基于工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS的FCS實(shí)時(shí)在線故障診斷系統(tǒng)

王永華，李 娜，閻佩獻(xiàn)

WANG Yong-hua, LI Na, YAN Pei-xian

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院 河南省信息化電器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450002）

基于工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS的FCS實(shí)時(shí)在線故障診斷系統(tǒng)

The real-time on-line diagnostic system of fcs based on industrial ethernet and profi bus

王永華，李 娜，閻佩獻(xiàn)

WANG Yong-hua, LI Na, YAN Pei-xian

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院 河南省信息化電器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450002）

現(xiàn)場總線技術(shù)日益成為工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域的支柱技術(shù)，基于現(xiàn)場總線技術(shù)的控制系統(tǒng)(FCS)越來越多，分析研究FCS的各種故障信息，設(shè)計(jì)開發(fā)有效的工程診斷工具，對保證FCS的穩(wěn)定運(yùn)行和縮短系統(tǒng)維護(hù)時(shí)間有很大幫助。現(xiàn)有的診斷工具存在著一些難以克服的缺點(diǎn)，比如僅適用于單一網(wǎng)絡(luò)、離線診斷或只對物理層進(jìn)行診斷等?；趹?yīng)用最廣泛的PROFIBUS作為研究對象，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套適用于各種系統(tǒng)規(guī)模、全實(shí)時(shí)在線的FCS診斷系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室平臺測試和實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)達(dá)到了實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確地報(bào)告FCS各種故障和系統(tǒng)狀態(tài)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

工業(yè)以太網(wǎng)；PROFIBUS DP；FCS；全實(shí)時(shí)在線診斷；泛規(guī)模；診斷深度

0 引言

在十多年的開發(fā)和應(yīng)用實(shí)踐過程中，PROFIBUS以其技術(shù)的成熟性、完整性和應(yīng)用的可靠性等多方面的優(yōu)秀表現(xiàn)，在現(xiàn)場總線技術(shù)領(lǐng)域中成為國際市場上的領(lǐng)導(dǎo)者，PROFIBUS是目前唯一能夠全面覆蓋工廠自動(dòng)化和過程自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域的現(xiàn)場總線?；赑ROFIBUS的FCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是：底層由一個(gè)或多個(gè)PROFIBUS總線網(wǎng)絡(luò)和其他子網(wǎng)組成，用來完成底層的控制和數(shù)據(jù)采集等任務(wù)；上層由工業(yè)以太網(wǎng)組成，完成對底層數(shù)據(jù)的整合和處理。圖1為典型的FCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

現(xiàn)場總線的I/O從站一般離控制室較遠(yuǎn)，而且比較分散，加上現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，一旦發(fā)生故障，使用現(xiàn)有的診斷工具進(jìn)行故障位置判斷、準(zhǔn)確找出故障原因會(huì)需要較長時(shí)間，這對正常生產(chǎn)有很大影響。因此設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)在線的故障診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在控制室實(shí)時(shí)顯示故障狀態(tài)，并準(zhǔn)確定位故障位置，將會(huì)大大縮短檢修時(shí)間，減少維護(hù)費(fèi)用，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

圖1 典型FCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)有PROFIBUS診斷工具有較大的缺陷，一是非實(shí)時(shí)在線系統(tǒng)，只能進(jìn)行短時(shí)在線的報(bào)文采集和分析工作；二是適用性差，只能對單一的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行診斷，而不能對大中型的FCS進(jìn)行診斷；三是診斷范圍小，不能全面診斷FCS各層次的狀態(tài)和故障；四是診斷系統(tǒng)智能化程度不高，使用不方便。國內(nèi)外診斷工具研究現(xiàn)狀比較如表一所示。針對上述不足，在對PROFIBUS進(jìn)行深入分析研究的基礎(chǔ)上，我們設(shè)計(jì)開發(fā)出了一套全新的基于工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS的FCS故障診斷系統(tǒng)。

1 PROFIBUS診斷層次劃分與分析

1.1 診斷層次劃分

表1 國內(nèi)外診斷工具研究現(xiàn)狀比較表

本系統(tǒng)把在監(jiān)控層和控制層之間的PLC主站作為執(zhí)行診斷的第一個(gè)層次，本層次主要提供系統(tǒng)診斷和從站診斷數(shù)據(jù)；在底層網(wǎng)絡(luò)中掛接診斷中繼器，它在控制層與重要現(xiàn)場設(shè)備層之間作為執(zhí)行診斷的第二個(gè)層次，本層次主要提供底層診斷數(shù)據(jù)。

