西門子S7-400PLC 控制系統故障分析及維護

李顯通

（陜西省寶雞鈦業股份有限公司鍛造廠，陜西寶雞 721014）

0 引言

工業現場中，德國西門子S7-400PLC 的應用極大的提高工業生產過程控制的穩定可靠性，他的優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，可編程及系統運行可視化大大提高。在工業控制中，S7-400PLC 系統的結構及生產工藝的水平，決定他發生故障的情況非常少。但是由于工業現場有許多不確定因素，如現場塵埃、振動及設計安裝不合理等，對S7-400PLC 控制器本身和組成系統的其他設備、輸入/輸出信號和程序等，都可能會產生影響，有可能損壞系統PLC 硬件，最終導致設備長期停產。寶雞鈦業股份有限公司2500 t 鍛壓機組是應用S7-400PLC 為核心的一套鍛壓設備，為減少應用S7-400PLC 的控制系統在現場的故障率，需要了解工業現場系統的通訊網絡結構分布、預測設備上與PLC 聯系緊密的電氣元件的故障容易發生的地方，同時對容易發生故障的地方提前做好預防性檢修。

1 系統故障的概念

系統故障指整個設備因為各種因素導致系統控制失效、精度降低等而導致設備停產的各種原因總和。可分為PLC元件或程序故障和現場設備監控、執行元件故障兩部分。PLC 系統包括CPU 電源、中央處理器、I/O 模塊及相關的通信網絡等設備。設備現場元件包括繼電器、接觸器、傳感器、儀表、機械閥等。

2 2500 t 鍛壓機的設備故障統計及原因分析處理

2.1 2500 t 鍛壓機組控制系統

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，實現隨地訪問CPU 的功能。其中S7-400 PLC1 實現鍛造壓力機各個高壓泵、控制泵、控制閥、各輔助設備等動作的控制。S7-400 PLC2 實現鍛造壓機動作的控制。

圖1 系統配置框圖

2.2 系統故障數據統計

系統運行近10 a 來鍛壓機故障統計見表1。

表1 鍛壓機故障統計 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%，設備元器件故障比例約為88.9%。與設備現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，穩定性較好。

2.3 系統故障分析及處理

2.3.1 西門子S7-400 PLC 主機系統

西門子S7-400 PLC 一般情況下系統電源、CPU、通訊網絡系統、程序運行都比較可靠。但是在工業現場，受惡劣環境和維護技術人員水平的影響，偶爾會出現一些問題。①現場設備電源由于需要長時間工作，其散熱，偶爾的電壓、電流的不穩定都有可能造成電源損壞而導致設備故障。2500 t 鍛壓機工作過程中出現電源模板POS 405 10 A 燒損的故障，經檢查后發現模板輸入電壓220 V 由于供電系統前端故障使電壓異常升高到250 V 左右運行，導致模板燒損。處理供電系統故障后，一直運行穩定；②通信模塊及系統總線網絡受外部干擾和外部環境也能造成通信故障。該系統PLC 的CPU 曾頻繁出現BUS1F 亮紅燈故障，系統停止運行。現場技術人員通過查找發現分站模塊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此故障。

系統總線的故障產生的原因有多個方面。①PLC 為模塊式結構，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。系統曾頻繁出現1 個模擬輸入模塊上的數值顯示最大值故障，經檢查發現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，系統故障消除。西門子S7-400 PLC 系統在設備設計和日常檢修維護的時候要排除現場環境的影響。同時在系統安裝過程中要提高安裝質量，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PLC 的I/O 端口

西門子S7-400PLC 的I/O 模塊分為數字量I/O 模塊和模擬量I/O 模塊。I/O 模塊是體現PLC 性能的關鍵部件，更容易受外部干擾而損壞。①外部設備故障容易引起I/O 模塊損壞，2500 t鍛壓機在使用過程中出現數字量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。檢查發現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。更換閥控板和該數字輸入模塊后系統運行正常；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 現場控制設備

（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備中是易損件，一方面與元器件的本身生產品質有關，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生氧化反應，然后發熱變形導致觸頭損壞。在該設備系統運行中，繼電器需要頻繁動作，備件上應盡量嚴格按照現場工作電壓、電流來選擇接觸器、繼電器的工作電壓、電流，選用質量較好的生產廠家的產品。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，大大減少設備的故障停機時間。

（2）第二類故障主要發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。由于該設備在運行過程中振動大，而且現場粉塵較大，極容易導致限位保護裝置上電氣元件的接觸點出現變形和氧化，同時現場油污、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，定期檢查開關是否松動、變形，定期清理上面的灰塵。由于現場保護開關多，在設計的過程中將開關的狀態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控制的執行元件，其電氣故障主要發生在其閥控板上。由于該系統使用的比例閥和伺服閥閥控板都在現場閥體上所帶，其現場油污、灰塵、振動都可能會對其電子設備產生影響，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，在系統設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。由于設備在運行中控制系統要時時采集系統的各項運行參數，電子測量儀器損壞后中一般反映在測量的數據和實際不一致。為了減少這類故障的發生，一方面在設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。在電纜敷設時，動力電纜和信號電纜分開敷設，有大型變頻器的地方，變頻器電纜更應做好屏蔽，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場的品牌。

3 結束語

通過對10 a 來設備故障發生的規律進行統計和分析，發現對系統運行過程中出現的故障的預防及處理主要是需要提高技術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定停止PLC 電源，并斷開CPU 的I/O 模塊接線后再維修外部設備。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。