西門子S7-400PLC的維護(hù)和故障診斷

劉文哲

（河鋼股份有限公司唐山分公司，河北 唐山 063000）

現(xiàn)階段，伴隨著高新技術(shù)及高新材料的誕生，為工業(yè)控制領(lǐng)域注入了全新的活力。如微處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、數(shù)字神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，而廣泛應(yīng)用的莫屬PLC可編程控制器，其具備高字節(jié)數(shù)字化編程性，采用高性能存儲(chǔ)器制造技術(shù)與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令集合輸出管腳兼容，彰顯強(qiáng)大的邏輯控制功能，進(jìn)一步保障在工業(yè)控制領(lǐng)域的可靠性與穩(wěn)定性。西門子公司出品的S7系列產(chǎn)品，在大中型模塊化PLC中占有重要市場(chǎng)份額?；诖?，本文依據(jù)西門子S7-400展開詳細(xì)介紹，并探討故障診斷與維修。

1 概述PLC可編程控制器的發(fā)展現(xiàn)狀

PLC，即可編程控制邏輯器件，以微處理器為基礎(chǔ)進(jìn)行工業(yè)控制，且借助微型計(jì)算機(jī)處理技術(shù)，擴(kuò)展邏輯控制功能。PLC可編程控制器在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛。近年來，隨著全球化PLC技術(shù)及產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)，促進(jìn)了PLC技術(shù)的日益完善，在性能上逐漸朝著高性能質(zhì)量、快速傳輸、高穩(wěn)定性等方面延伸。PLC技術(shù)及產(chǎn)品與傳統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)相比，已經(jīng)在成本、傳輸質(zhì)量等方面占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

另外，PLC系列產(chǎn)品在我國(guó)發(fā)展起步較晚，與西方國(guó)家相比還存在著一定的差距。目前，技術(shù)成熟的研發(fā)國(guó)家主要以德國(guó)和日本為主，特別是德國(guó)西門子公司開發(fā)的S7系列PLC產(chǎn)品占據(jù)中高端領(lǐng)域。例如西門子S7-400PLC產(chǎn)品具備強(qiáng)大的功能擴(kuò)展模塊以及MPI多點(diǎn)接口功能，繼而在高端裝備制造控制領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。但據(jù)實(shí)際使用情況來看，同樣存在常見故障問題。

2 分析西門子S7-400的結(jié)構(gòu)特征及基本設(shè)計(jì)

2.1 西門子S7-400系列的結(jié)構(gòu)分析

西門子S7-400PLC，具備中高檔處理性能和通信功能強(qiáng)大等優(yōu)勢(shì)。其構(gòu)成環(huán)節(jié)較為復(fù)雜，主要由機(jī)架部件、電源模塊、中央處理單元、通信處理器接口模塊、功能模塊以及信號(hào)模塊等部分構(gòu)成。機(jī)架部件的功能用于各個(gè)模塊的固定。機(jī)架的總線連接板上裝備模塊插座和信號(hào)總線，可借助信號(hào)總線將不同模塊連接。同時(shí)，各模塊能夠在機(jī)架上獲取工作電壓，以保證各單元模塊的基本功能。若一個(gè)機(jī)架無法將所有的模塊連接在一起，可以借助兩個(gè)或者多個(gè)機(jī)架，只要保證各個(gè)機(jī)架之間使用相同的接口模塊和通信電纜即可[1]。