1.2 系統(tǒng)診斷

PROFIBUS系統(tǒng)診斷主要用以完成對FCS控制層各主站的全面診斷，下位機(jī)通過調(diào)用SFC51“RDSYSST”讀取局部系統(tǒng)狀態(tài)表（System Status List）得到系統(tǒng)診斷數(shù)據(jù)，獲取CPU指示燈狀態(tài)，局部系統(tǒng)狀態(tài)表的標(biāo)識符為W#16#0019；獲取CPU診斷緩沖區(qū)診斷信息，標(biāo)示符為W#16#00A0。將這些診斷數(shù)據(jù)有規(guī)律地存放在對應(yīng)的數(shù)據(jù)塊中，建立診斷數(shù)據(jù)塊，通過上位機(jī)軟件分析診斷數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)及其意義，并表征出來。

1.3 從站診斷

1.3.1 與從站診斷有關(guān)的中斷組織塊

當(dāng)DP從站出現(xiàn)部分節(jié)點(diǎn)故障、信號模塊導(dǎo)線斷開、I/O通道的短路或過載、模擬量模塊的電源故障等故障時(shí)，CPU的操作系統(tǒng)將在故障產(chǎn)生和消失時(shí)，分別調(diào)用一次診斷中斷組織塊OB82；當(dāng)機(jī)架、DP主站系統(tǒng)或分布式I/O由于掉電、總線導(dǎo)線斷開、I/O系統(tǒng)等原因發(fā)生故障時(shí)，CPU的操作系統(tǒng)將在故障出現(xiàn)和消失時(shí)，分別調(diào)用一次機(jī)架故障或分布式I/O的站故障中斷組織塊OB86；如果I/O訪問錯(cuò)誤中斷，如CPU訪問有故障的I/O模塊、不存在的或有故障的DP從站的PI/PQ輸入輸出數(shù)據(jù)，或訪問了一個(gè)CPU不能識別的I/O地址，那么CPU的操作系統(tǒng)將在每一個(gè)掃描周期調(diào)用一次OB122。下位機(jī)程序把每個(gè)中斷組織塊局部變量中的診斷數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)塊，為上位機(jī)軟件從站診斷提供診斷數(shù)據(jù)。

1.3.2 FB125診斷功能塊

FB125 功能塊是西門子公司提供的一個(gè)驅(qū)動(dòng)中斷功能塊，可在OB1、OB82、OB86中直接調(diào)用，并存儲診斷數(shù)據(jù)信息。診斷數(shù)據(jù)塊中包含所有站的診斷信息，通過上位機(jī)分析可得到從站的組態(tài)、從站丟失等故障信息，以及故障從站的診斷報(bào)文，部分模塊還可以得到故障通道的具體診斷信息。

1.3.3 診斷報(bào)文

PROFIBUS提供了一個(gè)方便的、功能強(qiáng)大的診斷信息報(bào)文，不但在上電起始階段主站會(huì)自動(dòng)進(jìn)行診斷請求，而且每當(dāng)從站出現(xiàn)異常時(shí)，任何一個(gè)主站都可以向任何一個(gè)從站發(fā)送診斷請求，故障從站向主站發(fā)送診斷響應(yīng)報(bào)文。上位機(jī)通過分析診斷報(bào)文，就可以對故障從站的故障狀態(tài)進(jìn)行深入分析。

1.4 底層診斷

底層診斷主要完成對現(xiàn)場通信總線所引起故障的診斷。在底層網(wǎng)絡(luò)中掛接診斷中繼器，作為從站在設(shè)備運(yùn)行期間提供來自PROFIBUS底層的診斷數(shù)據(jù)，并與主站交換診斷信息。下位機(jī)軟件把診斷數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)塊；而上位機(jī)則主要通過組態(tài)形象的診斷畫面，表征出電纜破裂、電路短路、終端電阻丟失、單個(gè)總線網(wǎng)段中有兩個(gè)或更多的診斷回路、總線網(wǎng)段中有太多的節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)距離診斷中繼器太遠(yuǎn)等故障原因及準(zhǔn)確位置。

