Fehlerbehebung im redundanten System Siemens S7-400H
Ich betreibe S7-400H-Systeme nun schon fast zwanzig Jahre lang. Diese redundanten Racks sind eigentlich für den Dauerbetrieb ausgelegt, fallen aber ständig aus. Die CPUs funktionieren fast immer einwandfrei. Versagen sind meist Synchronisationsmodule, Netzteile oder Glasfaserverbindungen. Das H-System selbst ist robust. Das Problem ist, dass alle anderen Komponenten mit der Zeit verschleißen, und wenn die Redundanz ausfällt, läuft man nur noch mit einer einzigen CPU ohne Backup.
Ich arbeite in einem Laden, der schon seit ... besteht. Siemens SPS-Programmierung seit den S5-Zeiten. Die S7-400H kam 1996 auf den Markt und ist noch immer in vielen Anlagen im Einsatz. Dieser Artikel beschreibt die Fehler, die ich in laufenden Systemen behoben habe. Konkrete Zahlen, praktische Lösungen, keine Theorie.
Sie gehen zum Bedienfeld, und bei einer CPU leuchtet eine gelbe IFM1F- oder rote LED. Die andere CPU läuft alleine. Das ist der häufigste Anruf, den ich erhalte.
Als Erstes: Überprüfen Sie die Synchronisationsmodule. Der S7-400H verwendet zwei Synchronisationsmodule pro CPU, die über Glasfaserkabel verbunden sind. Die Teilenummern lauten: 6ES7 960-1AA04 Für die Standard-Glasfaser oder 6ES7 960-1AB04 für die erweiterte Reichweite. Ich habe weitaus mehr Ausfälle des Synchronisationsmoduls als CPU-Ausfälle beobachtet.
Überprüfen Sie die SYNC-LED an jedem Synchronisierungsmodul. Leuchtet sie nicht oder blinkt sie, obwohl sie dauerhaft leuchten sollte, ist das Modul defekt oder kurz vor dem Ausfall. Tauschen Sie es aus. Ein Test ist nicht nötig.
Überprüfen Sie anschließend die Glasfaserkabel. Diese Kabel werden leicht verbogen, in Schranktüren eingeklemmt oder von Nagetieren angeknabbert. Halten Sie ein Ende gegen helles Licht. Sollten Sie Licht durch den Kabelmantel austreten sehen, tauschen Sie das Kabel aus. Verwenden Sie, falls vorhanden, ein Glasfaser-Leistungsmessgerät. Am Empfänger benötigen Sie mindestens -20 dBm. Bei Werten unter -25 dBm kommt es zu zeitweiligen Synchronisationsausfällen, üblicherweise genau dann, wenn die Produktion am höchsten ist.
Erneuern Sie die Glasfaserstecker, falls die Enden verschmutzt sind. Verwenden Sie einen Ein-Klick-Reiniger, nicht Ihr Hemd. Ich habe schon mehr defekte Synchronisationsmodule mit einem 12-Dollar-Reinigungsstift repariert als mit einem 600-Dollar-Ersatzteil.
Wenn die Synchronisationsmodule und -kabel in Ordnung sind, erzwingen Sie eine erneute Redundanz. Schalten Sie die CPU in den Stopp-Modus und anschließend wieder in den Lauf-Modus. Gehen Sie in STEP 7 zu SPS > Diagnose/Einstellungen > Betriebsmodus. Das System sollte sich nun neu synchronisieren. Falls nicht, liegt wahrscheinlich ein Hardwarefehler auf der Backplane oder der CPU selbst vor.
Die Netzteile PS 407 (6ES7 407-0KA02-0AA0 oder ähnliche) sind zwar zuverlässige Arbeitstiere, haben aber eine Schwachstelle: die Überwachungsschaltung für die Backup-Batterie.
Ein typisches Szenario: Bei einem Netzteil leuchtet die BATT-LED. Das System läuft weiter, niemand kümmert sich darum, und drei Monate später fällt auch das andere Netzteil aus. Jetzt steht man ohne Strom da. Ich habe das schon hundertmal erlebt.
Ich ziehe das verdächtige Netzteil ab und prüfe die Ausgangsspannung an den Anschlüssen auf der Rückseite. Sie sollte 24 V Gleichspannung mit einer Abweichung von maximal 2 % betragen. Werte unter 23 V oder über 25 V deuten auf eine Abweichung der Regelungsschaltung hin. Tauschen Sie das Netzteil aus. Nehmen Sie keine Justierung vor. Diese Netzteile haben kein Trimm-Potentiometer.