2.2 西門子S7-400系列應(yīng)用特點(diǎn)分析

西門子S7系列產(chǎn)品是集成化、自動(dòng)化控制系統(tǒng)研究階段的重要核心基礎(chǔ)。西門子S7-400系列可編程控制器更是如此，將集成化擴(kuò)展功能和開放性編程性能集于一身，并在自動(dòng)化系統(tǒng)控制中，將通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)聯(lián)合，繼而突出高運(yùn)算速度、高執(zhí)行效率、自動(dòng)故障檢測(cè)、實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)通信、面向?qū)ο蟮墓δ芗傻榷鄠€(gè)方面的特點(diǎn)。與此同時(shí)，S7-400系列可實(shí)現(xiàn)故障安全容錯(cuò)與冗余技術(shù)，在大中型模塊自動(dòng)化PLC控制領(lǐng)域中獲得一致好評(píng)。在實(shí)際自動(dòng)化控制應(yīng)用領(lǐng)域，西門子控制網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用十分廣泛。通常來講，典型工廠自動(dòng)化系統(tǒng)由三部分網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)成：一是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層；二是車間監(jiān)控層；三是工廠管理層?；揪W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)流程為：在工廠管理層應(yīng)用中，車間操作員工作站與車間辦公管理網(wǎng)絡(luò)借助集線器進(jìn)行連接，可以將車間的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰囬g管理層。而車間管理層作為自動(dòng)化控制工廠主體網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)子網(wǎng)，借助交換機(jī)以及路由器設(shè)備等數(shù)據(jù)傳輸裝置，把車間數(shù)據(jù)集成化傳輸?shù)焦S管理層。在通信網(wǎng)絡(luò)的選取方面，工廠管理層采用以太網(wǎng)TCP/IP通信，CPU集成MPI通信接口以及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信單元。另外，AS-I現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)CPU與輸入輸出單元之間的過程映像數(shù)據(jù)交換。

2.3 西門子S7-400基本設(shè)計(jì)分析

西門子S7-400PLC自動(dòng)化控制，以模塊化微處理器設(shè)計(jì)為主，具備強(qiáng)大的功能擴(kuò)展模塊，并按照用戶的基本需求進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)。S7-400的設(shè)計(jì)方式為冗余設(shè)計(jì)手段，中央CPU的基本功能也是采用冗余配置。其中雙通道輸入輸出模塊容錯(cuò)冗余配置設(shè)計(jì)方式，可保證每個(gè)子系統(tǒng)的訪問。冗余設(shè)計(jì)方式基本原理為：采用熱備用模式，以保證主單元的正常運(yùn)行。該模式的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)為：若某單元發(fā)生故障，另外的子單元不受影響繼續(xù)完成自動(dòng)化控制過程。

3 闡述西門子S7-400故障診斷及維護(hù)處理方式

3.1 以LED狀態(tài)指示分析故障診斷及處理

在西門子S7-400故障診斷時(shí)，可以通過CPU的LED指示燈指示來判斷故障原因，從而制定行之有效的診斷處理方式。

一是，若SF狀態(tài)指示燈顯示紅亮，則說明為CPU系統(tǒng)出現(xiàn)故障。故障原因既可能是人為編程導(dǎo)致參數(shù)錯(cuò)誤問題，也可能是CPU硬件出現(xiàn)故障。鑒于此，首先可對(duì)硬件組態(tài)模塊結(jié)構(gòu)的完整性進(jìn)行檢查，與實(shí)際硬件組態(tài)作對(duì)比，判斷是否是硬件問題；其次，再對(duì)CPU配置信息進(jìn)行檢測(cè)分析是否出現(xiàn)錯(cuò)誤。若以上結(jié)果判斷檢查均正常，可以考慮更換CPU組件，進(jìn)一步判斷是否為CPU故障。

二是，在SF狀態(tài)指示燈顯示紅亮的前提下，BUS1F和BUS2F指示燈呈現(xiàn)紅亮或閃爍狀態(tài)，則說明通信接口出現(xiàn)硬件故障或者軟件故障。其中BUS1F與MPI接口1總線相連，BUS2F與MPI接口2總線相連，根據(jù)連接位置的不同判斷接口故障。首先，判斷是否為軟件故障，應(yīng)檢查通訊MPI接口地址與IP地址是否存在設(shè)置錯(cuò)誤問題；其次，判斷是否為硬件故障，應(yīng)對(duì)MPI接口作出檢查，判斷是否存在松動(dòng)或者故障問題；最后，對(duì)通訊電纜接頭內(nèi)的接線處進(jìn)行檢查，判斷是否有損壞。總之，按照出現(xiàn)的問題可采取針對(duì)性處理維護(hù)方式[2]。