2 診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 診斷系統(tǒng)故障診斷流程圖

系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，硬件系統(tǒng)由基于工業(yè)以太網(wǎng)的多個(gè)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)組成。目前國內(nèi)大中型PROFIBUS系統(tǒng)主要采用西門子公司的大中型PLC作為系統(tǒng)主站，所以下位機(jī)軟件采用西門子公司的STEP7，完成底層硬件組態(tài)及數(shù)據(jù)采集的任務(wù)。鑒于PROFIBUS與WinCC良好的融合性，上位機(jī)軟件選用西門子組態(tài)軟件WinCC作為設(shè)計(jì)平臺。診斷系統(tǒng)故障診斷流程圖如圖2所示。

2.1 下位機(jī)軟件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在控制系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行影響比較大的網(wǎng)段掛接診斷中繼器，以完成對該網(wǎng)段的底層故障的準(zhǔn)確定位。參照診斷層次的劃分，下位機(jī)軟件系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對診斷數(shù)據(jù)的采集、判斷、整合和存儲，并把診斷數(shù)據(jù)存儲到定義好的DB塊。

2.2 上位機(jī)軟件組態(tài)畫面設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件主要是編寫后臺數(shù)據(jù)處理程序，實(shí)現(xiàn)對診斷數(shù)據(jù)的分析處理，并在組態(tài)畫面上準(zhǔn)確、有效、形象的顯示診斷結(jié)果，在完成直觀畫面顯示的同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的所有功能。整個(gè)上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 上位機(jī)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 上位機(jī)軟件數(shù)據(jù)表征方法

上位機(jī)軟件系統(tǒng)需要編寫有效的判斷程序和設(shè)計(jì)豐富的診斷畫面，才能對海量的診斷數(shù)據(jù)進(jìn)行形象化的顯示，因此就需要研究一套診斷數(shù)據(jù)的表征方法，其實(shí)現(xiàn)過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)大致分為變量賦值和畫面設(shè)計(jì)兩部分。

變量賦值表征方法關(guān)鍵點(diǎn)：首先是創(chuàng)建結(jié)構(gòu)類型的變量，避免由于重復(fù)性的變量連接，而極大降低系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)后程序的運(yùn)行效率；二是把診斷數(shù)據(jù)命名為有具體意義的變量名稱，例如：LED_run_1，代表模塊RUN指示燈的第一個(gè)字的判斷數(shù)據(jù)。三是編寫高效的VBS腳本程序，實(shí)現(xiàn)外部變量到內(nèi)部變量的賦值，把大量診斷數(shù)據(jù)緩存以避免數(shù)據(jù)丟失，并能適應(yīng)畫面處理速度的需要，同時(shí)循環(huán)執(zhí)行函數(shù)的賦值語句，使內(nèi)部變量實(shí)時(shí)刷新顯示外部的變量值。故障從站詳細(xì)診斷數(shù)據(jù)賦值內(nèi)部變量的實(shí)例如圖4所示，通過程序判斷診斷數(shù)據(jù)，確定主站地址和從站地址，再把具體的診斷信息保存到相應(yīng)的內(nèi)部變量。例如6號主站帶的72號從站故障類型判斷結(jié)果，會(huì)保存在M6S72.ERROR_TYPE內(nèi)部變量。

圖4 從站詳細(xì)診斷信息變量賦值舉例

畫面設(shè)計(jì)表征方法關(guān)鍵點(diǎn)：畫面設(shè)計(jì)主要是針對數(shù)據(jù)表征需要，對圖標(biāo)顏色變化、閃爍頻率變化、數(shù)據(jù)與文字顯示組合等信息進(jìn)行充分的綜合運(yùn)用，同時(shí)運(yùn)用恰當(dāng)?shù)腜hotoshop位圖，以使畫面美觀。

3 實(shí)驗(yàn)室測試平臺搭建及測試結(jié)果分析

圖5 重要網(wǎng)段硬件結(jié)構(gòu)示意圖

搭建平臺簡介：河南省信息化電器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室擁有自主研發(fā)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)驗(yàn)室的八套試驗(yàn)臺構(gòu)成工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，每臺均采用西門子的大中型PLC S7-300作為系統(tǒng)的主站，從站設(shè)備選用不同廠家的產(chǎn)品。其中包括診斷中繼器、S7200+EM277、ET200M、ET200L，以及BECKHOFF公司的BK3120，WAGO公司的750-333、750-833和752-323等從站。掛接診斷中繼器的網(wǎng)段硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

