西門子S7-400PLC的維護和故障診斷

劉文哲

（河鋼股份有限公司唐山分公司，河北 唐山 063000）

現階段，伴隨著高新技術及高新材料的誕生，為工業控制領域注入了全新的活力。如微處理技術、計算機控制技術、數字神經網絡技術等，而廣泛應用的莫屬PLC可編程控制器，其具備高字節數字化編程性，采用高性能存儲器制造技術與工業標準MCS-51指令集合輸出管腳兼容，彰顯強大的邏輯控制功能，進一步保障在工業控制領域的可靠性與穩定性。西門子公司出品的S7系列產品，在大中型模塊化PLC中占有重要市場份額。基于此，本文依據西門子S7-400展開詳細介紹，并探討故障診斷與維修。

1 概述PLC可編程控制器的發展現狀

PLC，即可編程控制邏輯器件，以微處理器為基礎進行工業控制，且借助微型計算機處理技術，擴展邏輯控制功能。PLC可編程控制器在工業自動化控制領域中應用十分廣泛。近年來，隨著全球化PLC技術及產品的發展趨勢，促進了PLC技術的日益完善，在性能上逐漸朝著高性能質量、快速傳輸、高穩定性等方面延伸。PLC技術及產品與傳統組網技術相比，已經在成本、傳輸質量等方面占據優勢。

另外，PLC系列產品在我國發展起步較晚，與西方國家相比還存在著一定的差距。目前，技術成熟的研發國家主要以德國和日本為主，特別是德國西門子公司開發的S7系列PLC產品占據中高端領域。例如西門子S7-400PLC產品具備強大的功能擴展模塊以及MPI多點接口功能，繼而在高端裝備制造控制領域中應用廣泛。但據實際使用情況來看，同樣存在常見故障問題。

2 分析西門子S7-400的結構特征及基本設計

2.1 西門子S7-400系列的結構分析

西門子S7-400PLC，具備中高檔處理性能和通信功能強大等優勢。其構成環節較為復雜，主要由機架部件、電源模塊、中央處理單元、通信處理器接口模塊、功能模塊以及信號模塊等部分構成。機架部件的功能用于各個模塊的固定。機架的總線連接板上裝備模塊插座和信號總線，可借助信號總線將不同模塊連接。同時，各模塊能夠在機架上獲取工作電壓，以保證各單元模塊的基本功能。若一個機架無法將所有的模塊連接在一起，可以借助兩個或者多個機架，只要保證各個機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系列應用特點分析

西門子S7系列產品是集成化、自動化控制系統研究階段的重要核心基礎。西門子S7-400系列可編程控制器更是如此，將集成化擴展功能和開放性編程性能集于一身，并在自動化系統控制中，將通訊技術、計算機技術以及神經網絡技術等多項技術聯合，繼而突出高運算速度、高執行效率、自動故障檢測、實時聯網通信、面向對象的功能集成等多個方面的特點。與此同時，S7-400系列可實現故障安全容錯與冗余技術，在大中型模塊自動化PLC控制領域中獲得一致好評。在實際自動化控制應用領域，西門子控制網絡的應用十分廣泛。通常來講，典型工廠自動化系統由三部分網絡結構構成：一是現場設備層；二是車間監控層；三是工廠管理層?；揪W絡系統流程為：在工廠管理層應用中，車間操作員工作站與車間辦公管理網絡借助集線器進行連接，可以將車間的實時生產數據傳輸到車間管理層。而車間管理層作為自動化控制工廠主體網絡中的一個子網，借助交換機以及路由器設備等數據傳輸裝置，把車間數據集成化傳輸到工廠管理層。在通信網絡的選取方面，工廠管理層采用以太網TCP/IP通信，CPU集成MPI通信接口以及點對點通信單元。另外，AS-I現場總線實現CPU與輸入輸出單元之間的過程映像數據交換。

2.3 西門子S7-400基本設計分析

西門子S7-400PLC自動化控制，以模塊化微處理器設計為主，具備強大的功能擴展模塊，并按照用戶的基本需求進行靈活設計。S7-400的設計方式為冗余設計手段，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冗余配置設計方式，可保證每個子系統的訪問。冗余設計方式基本原理為：采用熱備用模式，以保證主單元的正常運行。該模式的設計優勢為：若某單元發生故障，另外的子單元不受影響繼續完成自動化控制過程。

3 闡述西門子S7-400故障診斷及維護處理方式

3.1 以LED狀態指示分析故障診斷及處理

在西門子S7-400故障診斷時，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狀態指示燈顯示紅亮，則說明為CPU系統出現故障。故障原因既可能是人為編程導致參數錯誤問題，也可能是CPU硬件出現故障。鑒于此，首先可對硬件組態模塊結構的完整性進行檢查，與實際硬件組態作對比，判斷是否是硬件問題；其次，再對CPU配置信息進行檢測分析是否出現錯誤。若以上結果判斷檢查均正常，可以考慮更換CPU組件，進一步判斷是否為CPU故障。

二是，在SF狀態指示燈顯示紅亮的前提下，BUS1F和BUS2F指示燈呈現紅亮或閃爍狀態，則說明通信接口出現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，應檢查通訊MPI接口地址與IP地址是否存在設置錯誤問題；其次，判斷是否為硬件故障，應對MPI接口作出檢查，判斷是否存在松動或者故障問題；最后，對通訊電纜接頭內的接線處進行檢查，判斷是否有損壞?？傊凑粘霈F的問題可采取針對性處理維護方式[2]。

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

3.2 以軟件分析故障診斷及處理

因為西門子S7-400系列產品具備較強的自動故障診斷功能，通過設置區可以對存在的硬件故障和編程錯誤等信息進行匯總，其匯總結果一般保存在CPU的診斷緩存區內。在利用軟件診斷故障時，可以將該模塊功能予以調出。既可通過軟件編程或者查看診斷區故障信息，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，首先，將西門子管理器項目中的硬件管理打開；其次，選中診斷模塊，執行菜單命令到模塊信息按鈕，可找到診斷緩沖區。該模塊能夠集中CPU發生的所有事件，若單獨單擊某一事件，在彈出的對話框下面灰色區域能夠顯示所選事件的具體信息?；诖?，借助診斷緩沖器可對CPU自動診斷事件，如模塊故障、過程寫故障、系統故障、運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，在應用顯示硬件診斷信息時，首先，將西門子管理器項目中的硬件管理打開；其次，執行菜單命令診斷設置，找到硬件診斷功能，并打開對話框打開在線站點，既可通過診斷視窗顯示整個站點的組態。在線站點的組態涉及機架組態以及各模塊組態的診斷符號，該診斷符號能夠較為直接表示模塊的運行故障；最后，按照當前組態與實際組態之間作對比來判斷故障問題。

3.3 以冗余設計分析故障診斷及處理

目前，西門子S7-400冗余設計故障一般體現在冗余數字輸入模塊的差異上。若出現差異，此時CPU對于故障的識別為鈍化狀態，其余非鈍化狀態的模塊值均有效。總之，為避免冗余故障數字輸入模塊的差異，可以借助輸入輸出類型互聯和故障本地化的方式予以解決。

4 總結

綜上所述，西門子S7-400PLC在自動化控制領域具有格外顯著的優勢，本文詳細分析了S7-400系列的應用特點、設計方式、維護與故障判斷。當S7-400出現故障時，可以通過多種測試方式來診斷故障問題，并將故障維護信息詳細記錄在案，確保S7-400系列PLC的正常使用。希望通過本文對西門子S7-400系列PLC的維護與故障診斷分析，可為同領域的研究學者提供借鑒價值。