基于工业以太网和PROFIBUS的FCS实时在线故障诊断系统

0 引言

    在十多年的开发和应用实践过程中，PROFIBUS以其技术的成熟性、完整性和应用的可靠性等多方面的优秀表现，在现场总线技术领域中成为国际市场上的领导者，PROFIBUS是目前唯一能够全面覆盖工厂自动化和过程自动化应用领域的现场总线。基于PROFIBUS的FCS网络结构是：底层由一个或多个PROFIBUS总线网络和其他子网组成，用来完成底层的控制和数据采集等任务；上层由工业以太网组成，完成对底层数据的整合和处理。图1为典型的FCS系统结构图。

    现场总线的I／O从站一般离控制室较远，而且比较分散，加上现场环境复杂，一旦发生故障，使用现有的诊断工具进行故障位置判断、准确找出故障原因会需要较长时间，这对正常生产有很大影响。因此设计实时在线的故障诊断系统，实现在控制室实时显示故障状态，并准确定位故障位置，将会大大缩短检修时间，减少维护费用，提高系统运行效率。

图1 典型FCS系统结构图

    现有PROFIBUS诊断工具有较大的缺陷，一是非实时在线系统，只能进行短时在线的报文采集和分析工作；二是适用性差，只能对单一的网络进行诊断，而不能对大中型的FCS进行诊断；三是诊断范围小，不能全面诊断FCS各层次的状态和故障：四是诊断系统智能化程度不高，使用不方便。国内外诊断工具研究现状比较如表一所示。针对上述不足，在对PROFmUS进行深入分析研究的基础上，我们设计开发出了一套全新的基于工业以太网和PROFIBUS的FCS故障诊断系统。

1 PROFIBUS诊断层次划分与分析

1.1 诊断层次划分

表1 国内外诊断工具研究现状比较表

    本系统把在监控层和控制层之间的PLC主站作为执行诊断的第一个层次，本层次主要提供系统诊断和从站诊断数据；在底层网络中挂接诊断中继器，它在控制层与重要现场设备层之间作为执行诊断的第二个层次，本层次主要提供底层诊断数据。

1.2 系统诊断

    PROFIBUS系统诊断主要用以完成对FCS控制层各主站的全面诊断，下位机通过调用SFC51“RDSYSST”读取局部系统状态表(System Status List)得到系统诊断数据，获取CPU指示灯状态，局部系统状态表的标识符为W#16#0019；获取CPU诊断缓冲区诊断信息，标示符为W#16#OOA0。将这些诊断数据有规律地存放在对应的数据块中，建立诊断数据块，通过上位机软件分析诊断数据的结构及其意义，并表征出来。[page]

1.3 从站诊断

    1.3.1 与从站诊断有关的中断组织块

    当DP从站出现部分节点故障、信号模块导线断开、I／O通道的短路或过载、模拟量模块的电源故障等故障时，CPU的操作系统将在故障产生和消失时，分别调用一次诊断中断组织块OB82；当机架、DP主站系统或分布式I/O由于掉电、总线导线断开、I/O系统等原因发生故障时，CPU的操作系统将在故障出现和消失时，分别调用一次机架故障或分布式I／O的站故障中断组织块OB86；如果I／O访问错误中断，如CPU访问有故障的I／O模块、不存在的或有故障的DP从站的PI／PQ输入输出数据，或访问了一个CPU不能识别的I／O地址，那么CPU的操作系统将在每一个扫描周期调用一次OB122。下位机程序把每个中断组织块局部变量中的诊断数据存储到数据块，为上位机软件从站诊断提供诊断数据。

   1.3.2 FBl25诊断功能块

    FB125功能块是西门子公司提供的一个驱动中断功能块，可在OB1、OB82、OB86中直接调用，并存储诊断数据信息。诊断数据块中包含所有站的诊断信息，通过上位机分析可得到从站的组态、从站丢失等故障信息，以及故障从站的诊断报文，部分模块还可以得到故障通道的具体诊断信息。

    1.3.3 诊断报文

    PROFIBUS提供了一个方便的、功能强大的诊断信息报文，不但在上电起始阶段主站会自动进行诊断请求，而且每当从站出现异常时，任何一个主站都可以向任何一个从站发送诊断请求，故障从站向主站发送诊断响应报文。上位机通过分析诊断报文，就可以对故障从站的故障状态进行深入分析。

1.4 底层诊断

    底层诊断主要完成对现场通信总线所引起故障的诊断。在底层网络中挂接诊断中继器，作为从站在设备运行期间提供来自PROFIBUS底层的诊断数据，并与主站交换诊断信息。下位机软件把诊断数据存储到数据块；而上位机则主要通过组态形象的诊断画面，表征出电缆破裂、电路短路、终端电阻丢失、单个总线网段中有两个或更多的诊断回路、总线网段中有太多的节点、节点距离诊断中继器太远等故障原因及准确位置。

图2 诊断系统故障诊断流程图

    系统主要由硬件系统和软件系统两部分构成，硬件系统由基于工业以太网的多个PROFIBUS网络组成。目前国内大中型PROFIBUS系统主要采用西门子公司的大中型PLC作为系统主站，所以下位机软件采用西门子公司的STEP7，完成底层硬件组态及数据采集的任务。鉴于PROFIBUS与WinCC良好的融合性，上位机软件选用西门子组态软件WinCC作为设计平台。诊断系统故障诊断流程图如图2所示。

