王永華，李 娜，閻佩獻

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

（鄭州輕工業(yè)學院 河南省信息化電器重點實驗室，鄭州 450002）

基于工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS的FCS實時在線故障診斷系統(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

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

（鄭州輕工業(yè)學院 河南省信息化電器重點實驗室，鄭州 450002）

現(xiàn)場總線技術日益成為工業(yè)自動化應用領域的支柱技術，基于現(xiàn)場總線技術的控制系統(tǒng)(FCS)越來越多，分析研究FCS的各種故障信息，設計開發(fā)有效的工程診斷工具，對保證FCS的穩(wěn)定運行和縮短系統(tǒng)維護時間有很大幫助。現(xiàn)有的診斷工具存在著一些難以克服的缺點，比如僅適用于單一網(wǎng)絡、離線診斷或只對物理層進行診斷等?；趹米顝V泛的PROFIBUS作為研究對象，設計開發(fā)了一套適用于各種系統(tǒng)規(guī)模、全實時在線的FCS診斷系統(tǒng)。實驗室平臺測試和實際應用結果表明，該系統(tǒng)達到了實時、快速、準確地報告FCS各種故障和系統(tǒng)狀態(tài)的設計目標。

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

0 引言

在十多年的開發(fā)和應用實踐過程中，PROFIBUS以其技術的成熟性、完整性和應用的可靠性等多方面的優(yōu)秀表現(xiàn)，在現(xiàn)場總線技術領域中成為國際市場上的領導者，PROFIBUS是目前唯一能夠全面覆蓋工廠自動化和過程自動化應用領域的現(xiàn)場總線?；赑ROFIBUS的FCS網(wǎng)絡結構是：底層由一個或多個PROFIBUS總線網(wǎng)絡和其他子網(wǎng)組成，用來完成底層的控制和數(shù)據(jù)采集等任務；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)結構圖。

現(xiàn)場總線的I/O從站一般離控制室較遠，而且比較分散，加上現(xiàn)場環(huán)境復雜，一旦發(fā)生故障，使用現(xiàn)有的診斷工具進行故障位置判斷、準確找出故障原因會需要較長時間，這對正常生產有很大影響。因此設計實時在線的故障診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)在控制室實時顯示故障狀態(tài)，并準確定位故障位置，將會大大縮短檢修時間，減少維護費用，提高系統(tǒng)運行效率。

圖1 典型FCS系統(tǒng)結構圖

現(xiàn)有PROFIBUS診斷工具有較大的缺陷，一是非實時在線系統(tǒng)，只能進行短時在線的報文采集和分析工作；二是適用性差，只能對單一的網(wǎng)絡進行診斷，而不能對大中型的FCS進行診斷；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進行深入分析研究的基礎上，我們設計開發(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)絡中掛接診斷中繼器，它在控制層與重要現(xiàn)場設備層之間作為執(zhí)行診斷的第二個層次，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，下位機通過調用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)表的標識符為W#16#0019；獲取CPU診斷緩沖區(qū)診斷信息，標示符為W#16#00A0。將這些診斷數(shù)據(jù)有規(guī)律地存放在對應的數(shù)據(jù)塊中，建立診斷數(shù)據(jù)塊，通過上位機軟件分析診斷數(shù)據(jù)的結構及其意義，并表征出來。

1.3 從站診斷

1.3.1 與從站診斷有關的中斷組織塊

當DP從站出現(xiàn)部分節(jié)點故障、信號模塊導線斷開、I/O通道的短路或過載、模擬量模塊的電源故障等故障時，CPU的操作系統(tǒng)將在故障產生和消失時，分別調用一次診斷中斷組織塊OB82；當機架、DP主站系統(tǒng)或分布式I/O由于掉電、總線導線斷開、I/O系統(tǒng)等原因發(fā)生故障時，CPU的操作系統(tǒng)將在故障出現(xiàn)和消失時，分別調用一次機架故障或分布式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CPU不能識別的I/O地址，那么CPU的操作系統(tǒng)將在每一個掃描周期調用一次OB122。下位機程序把每個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驅動中斷功能塊，可在OB1、OB82、OB86中直接調用，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 診斷報文

PROFIBUS提供了一個方便的、功能強大的診斷信息報文，不但在上電起始階段主站會自動進行診斷請求，而且每當從站出現(xiàn)異常時，任何一個主站都可以向任何一個從站發(fā)送診斷請求，故障從站向主站發(fā)送診斷響應報文。上位機通過分析診斷報文，就可以對故障從站的故障狀態(tài)進行深入分析。

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)絡中掛接診斷中繼器，作為從站在設備運行期間提供來自PROFIBUS底層的診斷數(shù)據(jù)，并與主站交換診斷信息。下位機軟件把診斷數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)塊；而上位機則主要通過組態(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、單個總線網(wǎng)段中有兩個或更多的診斷回路、總線網(wǎng)段中有太多的節(jié)點、節(jié)點距離診斷中繼器太遠等故障原因及準確位置。

