可編程控制器(Programmable Logic Controller)，簡稱PLC，它的應(yīng)用面廣、功能強大、使用方便，已經(jīng)成為當(dāng)代工業(yè)自動化的主要支柱之一，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛的使用，西門子公司的PLC產(chǎn)品有SIMATIC S7、M7和C7等幾大系列，S7系列是傳統(tǒng)意義的PLC產(chǎn)品，其中S7-400是用于中高級性能要求的大型PLC，可以擴(kuò)展300多個模塊。S7-300／400可以組成MPI(多點接口)，PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)以太網(wǎng)。

1 S7-400的基本結(jié)構(gòu)與特點

　　1.1 基本結(jié)構(gòu)

　　S7-400采用大模塊結(jié)構(gòu)，由機(jī)架、電源模塊(PS)、中央處理單元(CPU)、數(shù)字量輸入／輸出(DI／DO)模塊、模擬量輸入／輸出(AI／AO)模塊、通信處理器(CP)、功能模塊(FM)和接口模塊(IM)組成。DI／DO模塊和AI／AO模塊統(tǒng)稱為信號模塊(SM)。機(jī)架用來固定模塊、提供模塊工作電壓，并通過信號總線將不同模塊連接在一起。S7-400提供了多種級別的CPU模塊和種類齊全的通用功能模塊。$7-400采用模塊化無風(fēng)扇設(shè)計，性能范圍寬廣的不同模塊可以靈活組合，擴(kuò)展方便。

　　1.2 特點

　　S7-400的特點有：

　　a．運行速度高，存儲器容量大；

　　b．I／O擴(kuò)展功能強，可以擴(kuò)展21個機(jī)架；

　　c．極強的通信能力，容易實現(xiàn)分布式結(jié)構(gòu)和冗余控制系統(tǒng)，集成的MPI能建立最多32個站的簡單網(wǎng)絡(luò)，大多數(shù)CPU集成由PROFIBUSDP主站接口，可以用來建立高速的分布式系統(tǒng)；

　　d．能通過鑰匙開關(guān)盒口令實現(xiàn)安全保護(hù)；

　　e．診斷功能強，最新的故障和中斷時間保存

　　在FIFO(先入先出)緩沖區(qū)。

2 S7-400的配置和工作原理　　2.1 S7-400的配置

　　S7-400按冗余方式設(shè)計，主要器件都是雙重的，可以在發(fā)生故障時繼續(xù)使用備用的元器件。S7-400由兩個子系統(tǒng)組成，每個系統(tǒng)有一塊有容錯功能的CPU414-4H，一塊PS407電源模塊。同步子模塊用于連接兩個中央處理器，放置在中央處理器內(nèi)部，并由光纜互連。每個中央處理器上有S7I／O模塊，中央控制器也可以有擴(kuò)展機(jī)架或ET200M分布式I／O。

　　中央功能總是冗余配置的，I／O模塊可以是常規(guī)配置、切換型配置或冗余配置，具體說明如下：

　　a．常規(guī)單通道單路配置。兩個子系統(tǒng)只有一個有一套I／O模塊(單通道)，它可以在一個中央控制器中，或者是分布式的I／O站。I／O模塊只能被該子系統(tǒng)訪問，讀出的I／O信息同時提供給兩個中央控制器。如果出現(xiàn)故障，屬于故障控制器的I／O模塊退出運行。

　　b．單通道切換式配置。單通道切換式配置的I／O模塊雖然是單通道設(shè)計，但是兩個中央控制器都可以通過冗余的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)訪問I／O模塊。切換式I／O模塊只能在ET-200M遠(yuǎn)程I／O站中。

　　c．雙通道I／O模塊容錯冗余配置。系統(tǒng)中有兩套相同的容錯冗余配置的I／O模塊，每一個子系統(tǒng)都可以訪問這兩套I／O模塊。

　　2.2 S7-400H冗余控制PLC的工作原理

　　S7-400H采用熱備用模式的自動冗余原理，在發(fā)生故障時無擾動的自動切換。無故障時子單元處于運行狀態(tài)，如果發(fā)生故障，正常工作的子單元能獨立完成整個過程的控制。為了保證無擾動切換，必須實現(xiàn)中央控制器鏈路中間的快速、可靠的數(shù)據(jù)交換。兩個控制器必須使用相同的用戶程序，自動的接受相同的數(shù)據(jù)塊，過程映像和相同的內(nèi)部數(shù)據(jù)，例如定時器、計數(shù)器及存儲器等。

　　這樣可以確保兩個中央控制器同步的更新內(nèi)容，在任意一個系統(tǒng)有故障時，另一個可以承擔(dān)全部控制任務(wù)。

　　S7-400H采用事件驅(qū)動同步，在兩個子單元的內(nèi)部狀態(tài)不同時，例如在直接I／O訪問、中斷、報警和修改實時時鐘，就會進(jìn)行同步操作。通過通信功能修改數(shù)據(jù)，由操作系統(tǒng)自動執(zhí)行同步功能，不需要用戶編程。

　　S7-400H對中央控制器之間的鏈接、CPU模塊、處理器、ASIC和存儲器進(jìn)行自檢。在啟動后每個子單元完成執(zhí)行所有的測試功能。每個周期只執(zhí)行部分自檢功能，以減輕CPU的負(fù)擔(dān)。

