文松电气-西门子S7-400H PLC故障分析

可编程控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它的应用面广、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一，在工业生产领域得到了广泛的使用，西门子公司的PLC产品有SIMATIC S7、M7和C7等几大系列，S7系列是传统意义的PLC产品，其中S7-400是用于中高级性能要求的大型PLC，可以扩展300多个模块。S7-300／400可以组成MPI(多点接口)，PROFIBUS网络和工业以太网。

1 S7-400的基本结构与特点   

1.1 基本结构   

    S7-400采用大模块结构，由机架、电源模块(PS)、中央处理单元(CPU)、数字量输入／输出(DI／DO)模块、模拟量输入／输出(AI／AO)模块、通信处理器(CP)、功能模块(FM)和接口模块(IM)组成。DI／DO模块和AI／AO模块统称为信号模块(SM)。机架用来固定模块、提供模块工作电压，并通过信号总线将不同模块连接在一起。S7-400提供了多种级别的CPU模块和种类齐全的通用功能模块。$7-400采用模块化无风扇设计，性能范围宽广的不同模块可以灵活组合，扩展方便。

1.2 特点   

S7-400的特点有：   

a．运行速度高，存储器容量大；   

b．I／O扩展功能强，可以扩展21个机架；   

c．极强的通信能力，容易实现分布式结构和冗余控制系统，集成的MPI能建立最多32个站的简单网络，大多数CPU集成由PROFIBUS—DP主站接口，可以用来建立高速的分布式系统；

d．能通过钥匙开关盒口令实现安全保护；   

e．诊断功能强，最新的故障和中断时间保存   

在FIFO(先入先出)缓冲区。   

2 S7-400的配置和工作原理   

2.1 S7-400的配置 

 S7-400按冗余方式设计，主要器件都是双重的，可以在发生故障时继续使用备用的元器件。S7-400由两个子系统组成，每个系统有一块有容错功能的CPU414-4H，一块PS407电源模块。同步子模块用于连接两个中央处理器，放置在中央处理器内部，并由光缆互连。每个中央处理器上有S7I／O模块，中央控制器也可以有扩展机架或ET200M分布式I／O。   

中央功能总是冗余配置的，I／O模块可以是常规配置、切换型配置或冗余配置，具体说明如下：   

a．常规单通道单路配置。两个子系统只有一个有一套I／O模块(单通道)，它可以在一个中央控制器中，或者是分布式的I／O站。I／O模块只能被该子系统访问，读出的I／O信息同时提供给两个中央控制器。如果出现故障，属于故障控制器的I／O模块退出运行。   

b．单通道切换式配置。单通道切换式配置的I／O模块虽然是单通道设计，但是两个中央控制器都可以通过冗余的PROFIBUS-DP网络访问I／O模块。切换式I／O模块只能在ET-200M远程I／O站中。

c．双通道I／O模块容错冗余配置。系统中有两套相同的容错冗余配置的I／O模块，每一个子系统都可以访问这两套I／O模块。   

2.2 S7-400H冗余控制PLC的工作原理   

    S7-400H采用“热备用”模式的自动冗余原理，在发生故障时无扰动的自动切换。无故障时子单元处于运行状态，如果发生故障，正常工作的子单元能独立完成整个过程的控制。为了保证无扰动切换，必须实现中央控制器链路中间的快速、可靠的数据交换。两个控制器必须使用相同的用户程序，自动的接受相同的数据块，过程映像和相同的内部数据，例如定时器、计数器及存储器等。   

    这样可以确保两个中央控制器同步的更新内容，在任意一个系统有故障时，另一个可以承担全部控制任务。   

    S7-400H采用“事件驱动同步“，在两个子单元的内部状态不同时，例如在直接I／O访问、中断、报警和修改实时时钟，就会进行同步操作。通过通信功能修改数据，由操作系统自动执行同步功能，不需要用户编程。   

    S7-400H对中央控制器之间的链接、CPU模块、处理器、ASIC和存储器进行自检。在启动后每个子单元完成执行所有的测试功能。每个周期只执行部分自检功能，以减轻CPU的负担。   

3 S7-400H冗余故障分析及相应处理   

3.1 丙烯循环气压缩机控制系统

 聚丙烯装置丙烯循环气压缩机(PK301)的控制系统是一套典型的S7-400H PLC，其结构如图1所示。 

图1 冗余控制系统 

由于该PLC系统的一个稳压电源(220V AC.24V DC)故障，在PK301停车检修时对故障电源进行更换。可在稳压电源更换好之后，PLC系统再上电，发现后启动的CPUl状态为STOP，且两CPU上的REDF(冗余故障)和EXTF(外部故障)红灯亮，控制器上其它状态指示灯和故障指示灯正常。判断系统出项冗余故障造成外部故障。   