2 診斷系統(tǒng)設計

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)兩部分構成，硬件系統(tǒng)由基于工業(yè)以太網(wǎng)的多個PROFIBUS網(wǎng)絡組成。目前國內大中型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。鑒于PROFIBUS與WinCC良好的融合性，上位機軟件選用西門子組態(tài)軟件WinCC作為設計平臺。診斷系統(tǒng)故障診斷流程圖如圖2所示。

2.1 下位機軟件數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在控制系統(tǒng)硬件的基礎上，對系統(tǒng)穩(wěn)定運行影響比較大的網(wǎng)段掛接診斷中繼器，以完成對該網(wǎng)段的底層故障的準確定位。參照診斷層次的劃分，下位機軟件系統(tǒng)主要負責對診斷數(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 上位機軟件組態(tài)畫面設計

上位機軟件主要是編寫后臺數(shù)據(jù)處理程序，實現(xiàn)對診斷數(shù)據(jù)的分析處理，并在組態(tài)畫面上準確、有效、形象的顯示診斷結果，在完成直觀畫面顯示的同時又能實現(xiàn)系統(tǒng)的所有功能。整個上位機軟件結構如圖3所示。

圖3 上位機軟件系統(tǒng)結構圖

2.3 上位機軟件數(shù)據(jù)表征方法

上位機軟件系統(tǒng)需要編寫有效的判斷程序和設計豐富的診斷畫面，才能對海量的診斷數(shù)據(jù)進行形象化的顯示，因此就需要研究一套診斷數(shù)據(jù)的表征方法，其實現(xiàn)過程的關鍵環(huán)節(jié)大致分為變量賦值和畫面設計兩部分。

變量賦值表征方法關鍵點：首先是創(chuàng)建結構類型的變量，避免由于重復性的變量連接，而極大降低系統(tǒng)開發(fā)設計后程序的運行效率；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指示燈的第一個字的判斷數(shù)據(jù)。三是編寫高效的VBS腳本程序，實現(xiàn)外部變量到內部變量的賦值，把大量診斷數(shù)據(jù)緩存以避免數(shù)據(jù)丟失，并能適應畫面處理速度的需要，同時循環(huán)執(zhí)行函數(shù)的賦值語句，使內部變量實時刷新顯示外部的變量值。故障從站詳細診斷數(shù)據(jù)賦值內部變量的實例如圖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的內部變量。例如6號主站帶的72號從站故障類型判斷結果，會保存在M6S72.ERROR_TYPE內部變量。

圖4 從站詳細診斷信息變量賦值舉例

畫面設計表征方法關鍵點：畫面設計主要是針對數(shù)據(jù)表征需要，對圖標顏色變化、閃爍頻率變化、數(shù)據(jù)與文字顯示組合等信息進行充分的綜合運用，同時運用恰當?shù)腜hotoshop位圖，以使畫面美觀。

3 實驗室測試平臺搭建及測試結果分析

圖5 重要網(wǎng)段硬件結構示意圖

搭建平臺簡介：河南省信息化電器重點實驗室工業(yè)控制網(wǎng)絡實驗室擁有自主研發(fā)的工業(yè)控制網(wǎng)絡實驗平臺，實驗室的八套試驗臺構成工業(yè)以太網(wǎng)絡，每臺均采用西門子的大中型PLC S7-300作為系統(tǒng)的主站，從站設備選用不同廠家的產品。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)段硬件結構示意圖如圖4所示。

測試過程：1）確定實驗對象，為了試驗方便，本測試系統(tǒng)選用實驗室八套試驗臺中的兩臺組成工業(yè)以太網(wǎng)絡，先對兩個實驗臺進行組態(tài)并測試，其中6號主站的DP網(wǎng)絡組態(tài)有診斷中繼器。2）人為制造錯誤，試驗臺6從站62去掉終端模塊。

調試結果分析：系統(tǒng)診斷測試，實驗中系統(tǒng)診斷畫面顯示主站6有故障、故障從站個數(shù)2、各個指示燈狀態(tài)與實際主站控制器上顯示結果完全一致；診斷緩沖區(qū)顯示系統(tǒng)調用OB86時間、錯誤從站號、故障優(yōu)先級等詳細信息，并將其保存到歷史數(shù)據(jù)庫中。

從站診斷測試：實驗中從站詳細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文字描述及診斷報文；10號從站是診斷中繼器模塊，用方框藍色閃爍表示雖然模塊本身正常，但受到影響，同時也有詳細的文字描述及診斷報文顯示。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，通過計算診斷中繼器發(fā)出信號的傳輸時間得到距離的值。信號經(jīng)過每個PROFIBUS連接器時，由于阻抗的存在，時間將被延長，即每個站將增加約0.7m的距離，會包括在總長度內。上位機系統(tǒng)采用優(yōu)化的冒泡排序法編寫底層數(shù)據(jù)處理程序，確定每個從站具體物理位置，最終消除0.7m的誤差。

6號主站拓撲信息診斷實驗中，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，與實際測量相差0.1m左右，同時顯示故障點距離診斷中繼器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撲結構圖。

4 結束語

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

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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

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

王永華（1963 -），男，河北武安人，教授，碩士生導師，研究方向為先進工業(yè)自動化技術集成、信息化工 業(yè)測控電器與系統(tǒng)的研究和應用等。