2.1 下位机软件数据采集系统

    在控制系统硬件的基础上，对系统稳定运行影响比较大的网段挂接诊断中继器，以完成对该网段的底层故障的准确定位。参照诊断层次的划分，下位机软件系统主要负责对诊断数据的采集、判断、整合和存储，并把诊断数据存储到定义好的DB块。

2.2 上位机软件组态画面设计

    上位机软件主要是编写后台数据处理程序，实现对诊断数据的分析处理，并在组态画面上准确、有效、形象的显示诊断结果，在完成直观画面显示的同时又能实现系统的所有功能。整个上位机软件结构如图3所示。

图3 上位机软件系统结构图

2.3 上位机软件数据表征方法

    上位机软件系统需要编写有效的判断程序和设计丰富的诊断画面，才能对海量的诊断数据进行形象化的显示，因此就需要研究一套诊断数据的表征方法，其实现过程的关键环节大致分为变量赋值和画面设计两部分。

    变量赋值表征方法关键点：首先是创建结构类型的变量，避免由于重复性的变量连接，而极大降低系统开发设计后程序的运行效率；二是把诊断数据命名为有具体意义的变量名称，例如：LED_run_1，代表模块RUN指示灯的第一个字的判断数据。三是编写高效的VBS脚本程序，实现外部变量到内部变量的赋值，把大量诊断数据缓存以避免数据丢失，并能适应画面处理速度的需要，同时循环执行函数的赋值语句，使内部变量实时刷新显示外部的变量值。故障从站详细诊断数据赋值内部变量的实例如图4所示，通过程序判断诊断数据，确定主站地址和从站地址，再把具体的诊断信息保存到相应的内部变量。例如6号主站带的72号从站故障类型判断结果，会保存在M6S72．ERROR_TYPE内部变量。

图4 从站详细诊断信息变量赋值举例

    画面设计表征方法关键点：画面设计主要是针对数据表征需要，对图标颜色变化、闪烁频率变化、数据与文字显示组合等信息进行充分的综合运用，同时运用恰当的Photoshop位图，以使画面美观。[page]

图5 重要网段硬件结构示意图

    搭建平台简介：河南省信息化电器重点实验室工业控制网络实验室拥有自主开发的工业控制网络实验平台，实验室的八套试验台构成工业以太网络，每台均采用西门子的大中型PLC S7300作为系统的主站，从站设备选用不同厂家的产品。其中包括诊断中继器，S7200+EM277、ET200M、ET200L，以及BECKHOFF公司的BK3120，WAGO公司的750-333、750-833和752-323等从站。挂接诊断中继器的网段硬件结构示意图如图4所示。

    测试过程：1)确定实验对象，为了试验方便，本测试系统选用实验室八套试验台中的两台组成工业以太网络，先对两个实验台进行组态并测试，其中6号主站的DP网络组态有诊断中继器。2)人为制造错误，试验台6从站62去掉终端模块。

    调试结果分析：系统诊断测试，实验中系统诊断画面显示主站6有故障、故障从站个数2、各个指示灯状态与实际主站控制器上显示结果完全一致；诊断缓冲区显示系统调用OB86时间、错误从站号、故障优先级等详细信息，并将其保存到历史数据库中。

    从站诊断测试：实验中从站详细诊断信息显示故障从站62方框字体变红色、方框闪烁，代表62号从站有故障，并显示62号从站故障信息的详细文字描述及诊断报文；10号从站是诊断中继器模块，用方框蓝色闪烁表示虽然模块本身正常，但受到影响，同时也有详细的文字描述及诊断报文显示。诊断系统主站组态画面如图6所示。

图6 诊断系统主站组态四面

    底层诊断测试：诊断中继器利用“反射检测”的方法来测量距离，通过计算诊断中继器发出信号的传输时间得到距离的值。信号经过每个PROHBUS连接器时，由于阻抗的存在，时间将被延长，即每个站将增加约0.7m的距离，会包括在总长度内。上位机系统采用优化的冒泡排序法编写底层数据处理程序，确定每个从站具体物理位置，最终消除0.7m的误差。

    6号主站拓扑信息诊断实验中，测得从站距离诊断中继器距离分别为2.4m、3.3m、3.8m、2.4m、5.3m，与实际测量相差0.1m左右，同时显示故障点距离诊断中继器5.3m，并指示故障就在62号从站上，反射故障率为100％，说明62号从站A／B线没有终端电阻。画面中还可形象地显示拓扑结构图。

4 结束语

    我们研发的基于工业以太网和PROFIBUS的FCS实时在线故障诊断系统完全实时在线地与FCS控制系统并行工作，诊断层次深，适用范围广。下位机完成诊断数据采集的任务，上位机完成数据显示和处理的任务，达到了对整个基于ROFIBUS的FCS系统三层故障诊断的设计目标。本系统现巳在烟厂制丝线实际工程系统中应用，在半年多时间的运行中，共报告从站设备故障，以及底层通信电缆故障近50条次，并对主站状态进行连续监测报告。这些实际运行结果表明该系统技术先进、功能完善、稳定可靠，为工程技术人员快速排除故障带来了极大方便，同时，用于系统维护成本的降低和停机时间的缩短，为用户间接创造了可观的经济效益。