西门子PLC 系统在轧钢线常见故障处理的应用

刘廷敏

（成都农业科技职业学院，四川成都 611130）

0 引言

某轧钢厂电气自动化系统采用西门子SIMATIC S7-300/400 系列PLC 控制。该系列PLC 继承西门子上一代PLC SIMATIC S5 系列稳定、可靠和故障率低的精髓，将先进控制思想、现代通信技术和IT 技术的最新发展集于一身。不断创新的PLC 编程组态工具STEP7 采用SIMATIC 软件的集成统一架构，为实现PLC 编程组态的易用性和友好性以及与上位机组态系统的集成统一性提供了一个功能强大、风格一贯的软件平台。此外，SIMATIC S7-300/400PLC 集成的强大通信功能，是其得以成功的另一个重要方面。凭借集成统一的通信，SIMATIC S7-300/400PLC 在实现车间级、工厂级、企业级乃至全球企业链的生产控制与协同管理中起到中坚作用[1]。西门子SIMATIC S7-300/400 系列PLC，广泛用于轧钢生产线。

1 轧钢生产线控制系统构成

某轧钢厂轧线PLC 核心系统由西门子S7-400PLC 构成，下设粗轧S7-400PLC 和中、精轧S7-400PLC 两大部分。两套400PLC 系统自成一体，同时又通过工业以太网交换数据，构成轧线网络体系。工业以太网由工业交换机通过光纤网组成，连接主PLC 和3 台上位机（工程师站1 台，主控室2 台），实现对整个线材生产线的数据设定与过程监控功能，如图1 所示。

图1 主控室两台电脑通过以太网连接

轧线基础网络采用SIEMENS PROFIBUS_DP 网，连接主PLC 和20 台6RA70、5 台变频器以及轧钢线上各操作台的WAGO 站和各配电柜的ET200M 站。另外，1 号飞剪S7-300PLC系统自成体系，同时又通过MPI 网和中、精轧S7-400PLC 交换数据。

20架连轧机通过20 台直流主电机单动拖动，主电机传动系统以西门子6RA70 为核心，功率输出采用组装的大功率晶闸管，二者通过可靠的嫁接技术共同组成电机调速装置。每套轧机包含进线、功率柜和调节柜共3 部分；调节柜内的S7-200 通过USS 协议与6RA70 通信，将单机逻辑信号传输给6RA70，通过6RA70 上DP 网。完成电机逻辑联锁控制。

上位机为WINCC 人机接口界面，为使不在轧钢现场的人员观看到轧制过程，显示轧制仿真图，实时仿真开/停机、过钢、起/落套等过程；以及单机给定、实际线速度、实际转速、电枢电流等主要参数的显示；以及轧制表管理和故障报警信息的显示[2]。

2 典型案例分析

2.1 通信类故障

故障现象：某日轧钢厂半连轧技改刚投入生产试运行，中精轧轧机多次出现全线自动停机现象。查看6RA70 直流调速装置、400PLC 诊断缓冲中均无任何故障显示。各稀油站、液压站正常无故障报出。再次重启轧机能够正常运行。

故障原因分析：由于能够长时间正常生产，故障只是间断性产生，而且发生故障后，所有报警系统无记录。说明该故障点是通过正常程序控制停机的间歇性故障。根据该故障特点，只有线路接触不良，时有时无，似断非断的状态符合上述特征。

首先排除网络通信速率设置过高可能导致的网速不稳定，点击程序中的hardware，打开硬件组态界面，双击PROFIBUS DP master system，打开DP 网线的属性设置菜单，选择General（常规）选项中的Properties 选项，再点击Network settings（网络设置），在Transmission Rate（传输速率）一项中查看为187.5 kbps，速度设置较为合理。

分析轧机控制程序原理，能够控制轧机正常全线停机的回路只有中轧台、精轧台急停按钮，但是轧机是全线停机，不可能两个操作台按钮每次同时出现故障。所以按钮线松的可能性基本可以排除。由于公司各操作台是DP 网控制，每个操作台属于一个远程工作站，操作台和400PLC 之间的数据交换全靠一根DP 网线完成，如果网线接触不良，同样可以引起意想不到的故障。所以问题的关键集中在了排查各远程工作站的网线上[3]。

