Fehleranalyse des SPS-Systems
Eine SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) besteht hauptsächlich aus einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU), Eingabe-, Ausgabe- und Kommunikationsschnittstellen sowie weiteren Komponenten. Die CPU bildet das Herzstück der SPS. Die E/A-Komponenten stellen die Schnittstelle zwischen den Feldgeräten und der CPU dar. Die Kommunikationsschnittstellen dienen der Verbindung mit dem Programmiergerät und dem übergeordneten Rechner. Bei integrierten SPSen sind alle Komponenten in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. Bei modularen SPSen hingegen ist jede Funktionskomponente separat verpackt und wird als Modul oder Vorlage bezeichnet. Die Module sind über einen Bus miteinander verbunden und auf einem Gestell oder einer Schiene montiert.
Fehler in SPS-Steuerungssystemen lassen sich in Software- und Hardwarefehler unterteilen. Ein SPS-System besteht aus Zentralprozessor, Hauptgerät, Erweiterungsbox, E/A-Modul sowie zugehöriger Netzwerk- und externer Ausrüstung. Die Feldsteuerungsausrüstung umfasst E/A-Ports und Feldprüfgeräte wie Relais, Schütze, Ventile, Motoren usw.
1. Fehler in der SPS-Software
Die SPS verfügt über eine Selbstdiagnosefunktion. Tritt ein Modulfunktionsfehler auf, alarmiert sie häufig und reagiert gemäß der vordefinierten Prozedur. Der Fehlerstatus lässt sich anhand der Fehleranzeigeleuchte erkennen. Bei normaler Stromversorgung sind auch die Anzeigen normal, insbesondere das Eingangssignal. Funktioniert das System jedoch nicht ordnungsgemäß (keine Ausgabe oder chaotische Signale), wird gemäß dem Wartungsprinzip „zuerst die einfachen, dann die schwierigen“ bzw. „zuerst die einfachen, dann die schwierigen“ zunächst geprüft, ob ein Problem im Benutzerprogramm vorliegt.
Das Benutzerprogramm ist im RAM der SPS gespeichert und flüchtig. Fällt die Notstromversorgung aus, ist die Wahrscheinlichkeit eines Programmverlusts oder einer Programmbeschädigung sehr hoch; auch starke elektromagnetische Störungen können Programmfehler verursachen.
2. SPS-Hardwareausfall
① Der E/A-Port der SPS ist defekt.
Der Ausfall des I/O-Moduls ist hauptsächlich auf den Einfluss verschiedener externer Störungen zurückzuführen. Zunächst muss es gemäß den Anforderungen seiner Verwendung eingesetzt werden und kann nicht willkürlich reduziert werden. Anschließend müssen die Hauptstörfaktoren analysiert und die Hauptstörquellen isoliert oder behoben werden.
② Ausfall des SPS-Hostsystems
A. Das Stromversorgungssystem ist fehlerhaft. Im Dauerbetrieb der Stromversorgung sind Wärmeentwicklung sowie Spannungs- und Stromschwankungen unvermeidbar.
B. Ausfall des Kommunikationsnetzwerksystems. Kommunikation und Netzwerk können durch externe Störungen beeinträchtigt werden, wobei die Umgebungsbedingungen einer der Hauptfaktoren für den Ausfall externer Kommunikationsgeräte sind. Schäden am Systembus sind hauptsächlich auf die Steckverbindung der SPS zurückzuführen. Durch das langfristige Ein- und Ausstecken von Modulen können lokale Leiterplatten, Bodenplatten, Steckschnittstellen und andere Buskomponenten beschädigt werden. Unter dem Einfluss von Lufttemperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen, der Alterung des Buskunststoffs und der Leiterbahnen sowie der Oxidation der Kontaktpunkte etc. kommt es zu Systembusausfällen.
③ Ausfall der Feldsteuerungsausrüstung
A, Relais, Schütz. Um solche Ausfälle zu reduzieren, sollten wir Hochleistungsrelais einsetzen, die Einsatzbedingungen der Komponenten verbessern und die Austauschhäufigkeit verringern. In rauen Umgebungsbedingungen kann der Schützkontakt leicht entzündet oder oxidiert werden und sich durch Hitze verformen, bis er nicht mehr einsatzfähig ist.