    将两个控制器的模式选择开关都扳到STOP位置，然后将先前没有起来的CPUl模式选择开关扳到RUN位置，等RUN绿灯亮，STOP黄灯灭后，再将CPU0模式选择开关扳到RUN位置，RUN绿灯闪烁后灭，STOP黄灯一直亮，故障无法排除。系统下电前有一输入变量被强制，现在FRCE(强制)黄灯亮，将该输入点的强制取消(两CPU)，FRCE黄灯灭后，再次将状态为STOP的CPU0模式选择开关从RUN_STOP—RUN位置依次扳动，CPU0 RUN绿灯亮，STOP黄灯灭。这时两CPU都为RUN绿灯亮，REDF(冗余故障)和EXTF(外部故障)灯都灭，故障排除。   

    故障排除后，又强制了一输出点，然后将热备CPU1模式选择开关从

RUN—STOP—RUN位置依次扳动，RUN绿灯闪烁后灭，STOP黄灯一直亮，两CPU上的REDF(冗余故障)和EXTF(外部故障)红灯亮。将强制解除后重复以上动作，CPU1恢复运行状态，热备冗余正常。由此可知，如果S7-400H系统有输入／输出点被强制时，两个子控制系统控制器任意一个或同时状态为STOP，或是系统掉电，均会出现冗余故障，先启动的控制系统会运行正常，而后面的一个则无法启动到运行模式，此时系统不冗余，只有将强制解除后方可排除该故障，系统恢复冗余。   

3.2 挤压机控制系统   

    高压聚乙烯装置的挤压机控制系统同样是一套典型的$7-400H PLC。某El巡检时发现系统出现冗余故障，两CPU上的REDF和EXTF红灯亮，IFM2F(同步模块2故障)红灯亮，热备CPUl状态为STOP黄灯亮，CPUl中FM2(同步子模块)LINK OK灯灭，控制器上其它

状态指示灯和故障指示灯正常。判断为同步模块2故障造成冗余故障，引起外部故障灯亮。   

    如图1所示，S7-400H的每个中央处理器都有两个同步子模块，用于连接处理器。将CPUl的FM2和CPU0的FM2对调，结果CPU0的FM2LINK OK灯灭；再将CPU0的FM2和CPU0的FMl对调，4个LINK OK指示灯的状态没有变化，判断出现在CPU0的FMl和FM2是好的；之后将CPUl的FMl和FM2对调，结果CPU0的FMlLINK OK灯灭，至此判断出：现在CPU0的FMl卡是坏的。将其更换后，控制器中故障指示灯灭，4个LINK OK指示灯均为绿色亮，系统恢复正常。   

    从以上操作过程及相应结果可知，如果同步模块故障，同一组中，LINK OK灯亮的一个是坏的，相反LINK OK灯灭的一个是好的。   

3.3 S7-400H PLC与HMI的PC机通信   

    某聚丙烯装置挤压机的控制系统是一套S7-400H PLC，并有HMI(人机界面)座位操作站，其结构如图2所示。 

图2 PLC系统结构示意图 

运行过程中有一个操作站出现故障，经检查发现主机主板损坏。找来新PC机，将原两块西门子网卡装好后，再将原硬盘数据备份到新机中，启动Intellution ifix3．5，下位PLC数据没有传到PC机，PLC和PC机通信不通。打开Station Configure界面，看到CPl613和CPl613(1)两网卡，双击CPl613后打开西门子网卡编辑画面，双击properties，看到MAC address，修改此处地址为原MAC地址。如果MAC地址不能更改，则可按照   

以下步骤进行操作：   

a．将OPC server状态改为停用；  b．删除两块CPl613网卡；  

c．安装SIMATIC NET配置文件；  

d．逐个增加两块CPl613网卡，并将网卡的MAC地址更改为原地址(80-00-06-01-00-10，80—00-06-014)0-11)；  e．运行OPC servero   

4 结束语   

    通过对PLC系统维护工作中碰到的一些故障进行分析，提出了解决方案，并已经成功应用到石化行业的生产当中，为正在使用S7-400PLC企业的同行提供宝贵的经验。