3 S7-400H冗余故障分析及相應(yīng)處理

　　3.1 丙烯循環(huán)氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)聚丙烯裝置丙烯循環(huán)氣壓縮機(jī)(PK301)的控制系統(tǒng)是一套典型的S7-400H PLC，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　由于該PLC系統(tǒng)的一個穩(wěn)壓電源(220V AC.24V DC)故障，在PK301停車檢修時對故障電源進(jìn)行更換。可在穩(wěn)壓電源更換好之后，PLC系統(tǒng)再上電，發(fā)現(xiàn)后啟動的CPUl狀態(tài)為STOP，且兩CPU上的REDF(冗余故障)和EXTF(外部故障)紅燈亮，控制器上其它狀態(tài)指示燈和故障指示燈正常。判斷系統(tǒng)出項冗余故障造成外部故障。

　　將兩個控制器的模式選擇開關(guān)都扳到STOP位置，然后將先前沒有起來的CPUl模式選擇開關(guān)扳到RUN位置，等RUN綠燈亮，STOP黃燈滅后，再將CPU0模式選擇開關(guān)扳到RUN位置，RUN綠燈閃爍后滅，STOP黃燈一直亮，故障無法排除。系統(tǒng)下電前有一輸入變量被強制，現(xiàn)在FRCE(強制)黃燈亮，將該輸入點的強制取消(兩CPU)，F(xiàn)RCE黃燈滅后，再次將狀態(tài)為STOP的CPU0模式選擇開關(guān)從RUN_STOP—RUN位置依次扳動，CPU0 RUN綠燈亮，STOP黃燈滅。這時兩CPU都為RUN綠燈亮，REDF(冗余故障)和EXTF(外部故障)燈都滅，故障排除。

　　故障排除后，又強制了一輸出點，然后將熱備CPU1模式選擇開關(guān)從RUNSTOPRUN位置依次扳動，RUN綠燈閃爍后滅，STOP黃燈一直亮，兩CPU上的REDF(冗余故障)和EXTF(外部故障)紅燈亮。將強制解除后重復(fù)以上動作，CPU1恢復(fù)運行狀態(tài)，熱備冗余正常。由此可知，如果S7-400H系統(tǒng)有輸入／輸出點被強制時，兩個子控制系統(tǒng)控制器任意一個或同時狀態(tài)為STOP，或是系統(tǒng)掉電，均會出現(xiàn)冗余故障，先啟動的控制系統(tǒng)會運行正常，而后面的一個則無法啟動到運行模式，此時系統(tǒng)不冗余，只有將強制解除后方可排除該故障，系統(tǒng)恢復(fù)冗余。

　　3.2 擠壓機(jī)控制系統(tǒng)

　　高壓聚乙烯裝置的擠壓機(jī)控制系統(tǒng)同樣是一套典型的$7-400H PLC。某El巡檢時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)冗余故障，兩CPU上的REDF和EXTF紅燈亮，IFM2F(同步模塊2故障)紅燈亮，熱備CPUl狀態(tài)為STOP黃燈亮，CPUl中FM2(同步子模塊)LINK OK燈滅，控制器上其它狀態(tài)指示燈和故障指示燈正常。判斷為同步模塊2故障造成冗余故障，引起外部故障燈亮。

S7-400H的每個中央處理器都有兩個同步子模塊，用于連接處理器。將CPUl的FM2和CPU0的FM2對調(diào)，結(jié)果CPU0的FM2LINK OK燈滅；再將CPU0的FM2和CPU0的FMl對調(diào)，4個LINK OK指示燈的狀態(tài)沒有變化，判斷出現(xiàn)在CPU0的FMl和FM2是好的；之后將CPUl的FMl和FM2對調(diào)，結(jié)果CPU0的FMlLINK OK燈滅，至此判斷出：現(xiàn)在CPU0的FMl卡是壞的。將其更換后，控制器中故障指示燈滅，4個LINK OK指示燈均為綠色亮，系統(tǒng)恢復(fù)正常。

　　從以上操作過程及相應(yīng)結(jié)果可知，如果同步模塊故障，同一組中，LINK OK燈亮的一個是壞的，相反LINK OK燈滅的一個是好的。

　　3.3 S7-400H PLC與HMI的PC機(jī)通信

　　某聚丙烯裝置擠壓機(jī)的控制系統(tǒng)是一套S7-400H PLC，并有HMI(人機(jī)界面)座位操作站.

　　運行過程中有一個操作站出現(xiàn)故障，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)主機(jī)主板損壞。找來新PC機(jī)，將原兩塊西門子網(wǎng)卡裝好后，再將原硬盤數(shù)據(jù)備份到新機(jī)中，啟動Intellution ifix3．5，下位PLC數(shù)據(jù)沒有傳到PC機(jī)，PLC和PC機(jī)通信不通。打開Station Configure界面，看到CPl613和CPl613(1)兩網(wǎng)卡，雙擊CPl613后打開西門子網(wǎng)卡編輯畫面，雙擊properties，看到MAC address，修改此處地址為原MAC地址。如果MAC地址不能更改，則可按照

　　以下步驟進(jìn)行操作：

　　a．將OPC server狀態(tài)改為停用；

　　b．刪除兩塊CPl613網(wǎng)卡；

　　c．安裝SIMATIC NET配置文件；

　　d．逐個增加兩塊CPl613網(wǎng)卡，并將網(wǎng)卡的MAC地址更改為原地址(80-00-06-01-00-10，80—00-06-014)0-11)；

　　e．運行OPC servero

4 結(jié)束語

　　通過對PLC系統(tǒng)維護(hù)工作中碰到的一些故障進(jìn)行分析，提出了解決方案，并已經(jīng)成功應(yīng)用到石化行業(yè)的生產(chǎn)當(dāng)中，為正在使用S7-400PLC企業(yè)的同行提供寶貴的經(jīng)驗。