B, Ventile, Stößel und andere Ausrüstung. Langfristige Nutzung aufgrund mangelnder Wartung, mechanischer und elektrischer Defekte ist die Hauptursache für Ausfälle, da die Schlüsselkomponenten solcher Ausrüstung in der Regel große relative Verschiebungen aufweisen oder mehrere Schritte wie die elektrische Umschaltung zur Positionsumschaltung von Ventil oder Stößel oder die Verwendung eines elektrischen Aktuators zur Positionsumschaltung von Ventil oder Stößel erfordern. Wenn mechanische, elektrische, hydraulische und andere Verbindungen nur geringfügig nicht korrekt funktionieren, kann dies zu Fehlern oder Ausfällen führen.
Bei C-Schaltern, Endlagen, Sicherheitsvorrichtungen und dem Betrieb einzelner Komponenten oder Geräte vor Ort kann die Ursache in langfristigem Verschleiß, langjähriger Nutzung und Korrosion liegen. Die Behebung solcher Gerätefehler erfordert vor allem regelmäßige Wartung, um die Geräte jederzeit in einwandfreiem Zustand zu halten. Bei Endschaltern, insbesondere an schweren Geräten, sollten zusätzlich zur regelmäßigen Wartung bereits in der Konstruktionsphase mehrere Schutzmaßnahmen berücksichtigt werden.
D. Die Komponenten des SPS-Systems, wie z. B. Anschlusskästen, Kabelklemmen, Schrauben und Muttern, weisen Mängel auf. Die Ursache hierfür liegt hauptsächlich im Produktionsprozess des Geräts selbst, im Installationsprozess sowie in langjähriger Einwirkung von Feuer und Rost. Erfahrungsgemäß sind solche Fehler in der Regel schwer zu finden und zu beheben. Daher müssen Installation und Wartung des Geräts gemäß den Installationsvorschriften durchgeführt werden, um jegliche versteckte Gefahren auszuschließen.
E. Sensor- und Messgeräteausfall. Diese Art von Fehler äußert sich in der Regel durch ein anormales Signal im Steuerungssystem. Bei der Installation solcher Geräte muss die Schirmung der Signalleitung an einem Ende zuverlässig geerdet und möglichst getrennt vom Stromkabel, insbesondere vom stark störanfälligen Wechselrichterausgangskabel, verlegt werden. Zudem ist eine Softwarefilterung innerhalb der SPS erforderlich.
F, Ausfall von Stromversorgung, Masse und Signalleitungsrauschen (Interferenzen).
Fallanalyse zum Ausfall des SPS-Systems
1. SPS-Hardwareausfall
① eine petrochemische Vorrichtung Siemens SPS (S7-300, CPU315-2DP) hat während des Gebrauchs plötzlich den Betrieb eingestellt.
Fehlerprüfung und -analyse: Überprüfen Sie die Alarmleuchte, das Programm und die Stromversorgung. Bei der Überprüfung des Alarms wurde festgestellt, dass die Batterie der CPU eingeschaltet ist. Bei der Überprüfung des Programms wurde festgestellt, dass keine Fehlerbehebung für einen Batterieausfall vorhanden ist. Fehlerbehebung: Tauschen Sie die CPU-Batterie aus und beheben Sie den Batterieausfall im Programm.
2. Eines Nachts wurde die Kommunikation zwischen der Kompressor-SPS und der Hauptsteuerungs-SPS plötzlich unterbrochen. Das Hauptsteuerungs-DCS zeigte daraufhin einen Kommunikationsabbruch an. Im Kompressor-Steuerraum wurden die Motorsignale im Hauptsteuerungs-DCS rot angezeigt (Stoppzustand). Außerdem wurden im Hauptsteuerungs-DCS Über- und Unterschreitungsalarme für verschiedene Durchfluss-, Druck- und Temperatursignale im Kompressor-Steuerraum angezeigt. Aufgrund des Kommunikationsabbruchs konnten wichtige Verriegelungen im Kompressor-Steuerraum nicht an die Hauptsteuerung übermittelt werden, was zum Stillstand der gesamten Anlage führte.
Fehlerprüfung und -analyse: Theoretisch gibt es zwei Hauptgründe für die Kommunikationsunterbrechung zwischen der Kompressor-SPS und der Hauptsteuerungs-SPS: Zum einen ist die Software nicht synchronisiert; zum anderen liegen Hardwarefehler wie z. B. bei CP525-Karten und CPU-Karten vor.