诊断方法及步骤：通过对整体工业网络DP 网线的排查，查出在冷剪操作台（中、精轧网络的9 号站）的网线接头处972 端子（总线连接器：6ES7972-OBA41-OXAO）有明显的烧伤，内部一蓝、一白两根信号传输线有明显的黑色碳化痕迹。可以诊断该处为故障发生点。更换972 端子后，故障排除。

诊断结论与综合分析：根据现场勘查，冷剪台附近常有接电焊机现象，推断为电焊机接线不规范导致有部分大电流窜入网线，烧毁冷剪台网线972 端子，从而导致信号线严重碳化，网络信号传输不稳定。正常程序停机回路本应是低电平的时候，瞬间传入了高电平错误信号，发出了让轧机停机的错误信号导致全线停机[4]。

维修方案：各远程工作站网络接头972 端子接线应正确、牢固，有损伤应及时更换，严禁对付使用；各工作站附近严禁使用电焊机等电动工具，防止干扰及电流窜入。

2.2 元器件故障

故障现象：某日精轧台全线停机，查看400PLC 硬件组态画面，精轧台通信中断，查看PLC 诊断缓存中故障信息，全部报I/O访问错误。检查精轧台万可工作站，发现DP 适配器BF 灯、DIA诊断灯、I/O 模块指示灯均报红。

故障原因分析：按照以往维护经验，万可模块相比西门子模块故障率较高，尤其是DP 适配器容易出故障。所以首先更换DP 适配器，更换后故障依旧。怀疑其他模块损坏。由于精轧台包括DP 适配器、输入、输出、电源、终端模块在内一共34 块模块，故只有采取排除法依次更换[5]。

诊断方法及步骤：为节省判断时间，将精轧台所有模块分为两大部分，输入为一部分在前面，后面为输出模块。将终端模块放在中间，即输入模块后面，输出模块暂时不接入。同时在程序硬件组态中删除后面的输出模块后，网络恢复正常。可以判断前半部分模块均完好，只需对后面的电源模块、输出模块进行判断即可。将后面的输出模块和电源模块逐块依次加入，出现DP 适配器I/O 指示灯报红后就更换相应的模块。在更换掉一块电源模块和一块输出模块并紧固相应的线路后，网络恢复正常。整个过程影响生产5.5 h。

诊断结论与综合分析：由于万可工作站防护等级较低，防尘能力较弱，并且精轧台万可模块自2004 年改造以来已使用7 年多时间，模块已逐步趋于老化。故障率较高。尤其是模块较多时用替换法查找故障点较为困难，影响时间较长。

维修方案：判断I/O 故障时，只需观察DP 适配器上I/O 指示灯是否正常（绿色为正常）；不必盲目删除硬件组态，可以节省部分判断时间；万可模块各电源接线一定要正确、牢固，模块之间接触必须良好，否则容易产生多余故障时间；对精轧台工作站进行小规模改造，将万可模块工作站全部升级更换为西门子ET200M 工作站，增强防护等级以及运行稳定性。

2.3 变频器故障

故障现象：冷床输入1 组辊道一开始报F0022（功率组件故障），检查外部各通信板、接线端子，无松动现象。复位后打开关运行，又报出F0002 及F0003 故障，交替出现。并且故障无法复位。

故障原因分析：由于最初故障为F0022，查看440 变频器说明书，应检查I/O 板是否完全插入。检查后未发现明显故障点，根据F0002（过电压）及F0003（欠电压）故障，又检查变频器各电源电压，并关闭现场部分电机开关后试，故障依旧。根据F0022 提供的信息，怀疑功率组件损坏，F0002 及F0003 为硬件损坏后衍生的虚报故障[6]。

诊断方法及步骤：查阅440 变频器使用大全，发现使用参数r0026 可以查看直流回路电压实际值，由于440 变频器属交—直—交变频，如果功率组件损坏，将影响该参数的正常显示。查看输入一组辊道变频器r0026，发现该参数显示为零。可以确诊为该变频器已损坏。更换一台变频器并重新设置关键参数后，设备恢复正常。

