可編程控制器(Programmable Logic Controller)，簡稱PLC，它的應用面廣、功能強大、使用方便，已經(jīng)成為當代工業(yè)自動化的主要支柱之一，在工業(yè)生產(chǎn)領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，可以擴展300多個模塊。S7-300／400可以組成MPI(多點接口)，PROFIBUS網(wǎng)絡和工業(yè)以太網(wǎng)。
1 S7-400的基本結構與特點
1.1 基本結構
S7-400采用大模塊結構，由機架、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采用模塊化無風扇設計，性能范圍寬廣的不同模塊可以靈活組合，擴展方便。
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擴展功能強，可以擴展21個機架；
c．極強的通信能力，容易實現(xiàn)分布式結構和冗余控制系統(tǒng)，集成的MPI能建立最多32個站的簡單網(wǎng)絡，大多數(shù)CPU集成由PROFIBUS—DP主站接口，可以用來建立高速的分布式系統(tǒng)；
d．能通過鑰匙開關盒口令實現(xiàn)安全保護；
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展機架或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計，但是兩個中央控制器都可以通過冗余的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡訪問I／O模塊。切換式I／O模塊只能在ET-200M遠程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，另一個可以承擔全部控制任務。
S7-400H采用“事件驅動同步“，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的負擔。
3 S7-400H冗余故障分析及相應處理
3.1 丙烯循環(huán)氣壓縮機控制系統(tǒng)
聚丙烯裝置丙烯循環(huán)氣壓縮機(PK301)的控制系統(tǒng)是一套典型的S7-400H PLC，其結構如圖1所示。
圖1 冗余控制系統(tǒng)
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都扳到STOP位置，然后將先前沒有起來的CPUl模式選擇開關扳到RUN位置，等RUN綠燈亮，STOP黃燈滅后，再將CPU0模式選擇開關扳到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模式選擇開關從RUN—STOP—RUN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。將強制解除后重復以上動作，CPU1恢復運行狀態(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)恢復冗余。
3.2 擠壓機控制系統(tǒng)
高壓聚乙烯裝置的擠壓機控制系統(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。
如圖1所示，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)恢復正常。
從以上操作過程及相應結果可知，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機通信
某聚丙烯裝置擠壓機的控制系統(tǒng)是一套S7-400H PLC，并有HMI(人機界面)座位操作站，其結構如圖2所示。
圖2 PLC系統(tǒng)結構示意圖
運行過程中有一個操作站出現(xiàn)故障，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)主機主板損壞。找來新PC機，將原兩塊西門子網(wǎng)卡裝好后，再將原硬盤數(shù)據(jù)備份到新機中，啟動Intellution ifix3．5，下位PLC數(shù)據(jù)沒有傳到PC機，PLC和PC機通信不通。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 結束語
通過對PLC系統(tǒng)維護工作中碰到的一些故障進行分析，提出了解決方案，并已經(jīng)成功應用到石化行業(yè)的生產(chǎn)當中，為正在使用S7-400PLC企業(yè)的同行提供寶貴的經(jīng)驗。