Zunächst wurde die Software-Seite betrachtet. Die Synchronisierung wurde in der Hauptsteuerungs-SPS durchgeführt, wobei die 14. Stelle des Datenworts DW13 zur Kommunikation gezwungen wurde. Die Kommunikation konnte jedoch nicht hergestellt werden; die Hauptsteuerungs-SPS schien also nicht die Ursache zu sein. Anschließend wurde die Synchronisierung in der Kompressor-SPS durchgeführt, indem die Kommunikationsdatenwort-SPS MW10 an der 14. Stelle gezwungen wurde. Daraufhin wurde die Kommunikation hergestellt. Somit konnte bestätigt werden, dass die Kommunikationsunterbrechung zwischen der SPS und der Hauptsteuerungs-SPS des Kompressors durch die fehlende Synchronisierung des Kompressorprogramms verursacht wurde. Die Ursache für die fehlende Synchronisierung des Programms war wiederum eine externe elektromagnetische Störung.
Fehlerbehebung: Um das erneute Auftreten solcher Störungen zu vermeiden, sollte die Abschirmung des Kontrollraums verstärkt werden, und die Verwendung von Kommunikationsmitteln wie Mobiltelefonen ist im Kontrollraum verboten.
③ Siemens SPS (S7-300) SF-Lichtalarm
Fehlerprüfung und -analyse: Der SF₆-Lampenalarm signalisiert einen Fehler am Eingangspunkt. Fehlersuche: Überprüfen Sie den Funktionszustand jedes Eingangspunkts. Bei der Prüfung wird festgestellt, dass ein Temperaturtransmitter vor Ort kein Eingangssignal liefert. Der Fehler verschwindet nach der Behebung des Problems.
④ Die Außenseite eines SPS-Eingangspunktes ist nicht verbunden (auch wenn die Verbindungsleitung am Eingangsanschluss demontiert ist), aber der Eingangspunkt ist tatsächlich verbunden und die entsprechende Eingangsanzeigeleuchte leuchtet bei der Fehleranalyse dauerhaft: Stellen Sie fest, dass die benachbarten Anschlüsse des Anschlusses verbunden sind und sich Eisenspäne zwischen den Eingangsanschlüssen der SPS befinden, was zu einer Verbindung des Eingangspunktes führt, oder dass der Eingangspunkt beschädigt ist.
Fehlerbehebung: Demontieren Sie die Verdrahtung aller Eingangsklemmen der SPS. Stellen Sie fest, dass sich viele Eisenspäne auf dem Eingangsklemmenblock befinden. Blasen Sie die Eisenspäne auf den Klemmen weg und stellen Sie dann die Verdrahtung wieder her. Der Fehler ist behoben.
⑤ Steuerungssystem SPS digitale Eingangskarte SF-Leuchte leuchtet rot
Fehlerprüfung und -analyse: Nach dem Wiedereinschalten der Stromversorgung der Karte besteht der Fehler weiterhin. Auch nach dem Neustart der SPS leuchtet die Fehleranzeige weiterhin rot. Daher wurde nach der Überprüfung der von der Karte empfangenen Signale vor Ort ein fehlerhafter Signalumschalter festgestellt. Messungen mit einem Multimeter ergaben einen unendlich hohen Schleifenwiderstand, was auf einen defekten Rückschalter hinweist, der von der digitalen Eingangskarte erkannt wurde. Fehlerbehebung: Nach dem Austausch des Ersatzteils erlischt die Fehleranzeige.
⑥ Die analoge Eingangskarte des SPS-Steuerungssystems der Pelletieranlage empfing das Feldsignal, das auf dem DCS als unendlich angezeigt wird.
Fehlerprüfung und -analyse: Die Analyse deutete darauf hin, dass das Kommunikationskabel zwischen Felddruckmessumformer und Anschlusskasten defekt war. Nach dem Austausch des Kabels blieb das Problem jedoch bestehen. Eine sorgfältige Prüfung und Analyse des gesamten Stromkreises ergab, dass drei potenzielle Fehlerquellen vorhanden waren: der Druckmessumformer selbst, das Kommunikationskabel und die Klemme. Der Druckmessumformer und das Kommunikationskabel wurden als Fehlerquellen ausgeschlossen. Beim Öffnen der Platine zeigte sich, dass ein kleiner integrierter Baustein im Inneren durchgebrannt war. Fehlerbehebung: Die Platine muss ausgetauscht werden.
⑦ Von den beiden SPS-Steuerungen, die sich gegenseitig als Hot-Spare-Steuerungen nutzen, kann nur eine laufen, die andere ist immer gestoppt.
