下載OB的步驟：①啟動(dòng)STEP7編程軟件，新建1個(gè)項(xiàng)目。②右鍵點(diǎn)擊該項(xiàng)目→選擇“Insert NeWObject”→選擇“SIMATIC 300STATION”，插入西門子 S7-300。③點(diǎn)擊SIMATIC 300→雙擊Hardware進(jìn)行硬件組態(tài)。④點(diǎn)擊CPU 315-2DP→點(diǎn)擊S7 Program（1）→雙擊Blocks（此時(shí)只有主程序OB1，沒(méi)有其他OB）。⑤在主窗口中，點(diǎn)擊右鍵→選擇“Insert NeWObject”→Organization Block，出現(xiàn)OB屬性對(duì)話框，進(jìn)行設(shè)置后即可加入OB80、OB82等OB，在塊中編程后再下載至PLC中。

上述方法適用控制系統(tǒng)從站或模塊故障的情況，而對(duì)于外部設(shè)備故障則可利用在OB1或FC中編程加以處理。

三、在OB1或FC中編程進(jìn)行故障診斷

PLC操作系統(tǒng)對(duì)于某些故障（如DI/DO模塊和設(shè)備間連線故障，DO模塊掉電，PLC外接的輸入、輸出元件故障）無(wú)法采用調(diào)用故障處理OB的方法，這些故障出現(xiàn)后PLC不會(huì)自動(dòng)停機(jī)，直至設(shè)備機(jī)械頂死或電控系統(tǒng)常規(guī)保護(hù)動(dòng)作，易引發(fā)設(shè)備事故。為使故障發(fā)生后PLC自動(dòng)停機(jī)、報(bào)警，應(yīng)將故障監(jiān)測(cè)作為電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的組成部分。在實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備控制系統(tǒng)中，PLC程序容量、內(nèi)部繼電器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器均有相當(dāng)余量，可利用PLC的這些閑置資源進(jìn)行故障檢測(cè)，常用方法如下。

1.數(shù)字量信號(hào)的故障診斷

（1）超時(shí)限故障檢測(cè)法。設(shè)備工作周期中各工步運(yùn)動(dòng)均需要一定時(shí)間，可以此時(shí)間為參考，在要檢測(cè)的工步動(dòng)作開(kāi)始同時(shí)，啟動(dòng)1個(gè)定時(shí)器，定時(shí)器設(shè)定值比正常情況下該動(dòng)作需要時(shí)間長(zhǎng)20%～30%，定時(shí)器輸出信號(hào)可用于報(bào)警、顯示或自動(dòng)停機(jī)裝置。當(dāng)設(shè)備某工步動(dòng)作時(shí)間超過(guò)規(guī)定時(shí)間，達(dá)到對(duì)應(yīng)定時(shí)器預(yù)置時(shí)間還未轉(zhuǎn)入下一個(gè)工步動(dòng)作時(shí)，定時(shí)器則發(fā)出故障信號(hào)，該信號(hào)停止正常工作循環(huán)程序，啟動(dòng)執(zhí)行報(bào)警和顯示程序。

例 在聯(lián)動(dòng)線液壓機(jī)頭開(kāi)、合模程序中編入“高壓故障壓力檢測(cè)”程序。液壓系統(tǒng)達(dá)到高壓一般需15～18s，經(jīng)接通延時(shí)定時(shí)器T73延時(shí)20s后未檢測(cè)到系統(tǒng)高壓，則置位高壓故障位，程序如下。

（2）邏輯錯(cuò)誤檢測(cè)法。設(shè)備正常情況下，電控系統(tǒng)各輸入、輸出信號(hào)、中間記憶裝置等相互之間存在著確定的邏輯關(guān)系，一旦設(shè)備故障則邏輯關(guān)系出現(xiàn)異常，反之亦然。因此可編寫一些常見(jiàn)故障的異常程序，加進(jìn)用戶程序，若這種邏輯關(guān)系狀態(tài)變?yōu)椤?”，則必然出現(xiàn)了相應(yīng)故障，可將異常邏輯關(guān)系的狀態(tài)輸出作為故障信號(hào)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警、停機(jī)等控制。

例 在聯(lián)動(dòng)線壓延程序中啟動(dòng)擺膠電機(jī)后，擺膠左、右限位開(kāi)關(guān)常開(kāi)觸點(diǎn)不可能同時(shí)閉合，反之若同時(shí)閉合，則表明至少兩者之一失靈；當(dāng)啟動(dòng)左、右調(diào)距時(shí)，左、右調(diào)距輸出繼電器均應(yīng)得電，若只有一個(gè)繼電器輸出或兩個(gè)均不輸出，則發(fā)生欠輸出故障。擺膠限位開(kāi)關(guān)故障和雙調(diào)距欠輸出邏輯錯(cuò)誤檢測(cè)程序見(jiàn)圖2，若中間存儲(chǔ)位M100.0得電并驅(qū)動(dòng)Q100.0輸出顯示或報(bào)警，則必然出現(xiàn)限位開(kāi)關(guān)故障；在雙調(diào)距接近動(dòng)作時(shí)，輸出繼電器Q6.0、Q6.2均應(yīng)輸出，如果不滿足，則M100.1得電驅(qū)動(dòng)Q100.0輸出。

2.模擬量信號(hào)的故障診斷

壓力、溫度等模擬量信號(hào)直接連接PLC的AI模塊端子，經(jīng)AI模塊內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)，在掃描過(guò)程中CPU將輸入端子的模擬值讀入輸入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。PLC診斷模擬量故障的過(guò)程，實(shí)質(zhì)是將模擬量信號(hào)輸入點(diǎn)的實(shí)際數(shù)字值與系統(tǒng)允許的極限值比較的過(guò)程。如果實(shí)際值在極限值范圍內(nèi)，表明對(duì)應(yīng)的受監(jiān)控部件處于正常工作狀態(tài)，反之處于故障狀態(tài)。

例 壓力傳感器測(cè)量機(jī)頭250壓力的0～10V模擬量信號(hào)，經(jīng)AI模塊A/D轉(zhuǎn)換后由PLC程序比較是否超限，若超限則超壓指示燈發(fā)出燈光報(bào)警并置位液壓高壓故障位，程序如下。

以上基于西門子S7-300PLC軟件編程的故障診斷方法在胎面擠出聯(lián)動(dòng)線控制系統(tǒng)實(shí)際使用后，電氣控制系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性和可維修性明顯提高。

1 廖常初.S7-300/400PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005

2 西門子（中國(guó)）有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán).深入淺出西門子S7-300 PLC[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004/段落>

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