Der versteckte Fehler: Das Netzteil selbst mag in Ordnung sein, aber die 24-V-Gleichstromversorgung des Racks ist zu schwach. Überprüfen Sie die Eingangsklemmen des PS 407. Fällt die Eingangsspannung unter 20,4 V (die Unterspannungsschwelle des S7-400), meldet das Netzteil einen Fehler. Das kommt häufiger vor, als man denkt. Mögliche Ursachen sind defekte Sicherungen, lose Klemmen oder zu dünne Kabel.
Ein weiterer Fehler kann der Ausfall des Redundanzmoduls sein. Wenn Sie das Redundanzmodul (6ES7 407-0RA00-0AA0) zwischen zwei Netzteilen angeschlossen haben, fällt auch dieses aus. In diesem Fall erscheint ein Netzteil für das Rack als funktionsunfähig, obwohl es noch Spannung ausgibt. Überbrücken Sie das Redundanzmodul vorübergehend. Überprüfen Sie dies, indem Sie die Ausgänge überbrücken. Funktioniert das Rack danach wieder, tauschen Sie das Modul aus.
Der IM 460-1 (6ES7 460-1BA00-0AA0Die Schnittstellenmodule IM 461-1 (6ES7 461-1BA00-0AA0) im zentralen Rack und IM 461-1 (6ES7 461-1BA00-0AA0) im Erweiterungsrack stellen eine weitere Schwachstelle von H-Systemen dar. Diese Module verbinden die beiden Racks eines redundanten Paares.
Das Symptom: Eine CPU meldet einen Fehler im externen Datenverteilungssystem (Ext. DP Fault) oder im Bus 2 (BUS2Fault), die andere CPU funktioniert jedoch einwandfrei. Das redundante CPU-Paar kann nicht synchronisiert werden, da die Kommunikation über das Erweiterungsrack unterbrochen ist.
Schnelltest: Tauschen Sie das IM 460-1 zwischen den beiden Racks. Wandert der Fehler mit dem Modul, ist es defekt. Bleibt er im selben Steckplatz, liegt das Problem an der Backplane oder dem Kabel zwischen den Racks.
Kabelprobleme: Die Anschlusskabel (6ES7 468-xx) haben diese großen, rechteckigen Stecker. Mir ist es schon passiert, dass die Verriegelung abgebrochen ist, sich das Kabel teilweise gelöst hat und das System wochenlang sporadische Fehler aufwies, bevor es jemand bemerkte. Drücken Sie den Stecker fest hinein. Wenn er einrastet, ist alles in Ordnung. Wenn er nicht einrastet, tauschen Sie das Kabelende aus.
Die S7-400H-CPUs verwenden Speicherkarten (MMC oder ältere RAM-Karten). Wenn die Batterie leer ist und die CPU herunterfährt, werden diese Speicherkarten unbrauchbar. Das redundante System startet zwar, aber eine der CPUs kann nicht in den Betriebsmodus wechseln, da sie ihr Betriebssystem nicht laden kann.
Nehmen Sie die Speicherkarte heraus und stecken Sie sie in ein Lesegerät, das an einen PC angeschlossen ist. Versuchen Sie, die Karte auszulesen. Wenn Windows Sie zum Formatieren auffordert, ist die Karte defekt. Wenn Sie die Karte auslesen können, sichern Sie das Projekt, formatieren Sie die Karte neu und beschreiben Sie die Daten erneut.
Die praktische Lösung: Bewahren Sie immer zwei programmierte Ersatzspeicherkarten pro CPU-Typ in Ihrem Gehäuse auf. Wenn das passiert (und das wird es), können Sie die Karte in dreißig Sekunden austauschen, anstatt eine Stunde mit dem Wiederaufbau zu verbringen.
Falls beide CPUs gleichzeitig ihre Grafikkarten verloren haben (üblicherweise aufgrund eines vollständigen Stromausfalls mit leeren Notstrombatterien), müssen Sie das Projekt neu herunterladen. Die RAM-basierten Taktraten können sich dabei ebenfalls verändern; stellen Sie daher die Uhrzeit auf beiden CPUs nach dem Laden korrekt ein.
Das bringt mich zur Verzweiflung. Das redundante System läuft einwandfrei, aber ein DP-Slave (vielleicht ein ET 200M oder ein Remote-I/O-Rack) wird auf einem Kanal als fehlerhaft angezeigt, auf dem anderen jedoch nicht.
Ursache: Der DP-Master auf einer CPU hat die Verbindung zum Slave verloren, sie wiederhergestellt, und nun ist der Slave dem falschen Master zugewiesen. Die beiden CPUs sind sich nicht einig, wer den Slave steuert.
Behebung in Schritt 7: Rufen Sie die Hardwarekonfiguration auf und überprüfen Sie die Redundanzeigenschaften des DP-Slaves. Stellen Sie sicher, dass „Redundanter DP-Master“ ausgewählt ist. Falls ein bestimmter Master-Steckplatz ausgewählt ist, ändern Sie diesen. Schalten Sie anschließend das Slave-Gerät aus und wieder ein.