Fehlerprüfung und -analyse: Schalten Sie den gesamten Schaltschrank aus und starten Sie nach der Stromzufuhr entweder zwei SPS-Einheiten gleichzeitig oder nur eine SPS-Einheit. Die Abfrage relevanter Daten zeigt, dass die beiden Systemfunktionsbausteine OB70 und OB72 für Redundanzfehler verantwortlich sind. Ohne diese beiden Funktionsbausteine geht die Systemredundanz verloren, d. h., nur eine CPU kann arbeiten. Fehlerbehebung: Nach dem Einsetzen der beiden Systemfunktionsbausteine funktioniert das Steuerungssystem wieder normal.
2. SPS-Soft-Failure-Instanz
Ein SPS-Steuerungssystem, das für eine gewisse Zeit abgeschaltet war, kann nach dem Einschalten nicht gestartet werden.
Fehlerprüfung und -behandlung: Wenn das Wartungspersonal nach der Überprüfung annimmt, dass das Programm fehlerhaft ist, wird üblicherweise die EPROM-Karte in die SPS eingesetzt, das Programm wird gelöscht und nach Abschluss des Vorgangs neu gestartet. Besteht der Fehler weiterhin, da das Programm nicht groß ist, wird das Programm auf der EPROM-Karte einzeln gelesen. Nach Überprüfung stellt sich heraus, dass die Anweisungen im Handbuch exakt übereinstimmen. Das wiederholte Kopieren wird dann als Hardwarefehler der SPS angesehen.
Das Backup-Programm wird von der PG aufgerufen und mit dem Programm im EPROM verglichen. Das Ergebnis zeigt, dass die Befehlstabelle identisch ist, sich aber die Speicheradresse des Programms geändert hat. Nachdem das Backup-Programm an die SPS gesendet wurde, läuft das Gerät normal. Es zeigt sich, dass auch das Programm im EPROM einen Fehler enthält; durch Löschen und Neuschreiben lässt sich das Problem beheben.
Die Wahrscheinlichkeit eines Hardware- oder Softwarefehlers der SPS ist sehr gering. Bei der Fehlersuche sollte der Fokus auf den elektrischen Peripheriekomponenten der SPS liegen. SPS-Fehler sind meist auf Signalstörungen an den Peripherieschnittstellen zurückzuführen. Solange die SPS einen Teil der Steuerung normal ausführt, besteht kein Grund, an einem Problem mit dem SPS-Programm zu zweifeln. Wenn das Betriebsprogramm Ausgaben erzeugt, die SPS-Schnittstelle jedoch keine, liegt ein Fehler in der Schnittstellenschaltung vor. Hardwarefehler im SPS-System sind häufiger als Softwarefehler und werden meist durch unzureichende externe Signale oder Fehler in den Ausführungskomponenten verursacht, anstatt durch ein Problem im SPS-System selbst.
Der Fehler lässt sich anhand des Eingangs- und Ausgangszustands der SPS ermitteln. Die Eingangs- und Ausgangssignale der SPS werden über den E/A-Kanal übertragen. Einige Fehler spiegeln sich im E/A-Schnittstellenkanal wider. Manchmal lässt sich die Fehlerursache durch Beobachtung des E/A-Schnittstellenstatus finden.
Die SPS verfügt über eine Selbstdiagnosefunktion, die anhand der Alarmmeldungen Fehler erkennt, die Ursache identifiziert und den Fehlerort bestimmt. Dies ist die grundlegende Methode zur Fehlersuche und -behebung an der SPS. Zunächst muss geklärt werden, ob es sich um einen globalen oder lokalen Fehler handelt. Meldet der übergeordnete Rechner, dass mehrere Steuerungskomponenten nicht ordnungsgemäß funktionieren und zahlreiche Alarmmeldungen ausgegeben werden, müssen das CPU-Modul, das Speichermodul, das Kommunikationsmodul, die Stromversorgung und andere zugehörige Komponenten überprüft werden.
Die Erfahrung zeigt, dass die meisten Fehler im SPS-Steuerungssystem durch das SPS-Programm erkannt werden. Die Aktionen des SPS-Steuerungssystems werden in einer bestimmten Reihenfolge ausgeführt. Durch Beobachtung des Systemablaufs, Vergleich des Fehlers mit dem Normalzustand lassen sich die meisten Unklarheiten beseitigen und die Fehlerursache ermitteln.
Manche Fehler lassen sich direkt auf dem Bildschirm als Alarmgründe anzeigen, andere liefern zwar Alarminformationen, geben aber nicht direkt die Ursache des Alarms wieder. Manche Fehler erzeugen keine Alarminformationen, führen aber dazu, dass bestimmte Aktionen nicht ausgeführt werden. In beiden Fällen ist die Überwachung des Ablaufs des SPS-Programms eine effektive Methode zur Fehleranalyse.
