西門子S7-400PLC 控制系統(tǒng)故障分析及維護

李顯通

（陜西省寶雞鈦業(yè)股份有限公司鍛造廠，陜西寶雞 721014）

0 引言

工業(yè)現(xiàn)場中，德國西門子S7-400PLC 的應(yīng)用極大的提高工業(yè)生產(chǎn)過程控制的穩(wěn)定可靠性，他的優(yōu)點在于有較強的可靠性和強抗干擾能力，同時他的控制功能強大，可編程及系統(tǒng)運行可視化大大提高。在工業(yè)控制中，S7-400PLC 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝的水平，決定他發(fā)生故障的情況非常少。但是由于工業(yè)現(xiàn)場有許多不確定因素，如現(xiàn)場塵埃、振動及設(shè)計安裝不合理等，對S7-400PLC 控制器本身和組成系統(tǒng)的其他設(shè)備、輸入/輸出信號和程序等，都可能會產(chǎn)生影響，有可能損壞系統(tǒng)PLC 硬件，最終導致設(shè)備長期停產(chǎn)。寶雞鈦業(yè)股份有限公司2500 t 鍛壓機組是應(yīng)用S7-400PLC 為核心的一套鍛壓設(shè)備，為減少應(yīng)用S7-400PLC 的控制系統(tǒng)在現(xiàn)場的故障率，需要了解工業(yè)現(xiàn)場系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分布、預(yù)測設(shè)備上與PLC 聯(lián)系緊密的電氣元件的故障容易發(fā)生的地方，同時對容易發(fā)生故障的地方提前做好預(yù)防性檢修。

1 系統(tǒng)故障的概念

系統(tǒng)故障指整個設(shè)備因為各種因素導致系統(tǒng)控制失效、精度降低等而導致設(shè)備停產(chǎn)的各種原因總和?？煞譃镻LC元件或程序故障和現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控、執(zhí)行元件故障兩部分。PLC 系統(tǒng)包括CPU 電源、中央處理器、I/O 模塊及相關(guān)的通信網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備。設(shè)備現(xiàn)場元件包括繼電器、接觸器、傳感器、儀表、機械閥等。

2 2500 t 鍛壓機的設(shè)備故障統(tǒng)計及原因分析處理

2.1 2500 t 鍛壓機組控制系統(tǒng)

2500 t 鍛壓機組采用德國西門子400 系列PLC 為核心組成（圖1）。采用2 個S7-400 PLC，2 個S7-400 的CPU 416-2 都配備有MPI 口和PROFIBUS-DP 通信口，2 臺鍛造操作機分別采用S7-300 PLC，S7-300 的CPU 318 也配備有MPI 口和PROFIBUS-DP 通信口，4 個CPU 的MPI 和PROFIBUS-DP 通信口電纜相互連接，實現(xiàn)隨地訪問CPU 的功能。其中S7-400 PLC1 實現(xiàn)鍛造壓力機各個高壓泵、控制泵、控制閥、各輔助設(shè)備等動作的控制。S7-400 PLC2 實現(xiàn)鍛造壓機動作的控制。

圖1 系統(tǒng)配置框圖

2.2 系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計

系統(tǒng)運行近10 a 來鍛壓機故障統(tǒng)計見表1。

表1 鍛壓機故障統(tǒng)計 次

10 a 來，鍛壓機故障共計45 次，其中PLC 的自身故障比例約為11.1%，設(shè)備元器件故障比例約為88.9%。與設(shè)備現(xiàn)場所使用其他品牌的PLC 自身故障做比較，西門子S7-400PLC 自身的故障率不高，穩(wěn)定性較好。

2.3 系統(tǒng)故障分析及處理

2.3.1 西門子S7-400 PLC 主機系統(tǒng)

西門子S7-400 PLC 一般情況下系統(tǒng)電源、CPU、通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、程序運行都比較可靠。但是在工業(yè)現(xiàn)場，受惡劣環(huán)境和維護技術(shù)人員水平的影響，偶爾會出現(xiàn)一些問題。①現(xiàn)場設(shè)備電源由于需要長時間工作，其散熱，偶爾的電壓、電流的不穩(wěn)定都有可能造成電源損壞而導致設(shè)備故障。2500 t 鍛壓機工作過程中出現(xiàn)電源模板POS 405 10 A 燒損的故障，經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)模板輸入電壓220 V 由于供電系統(tǒng)前端故障使電壓異常升高到250 V 左右運行，導致模板燒損。處理供電系統(tǒng)故障后，一直運行穩(wěn)定；②通信模塊及系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)受外部干擾和外部環(huán)境也能造成通信故障。該系統(tǒng)PLC 的CPU 曾頻繁出現(xiàn)BUS1F 亮紅燈故障，系統(tǒng)停止運行?，F(xiàn)場技術(shù)人員通過查找發(fā)現(xiàn)分站模塊ET200M 通信線插頭處屏蔽線偶爾搭接通信線纜導致，處理插頭后再未出現(xiàn)此故障。

系統(tǒng)總線的故障產(chǎn)生的原因有多個方面。①PLC 為模塊式結(jié)構(gòu)，模塊插拔有可能會導致局部接連接器、線路板等處損壞；②在大氣中溫度和濕度的影響下，有可能造成模塊上的電路的損壞、插件的接頭處氧化等。系統(tǒng)曾頻繁出現(xiàn)1 個模擬輸入模塊上的數(shù)值顯示最大值故障，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)輸入模塊后連接器有1個點由于氧化原因接觸不良，更換后連接器后，系統(tǒng)故障消除。西門子S7-400 PLC 系統(tǒng)在設(shè)備設(shè)計和日常檢修維護的時候要排除現(xiàn)場環(huán)境的影響。同時在系統(tǒng)安裝過程中要提高安裝質(zhì)量，接線要牢靠，動力電源和通信電源要盡量分開布置。