诊断结论与综合分析：冷床输入1 组辊道为2004 年半连轧技改时投入，已使用7 年之久，功率组件老化，损坏属正常现象。

维修方案：加强西门子440 变频器的常用参数学习及掌握，缩短故障判断时间；熟悉变频器主要参数的快速调试及恢复；将损坏变频器送修、准备好必需的备品备件，保证正常生产。

2.4 设计考虑不周导致的故障

故障现象：轧钢厂裙板频繁出现不动作，引起跑钢、堆钢现象，严重影响正常生产。

故障原因分析：检查ET200M 柜内裙板中间继电器，发现中间继电器触头因打火烧损严重，初步判定为中间继电器（5 A）触头容量较小所致[7]。

诊断方法及步骤：将原设计5 A 中间继电器全部更换为10 A，触头打火仍然严重，运行1 天左右必须更换，否则将影响生产。上网查询消除继电器弧光的方法，得到资料显示：直流感性负载需要续流二极管，否则自感特性（维持电流不变）会造成开关（无论电子还是触点）产生高压，击穿损坏；直流线圈两端反向并联一个二极管可起到的作用：在线圈断电时为感生电动势提供一个释放回路，起续流作用，叫续流二极管。用以消除电弧（电火花）。参考二极管型号为IN4004。购买20 个续流二极管，利用交接班时间在现场所有裙板电磁阀接线端子盒内并接，基本消除裙板中继打火现象。故障彻底排除。

诊断结论与综合分析：由于改造后裙板电磁阀线圈容量较大，导致中间继电器运行时弧光较大，只有采取技术手段消除弧光，才能保证设备正常运行。原设计裙板电磁阀中间继电器没有考虑现场电磁阀容量问题，导致中继打火严重，影响生产。

维修方案：当直流电磁阀中继火光较大时，必须反向并接续流二极管消弧；二极管接线必须正确，如果极性接反，将导致二极管瞬间烧毁。

2.5 因操作失误导致的故障

故障现象：某月检修完毕试车，发现新编制的轧机延伸率显示画面数据不正确，经检查，属于程序语句有错。为尽快使用该显示画面，在电脑上在线编程、修改、下载多次，还是有一架显示不正常，再次修改后下载程序、监控，PLC 报红停机。

故障原因分析：由于是在调试过程中报故障，判断为下载的程序有错误造成停机[8]。

诊断方法及步骤：查看400PLC 诊断缓存中故障显示，为字节过长错误，确属程序故障停机。由于PLC 已停止运行，无法控制停轧机，而轧机此时仍处于运行状态，只有强行断开主回路ME 开关分闸。

诊断结论与综合分析：将所调试的程序删除后重新下载，PLC 恢复正常，共影响生产约30 min。认真研究所调试程序后发现：所编制的程序功能块中某一段网络语句太多；循环语句使用太多造成个别循环错误。因上述两处错误造成PLC 故障停机，影响正常轧制[9]。

维修方案：严禁正常生产过程中在工程师站电脑上在线修改、下载程序；有较多程序需要修改、新增时，应首先在实验平台上验证通过方可进行；严格遵守工程师站电脑管理规定，修改程序必须有2 名以上技术员在场，经车间分管领导批准方可执行；可补充OB80（处理时间故障）等常用组织块到程序中，避免一些不必要的故障停机。

3 结束语

某轧钢厂轧线西门子PLC 系统涵盖工业以太网、PROFIBUS-DP 网、MPI 网、西门子S7-400PLC 系统、S7-300PLC系统（1 号飞剪系统）、S7-200PLC 系统（通过USS 协议与6RA70通信、传输柜门、故障等控制信号）、西门子6RA70 直流调速装置、西门子Micromaster440 变频器、WAGO 远程工作站、ET200M远程工作站和WINCC 人机界面。主回路涉及可控硅组件、无触点开关柜、接触器等。涉及知识点多，要求维护人员具有较全面的专业知识和一定的现场维护经验。