三是，若FRCE狀態(tài)指示燈顯示為黃亮，則說明邏輯編程中至少存在一個(gè)輸入輸出部件被設(shè)置為固定值。由于邏輯值被強(qiáng)制性固定，所以該值不會(huì)伴隨程序的執(zhí)行而發(fā)生變化。解決方案為：在可執(zhí)行變量表的菜單命令中，將變量值設(shè)置為停止強(qiáng)制，既可解決強(qiáng)制表中對(duì)變量的強(qiáng)制操作。

3.2 以軟件分析故障診斷及處理

因?yàn)槲鏖T子S7-400系列產(chǎn)品具備較強(qiáng)的自動(dòng)故障診斷功能，通過設(shè)置區(qū)可以對(duì)存在的硬件故障和編程錯(cuò)誤等信息進(jìn)行匯總，其匯總結(jié)果一般保存在CPU的診斷緩存區(qū)內(nèi)。在利用軟件診斷故障時(shí)，可以將該模塊功能予以調(diào)出。既可通過軟件編程或者查看診斷區(qū)故障信息，能夠快速幫助用戶排除故障。

利用軟件診斷CPU故障的方式為兩種：一是診斷緩沖器；二是顯示硬件診斷信息。在使用診斷緩沖器診斷故障時(shí)，首先，將西門子管理器項(xiàng)目中的硬件管理打開；其次，選中診斷模塊，執(zhí)行菜單命令到模塊信息按鈕，可找到診斷緩沖區(qū)。該模塊能夠集中CPU發(fā)生的所有事件，若單獨(dú)單擊某一事件，在彈出的對(duì)話框下面灰色區(qū)域能夠顯示所選事件的具體信息。基于此，借助診斷緩沖器可對(duì)CPU自動(dòng)診斷事件，如模塊故障、過程寫故障、系統(tǒng)故障、運(yùn)行故障等作出綜合了解，繼而提高故障排查的效率。除此之外，在應(yīng)用顯示硬件診斷信息時(shí)，首先，將西門子管理器項(xiàng)目中的硬件管理打開；其次，執(zhí)行菜單命令診斷設(shè)置，找到硬件診斷功能，并打開對(duì)話框打開在線站點(diǎn)，既可通過診斷視窗顯示整個(gè)站點(diǎn)的組態(tài)。在線站點(diǎn)的組態(tài)涉及機(jī)架組態(tài)以及各模塊組態(tài)的診斷符號(hào)，該診斷符號(hào)能夠較為直接表示模塊的運(yùn)行故障；最后，按照當(dāng)前組態(tài)與實(shí)際組態(tài)之間作對(duì)比來判斷故障問題。

3.3 以冗余設(shè)計(jì)分析故障診斷及處理

目前，西門子S7-400冗余設(shè)計(jì)故障一般體現(xiàn)在冗余數(shù)字輸入模塊的差異上。若出現(xiàn)差異，此時(shí)CPU對(duì)于故障的識(shí)別為鈍化狀態(tài)，其余非鈍化狀態(tài)的模塊值均有效。總之，為避免冗余故障數(shù)字輸入模塊的差異，可以借助輸入輸出類型互聯(lián)和故障本地化的方式予以解決。

4 總結(jié)

綜上所述，西門子S7-400PLC在自動(dòng)化控制領(lǐng)域具有格外顯著的優(yōu)勢(shì)，本文詳細(xì)分析了S7-400系列的應(yīng)用特點(diǎn)、設(shè)計(jì)方式、維護(hù)與故障判斷。當(dāng)S7-400出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過多種測(cè)試方式來診斷故障問題，并將故障維護(hù)信息詳細(xì)記錄在案，確保S7-400系列PLC的正常使用。希望通過本文對(duì)西門子S7-400系列PLC的維護(hù)與故障診斷分析，可為同領(lǐng)域的研究學(xué)者提供借鑒價(jià)值。