2.3.2 系統(tǒng)PLC 的I/O 端口

西門子S7-400PLC 的I/O 模塊分為數(shù)字量I/O 模塊和模擬量I/O 模塊。I/O 模塊是體現(xiàn)PLC 性能的關(guān)鍵部件，更容易受外部干擾而損壞。①外部設(shè)備故障容易引起I/O 模塊損壞，2500 t鍛壓機在使用過程中出現(xiàn)數(shù)字量I/O 模塊1 個輸入點常量，但是其外部沒有給他24 V 信號，經(jīng)程序檢查該點也沒有輸入信號，判斷是模塊輸入點損壞。檢查發(fā)現(xiàn)其外部連接閥的閥控板損壞，給模塊反饋的24 V 信號功率變大，導致該輸入點損壞。更換閥控板和該數(shù)字輸入模塊后系統(tǒng)運行正常；②維修人員的不正當維修可能導致I/O 模塊損壞，一次該系統(tǒng)有1 傳感器插頭線損壞，維護人員在沒有停止CPU 電源的情況下帶電焊接插頭電線后1 模擬量輸出模塊報警損壞。分析原因是由于電烙鐵漏電導致該模塊損壞。綜上所述，要降低西門子S7-400PLC 的I/O模塊故障率就要減少外部各種干擾對其影響，電路上要增加繼電器進行隔離。

2.3.3 現(xiàn)場控制設(shè)備

（1）第一類故障最多的點在繼電器、接觸器。繼電器和接觸器在設(shè)備中是易損件，一方面與元器件的本身生產(chǎn)品質(zhì)有關(guān)，同時接觸器、繼電器在長時間動作過程中其觸頭處由于電弧作用會產(chǎn)生氧化反應(yīng)，然后發(fā)熱變形導致觸頭損壞。在該設(shè)備系統(tǒng)運行中，繼電器需要頻繁動作，備件上應(yīng)盡量嚴格按照現(xiàn)場工作電壓、電流來選擇接觸器、繼電器的工作電壓、電流，選用質(zhì)量較好的生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品。電氣柜要防塵、防止異物進去。滿足這些條件，可以大大降低繼電器和接觸器損壞次數(shù)，大大減少設(shè)備的故障停機時間。

（2）第二類故障主要發(fā)生在限位保護裝置上。在該鍛壓機上限位保護裝置一般多安裝在油泵進出油口、壓機框架上下限等位置。由于該設(shè)備在運行過程中振動大，而且現(xiàn)場粉塵較大，極容易導致限位保護裝置上電氣元件的接觸點出現(xiàn)變形和氧化，同時現(xiàn)場油污、粉塵大造成電器元件上的接觸點污損，導致限位保護失效。電氣維護檢修人員就要在日常定期維護中，定期檢查開關(guān)是否松動、變形，定期清理上面的灰塵。由于現(xiàn)場保護開關(guān)多，在設(shè)計的過程中將開關(guān)的狀態(tài)能在電腦屏幕上可視化顯示，能極大的減少維護人員查找故障的工作量。

（3）第三類故障點為比例閥、伺服閥。比例閥和伺服閥是系統(tǒng)控制的執(zhí)行元件，其電氣故障主要發(fā)生在其閥控板上。由于該系統(tǒng)使用的比例閥和伺服閥閥控板都在現(xiàn)場閥體上所帶，其現(xiàn)場油污、灰塵、振動都可能會對其電子設(shè)備產(chǎn)生影響，導致閥控板損壞。在日常維護過程中，一方面要定期清理其上面油污和灰塵，緊故閥控板固定座和插頭。另一方面，在系統(tǒng)設(shè)計上將閥的給定和反饋開口度在電腦屏幕上實時顯示，對判斷系統(tǒng)故障能起到很大幫助。

（4）第四類故障點電子測量儀器包括傳感器、儀表等。由于設(shè)備在運行中控制系統(tǒng)要時時采集系統(tǒng)的各項運行參數(shù)，電子測量儀器損壞后中一般反映在測量的數(shù)據(jù)和實際不一致。為了減少這類故障的發(fā)生，一方面在設(shè)備安裝時要采用屏蔽電纜作為傳感器和儀表的信號電纜，屏蔽電纜要一端做好接地。在電纜敷設(shè)時，動力電纜和信號電纜分開敷設(shè)，有大型變頻器的地方，變頻器電纜更應(yīng)做好屏蔽，防止信號干擾。另一方面，在選用傳感器和儀表時盡量選擇可靠性比較高且適用于大振動現(xiàn)場的品牌。

3 結(jié)束語

通過對10 a 來設(shè)備故障發(fā)生的規(guī)律進行統(tǒng)計和分析，發(fā)現(xiàn)對系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)的故障的預(yù)防及處理主要是需要提高技術(shù)人員和維護人員的水平，定期檢查模塊是否有松動，電源接線是否牢靠，定期除塵。同時在處理外部故障時，維修人員首先要按照規(guī)定停止PLC 電源，并斷開CPU 的I/O 模塊接線后再維修外部設(shè)備。在日常巡檢中，對傳感器、儀表的電纜、固定牢固程度進行檢查處理，可降低故障率。