西门子S7-400PLC控制系统故障分析及维护

李显通

（陕西省宝鸡钛业股份有限公司锻造厂，陕西宝鸡 721014）

0 引言

工业现场中，德国西门子S7-400PLC 的应用极大的提高工业生产过程控制的稳定可靠性，他的优点在于有较强的可靠性和强抗干扰能力，同时他的控制功能强大，可编程及系统运行可视化大大提高。在工业控制中，S7-400PLC 系统的结构及生产工艺的水平，决定他发生故障的情况非常少。但是由于工业现场有许多不确定因素，如现场尘埃、振动及设计安装不合理等，对S7-400PLC 控制器本身和组成系统的其他设备、输入/输出信号和程序等，都可能会产生影响，有可能损坏系统PLC 硬件，最终导致设备长期停产。宝鸡钛业股份有限公司2500 t 锻压机组是应用S7-400PLC 为核心的一套锻压设备，为减少应用S7-400PLC 的控制系统在现场的故障率，需要了解工业现场系统的通讯网络结构分布、预测设备上与PLC 联系紧密的电气元件的故障容易发生的地方，同时对容易发生故障的地方提前做好预防性检修。

1 系统故障的概念

系统故障指整个设备因为各种因素导致系统控制失效、精度降低等而导致设备停产的各种原因总和。可分为PLC元件或程序故障和现场设备监控、执行元件故障两部分。PLC 系统包括CPU 电源、中央处理器、I/O 模块及相关的通信网络等设备。设备现场元件包括继电器、接触器、传感器、仪表、机械阀等。

2 2500 t 锻压机的设备故障统计及原因分析处理

2.1 2500 t 锻压机组控制系统

2500 t 锻压机组采用德国西门子400 系列PLC 为核心组成（图1）。采用2 个S7-400 PLC，2 个S7-400 的CPU 416-2 都配备有MPI 口和PROFIBUS-DP 通信口，2 台锻造操作机分别采用S7-300 PLC，S7-300 的CPU 318 也配备有MPI 口和PROFIBUS-DP 通信口，4 个CPU 的MPI 和PROFIBUS-DP 通信口电缆相互连接，实现随地访问CPU 的功能。其中S7-400 PLC1 实现锻造压力机各个高压泵、控制泵、控制阀、各辅助设备等动作的控制。S7-400 PLC2 实现锻造压机动作的控制。

图1 系统配置框图

2.2 系统故障数据统计

系统运行近10 a 来锻压机故障统计见表1。

表1 锻压机故障统计 次

10 a 来，锻压机故障共计45 次，其中PLC 的自身故障比例约为11.1%，设备元器件故障比例约为88.9%。与设备现场所使用其他品牌的PLC 自身故障做比较，西门子S7-400PLC 自身的故障率不高，稳定性较好。

2.3 系统故障分析及处理

2.3.1 西门子S7-400 PLC 主机系统

西门子S7-400 PLC 一般情况下系统电源、CPU、通讯网络系统、程序运行都比较可靠。但是在工业现场，受恶劣环境和维护技术人员水平的影响，偶尔会出现一些问题。①现场设备电源由于需要长时间工作，其散热，偶尔的电压、电流的不稳定都有可能造成电源损坏而导致设备故障。2500 t 锻压机工作过程中出现电源模板POS 405 10 A 烧损的故障，经检查后发现模板输入电压220 V 由于供电系统前端故障使电压异常升高到250 V 左右运行，导致模板烧损。处理供电系统故障后，一直运行稳定；②通信模块及系统总线网络受外部干扰和外部环境也能造成通信故障。该系统PLC 的CPU 曾频繁出现BUS1F 亮红灯故障，系统停止运行。现场技术人员通过查找发现分站模块ET200M 通信线插头处屏蔽线偶尔搭接通信线缆导致，处理插头后再未出现此故障。

系统总线的故障产生的原因有多个方面。①PLC 为模块式结构，模块插拔有可能会导致局部接连接器、线路板等处损坏；②在大气中温度和湿度的影响下，有可能造成模块上的电路的损坏、插件的接头处氧化等。系统曾频繁出现1 个模拟输入模块上的数值显示最大值故障，经检查发现输入模块后连接器有1个点由于氧化原因接触不良，更换后连接器后，系统故障消除。西门子S7-400 PLC 系统在设备设计和日常检修维护的时候要排除现场环境的影响。同时在系统安装过程中要提高安装质量，接线要牢靠，动力电源和通信电源要尽量分开布置。