Nach jedem Austausch eines DP-Slaves in einem redundanten System muss der Slave beiden Mastern neu zugewiesen werden. Die Vorgehensweise zum Slave-Austausch im Handbuch ist wie folgt: Slave vom Stromnetz trennen, austauschen, Stromnetz wieder einschalten und anschließend über HW Config > PLC > Download to Module den DP-Slave neu zuweisen. Werden nicht beide Master neu zugewiesen, funktioniert der Slave für eine CPU und fällt für die andere aus.
Ein CPU-Austausch (414H, 417H usw.) ist selten, kommt aber vor. Hier ist der Zeitpunkt, an dem ich den Schritt wage:
· Die CPU geht mit einem internen Fehlercode in den STOP-Modus, der auch nach einem Speicherreset nicht verschwindet.
· Mehrere I/O-Module an derselben CPU zeigen keine Verbindung, die Backplane ist jedoch in Ordnung.
· Die INTF-LED bleibt auch nach einem erneuten OB1-Download dauerhaft an.
· Sie sehen die Meldung „Verteilte E/A: Stationsausfall“ auf einer CPU, aber die andere CPU kommuniziert einwandfrei mit denselben Slaves.
CPU-Austausch in einem H-System: Die funktionierende CPU einzeln einsetzen, die defekte CPU entfernen, die neue CPU einsetzen, den Moduswahlschalter auf MRES stellen und neun Sekunden lang gedrückt halten (bis die STOP-LED aufhört zu blinken und dauerhaft leuchtet), dann auf RUN stellen. Die funktionierende CPU lädt die Systemdaten automatisch auf die neue CPU. Warten Sie, bis der Vorgang abgeschlossen ist. Unterbrechen Sie ihn nicht. Die Dauer beträgt je nach Programmgröße zwei bis fünf Minuten.
Der häufigste Fehler: Nutzer tauschen die CPU aus, ohne die Firmware-Versionen abzugleichen. Wenn die neue CPU eine andere Firmware-Version als die vorhandene hat, wird keine Redundanz hergestellt. Prüfen Sie daher immer die Firmware-Version des 6ES7 400 im Diagnosepuffer, bevor Sie ein Ersatzgerät bestellen.
Eine Sache, die Sie Stunden kosten wird: Die Teilenummern der Synchronisationsmodule müssen auf beiden CPUs übereinstimmen. Wenn Rack 0 beispielsweise 6ES7 960-1AA04 und Rack 1 6ES7 960-1AB04 hat, lässt sich das System nicht synchronisieren. Auch wenn die Dokumentation Kompatibilität angibt, ist das in der Praxis nicht der Fall. Verwenden Sie daher immer zusammengehörige Module.
Gleiches gilt für die Glasfaserlängen. Wenn ein Kabel 1 Meter und das andere 10 Meter lang ist, kann die unterschiedliche Signallaufzeit bei langen Scanzyklen zu Synchronisationsverlusten führen. Verwenden Sie daher für beide Verbindungen die gleiche Kabellänge.
Wenn ich ein Werk mit einem defekten H-System betrete, gebe ich folgende Anweisung:
1. Schauen Sie sich die LEDs an beiden CPUs an. Notieren Sie sich jeden LED-Zustand.
2. Lesen Sie den Diagnosepuffer auf der einzelnen CPU (derjenigen, die sich noch im RUN-Modus befindet).
3. Lesen Sie den Diagnosepuffer auf der fehlerhaften CPU.
4. Überprüfen Sie die LEDs des Synchronisationsmoduls an beiden Racks.
5. Überprüfen Sie die LEDs des Netzteils und des Akkus.
6. Hören Sie sich die Stromversorgung des Lüfters an. Wenn ein Lüfter defekt ist, tauschen Sie die entsprechende Stromversorgung jetzt aus.
Der Diagnosepuffer liefert Ihnen 90 % der benötigten Informationen. Raten Sie nicht. Lesen Sie ihn.
Die meisten Probleme mit der S7-400H liegen nicht an den CPUs. Synchronisationsmodule, Netzteile, IM-Module und Glasfaserkabel fallen oft lange vor der Haupt-SPS aus. Halten Sie Ersatzteile für die teuren Komponenten (Synchronisationsmodule und IM-Module) bereit, denn drei Tage Wartezeit auf ein Ersatzgerät vom Typ 6ES7 960-1AA04 sind teurer als die Lagerhaltung.
Überprüfen Sie die Batterien bei jeder planmäßigen Wartung. Eine leere Notstrombatterie verlängert einen zweiminütigen Ladevorgang auf vier Stunden.
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