測試過程：1）確定實(shí)驗(yàn)對象，為了試驗(yàn)方便，本測試系統(tǒng)選用實(shí)驗(yàn)室八套試驗(yàn)臺中的兩臺組成工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，先對兩個(gè)實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行組態(tài)并測試，其中6號主站的DP網(wǎng)絡(luò)組態(tài)有診斷中繼器。2）人為制造錯(cuò)誤，試驗(yàn)臺6從站62去掉終端模塊。

調(diào)試結(jié)果分析：系統(tǒng)診斷測試，實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)診斷畫面顯示主站6有故障、故障從站個(gè)數(shù)2、各個(gè)指示燈狀態(tài)與實(shí)際主站控制器上顯示結(jié)果完全一致；診斷緩沖區(qū)顯示系統(tǒng)調(diào)用OB86時(shí)間、錯(cuò)誤從站號、故障優(yōu)先級等詳細(xì)信息，并將其保存到歷史數(shù)據(jù)庫中。

從站診斷測試：實(shí)驗(yàn)中從站詳細(xì)診斷信息顯示故障從站62方框字體變紅色、方框閃爍，代表62號從站有故障，并顯示62號從站故障信息的詳細(xì)文字描述及診斷報(bào)文；10號從站是診斷中繼器模塊，用方框藍(lán)色閃爍表示雖然模塊本身正常，但受到影響，同時(shí)也有詳細(xì)的文字描述及診斷報(bào)文顯示。診斷系統(tǒng)主站組態(tài)畫面如圖6所示。

圖6 診斷系統(tǒng)主站組態(tài)畫面

底層診斷測試：診斷中繼器利用“反射檢測”的方法來測量距離，通過計(jì)算診斷中繼器發(fā)出信號的傳輸時(shí)間得到距離的值。信號經(jīng)過每個(gè)PROFIBUS連接器時(shí)，由于阻抗的存在，時(shí)間將被延長，即每個(gè)站將增加約0.7m的距離，會(huì)包括在總長度內(nèi)。上位機(jī)系統(tǒng)采用優(yōu)化的冒泡排序法編寫底層數(shù)據(jù)處理程序，確定每個(gè)從站具體物理位置，最終消除0.7m的誤差。

6號主站拓?fù)湫畔⒃\斷實(shí)驗(yàn)中，測得從站距離診斷中繼器距離分別為2.4m、3.3m、3.8m、2.4m、5.3m，與實(shí)際測量相差0.1m左右，同時(shí)顯示故障點(diǎn)距離診斷中繼器5.3m，并指示故障就在62號從站上，反射故障率為100%，說明62號從站A/B線沒有終端電阻。畫面中還可形象地顯示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

4 結(jié)束語

我們研發(fā)的基于工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS的FCS實(shí)時(shí)在線故障診斷系統(tǒng)完全實(shí)時(shí)在線地與FCS控制系統(tǒng)并行工作，診斷層次深，適用范圍廣。下位機(jī)完成診斷數(shù)據(jù)采集的任務(wù)，上位機(jī)完成數(shù)據(jù)顯示和處理的任務(wù)，達(dá)到了對整個(gè)基于ROFIBUS的FCS系統(tǒng)三層故障診斷的設(shè)計(jì)目標(biāo)。本系統(tǒng)現(xiàn)已在煙廠制絲線實(shí)際工程系統(tǒng)中應(yīng)用，在半年多時(shí)間的運(yùn)行中，共報(bào)告從站設(shè)備故障，以及底層通信電纜故障近50條次，并對主站狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測報(bào)告。這些實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明該系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、功能完善、穩(wěn)定可靠，為工程技術(shù)人員快速排除故障帶來了極大方便，同時(shí)，用于系統(tǒng)維護(hù)成本的降低和停機(jī)時(shí)間的縮短，為用戶間接創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

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TH166

B

1009-0134(2010)11(上)-0024-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(上).08

2010-03-27

鄭州市科技領(lǐng)軍人才項(xiàng)目（096SYJH21098）；河南省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（072102240008）；國家人力資源和社會(huì)保障部（人社廳發(fā)〔2008〕86號）

王永華（1963 -），男，河北武安人，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)集成、信息化工 業(yè)測控電器與系統(tǒng)的研究和應(yīng)用等。