2.3.2 系统PLC 的I/O 端口

西门子S7-400PLC 的I/O 模块分为数字量I/O 模块和模拟量I/O 模块。I/O 模块是体现PLC 性能的关键部件，更容易受外部干扰而损坏。①外部设备故障容易引起I/O 模块损坏，2500 t锻压机在使用过程中出现数字量I/O 模块1 个输入点常量，但是其外部没有给他24 V 信号，经程序检查该点也没有输入信号，判断是模块输入点损坏。检查发现其外部连接阀的阀控板损坏，给模块反馈的24 V 信号功率变大，导致该输入点损坏。更换阀控板和该数字输入模块后系统运行正常；②维修人员的不正当维修可能导致I/O 模块损坏，一次该系统有1 传感器插头线损坏，维护人员在没有停止CPU 电源的情况下带电焊接插头电线后1 模拟量输出模块报警损坏。分析原因是由于电烙铁漏电导致该模块损坏。综上所述，要降低西门子S7-400PLC 的I/O模块故障率就要减少外部各种干扰对其影响，电路上要增加继电器进行隔离。

2.3.3 现场控制设备

（1）第一类故障最多的点在继电器、接触器。继电器和接触器在设备中是易损件，一方面与元器件的本身生产品质有关，同时接触器、继电器在长时间动作过程中其触头处由于电弧作用会产生氧化反应，然后发热变形导致触头损坏。在该设备系统运行中，继电器需要频繁动作，备件上应尽量严格按照现场工作电压、电流来选择接触器、继电器的工作电压、电流，选用质量较好的生产厂家的产品。电气柜要防尘、防止异物进去。满足这些条件，可以大大降低继电器和接触器损坏次数，大大减少设备的故障停机时间。

（2）第二类故障主要发生在限位保护装置上。在该锻压机上限位保护装置一般多安装在油泵进出油口、压机框架上下限等位置。由于该设备在运行过程中振动大，而且现场粉尘较大，极容易导致限位保护装置上电气元件的接触点出现变形和氧化，同时现场油污、粉尘大造成电器元件上的接触点污损，导致限位保护失效。电气维护检修人员就要在日常定期维护中，定期检查开关是否松动、变形，定期清理上面的灰尘。由于现场保护开关多，在设计的过程中将开关的状态能在电脑屏幕上可视化显示，能极大的减少维护人员查找故障的工作量。

（3）第三类故障点为比例阀、伺服阀。比例阀和伺服阀是系统控制的执行元件，其电气故障主要发生在其阀控板上。由于该系统使用的比例阀和伺服阀阀控板都在现场阀体上所带，其现场油污、灰尘、振动都可能会对其电子设备产生影响，导致阀控板损坏。在日常维护过程中，一方面要定期清理其上面油污和灰尘，紧故阀控板固定座和插头。另一方面，在系统设计上将阀的给定和反馈开口度在电脑屏幕上实时显示，对判断系统故障能起到很大帮助。

（4）第四类故障点电子测量仪器包括传感器、仪表等。由于设备在运行中控制系统要时时采集系统的各项运行参数，电子测量仪器损坏后中一般反映在测量的数据和实际不一致。为了减少这类故障的发生，一方面在设备安装时要采用屏蔽电缆作为传感器和仪表的信号电缆，屏蔽电缆要一端做好接地。在电缆敷设时，动力电缆和信号电缆分开敷设，有大型变频器的地方，变频器电缆更应做好屏蔽，防止信号干扰。另一方面，在选用传感器和仪表时尽量选择可靠性比较高且适用于大振动现场的品牌。

3 结束语

通过对10 a 来设备故障发生的规律进行统计和分析，发现对系统运行过程中出现的故障的预防及处理主要是需要提高技术人员和维护人员的水平，定期检查模块是否有松动，电源接线是否牢靠，定期除尘。同时在处理外部故障时，维修人员首先要按照规定停止PLC 电源，并断开CPU 的I/O 模块接线后再维修外部设备。在日常巡检中，对传感器、仪表的电缆、固定牢固程度进行检查处理，可降低故障率。