基于PROFIBUS的系统诊断技术

    价值工程推动诊断技术的发展

 
图1  自动化系统的生命周期

    从这张图表上来看，如果我们用价值工程学的方法来评估一个自动化系统的生命周期，我们可以把其分为设备安装阶段、系统调试阶段、设备投产运行阶段以及老化维修阶段。一般意义上讲，最终用户和业主只能在设备投入生产运行以后才能从自动化系统中获得收益，而用户的投资则在安装的初期为最大，随着设备采购数量的减小而减小。在进入系统调试阶段以后，主要的费用为调试工程技术人员和生产时间的占用。其中调试周期越长，则生产投运就越晚，带来的损失和投入就越大。而进入设备老化和维护阶段费用又有所上升，这主要是由于产品的老化和配件的支出。我们期待着使用全集成自动化技术特别是SIMATIC的基于PROFIBUS 的系统诊断技术，为用户和业主在安装阶段、调试阶段以及设备老化阶段创造更多的利润和效益。从设备安装阶段来看，如果能够有效的缩短安装周期，提高安装质量，最多可以减少8%左右的安装费用。进入调试阶段如果能够有效的加快调试进度通常可以缩短整个工期的10%，也就意味着生产可以提前进行。当然，在设备投入生产运行阶段减少停机时间是用户特别是一线维修维护人员最关心的问题。进入老化维修阶段以后，我们的目标是硬件故障可以在5分钟之内排除，这样就可以大大的减小现场维护的工作量，提高自动化系统的生产效率。

    诊断技术必须为项目生命周期全过程服务

 
图2  诊断环节示例

    SIMATIC 的基于PROFIBUS的诊断技术能够优化自动化系统的价值工程，它可以为整个项目的生命周期提供支持。从设备的安装，系统的调试以及系统运行和维护阶段，系统诊断技术可以为安装工程师、调试工程师提供丰富详细的系统诊断信息；可以对设备操作员、一线电器维护人员以及生产设备的管控人员提供精确详细的设备诊断信息。并且，由于全集成自动化的特点，这些诊断信息可以非常轻松的以图形化的方式有效的、迅速的显示在人机界面上。

    我们知道PROFIBUS是一套低电压、高频的时差分信号系统。因此，通讯电缆的连接质量和信号品质就显得尤为重要。据我们的经验，95%的系统安装错误和通讯问题都是由通讯电缆连接不当造成的。因此，西门子公司提供了一整套快速有效的连接方案。其中包括特殊设计的快速连接电缆，快速连接接头，以及快速剥线工具。在这张图上我们可以看到，根据选定的快速连接接头的型号，我们可以非常容易的在剥线工具上测量出需要剥线的长度，然后由于剥线工具当中内置的多层刀片可以非常精确的将保护层、屏敝层和支持层的电缆一次剥去，通过这种方式，可以杜绝由于屏敝层的长度不足或者通讯线过长引起的电磁兼容性问题。

    在调试阶段最主要的工作就是如何迅速有效的优化现场设备之间的通讯关系，排除错误源。

    手持式总线物理测试仪BT200是专门针对PROFIBUS现场连接质量的评估而设计的。BT200的设计对象是现场的电器施工人员。因此，通过简单的 LED显示和清晰明了的按扭设计一般的电器人员不需要非常专业的PROFIBUS通讯和网络知识背景就可以能够独立的对现场网络的连接质量进行评估和检查，通过离线模式将检测的结果传输到计算机上。BT200手持式总线物理测试仪能够非常简单的完成对于总线电缆的断线故障、短路故障、电压波动进行检查，同时通过定位电缆反射的技术可以判定电缆的长度，这样，就能够解决大多数现场连接的错误。对于连接到PROFIBUS总线上的单个设备，测试仪也能够对它们的PROFIBUS接口电路进行测试。在测试仪内部，已经集成了RS485驱动器，内置了5伏电压和RTS信号。手持式总线物理测试仪可以自动侦测所有现场可访问站点，并生成活动站列表。目前，测试仪支持多种语言版本。

    所有的检测结果都可以非常轻松的通过点对点电缆传输到PC机上，BT200附带的专用软件包可以有效的对数据进行分析和处理。

    测试报告可以包括系统总缆单个通讯结点的测试结果以及电缆连接品质报告。这些报告可以作为工程验收和质量控制的技术依据。

    除了手持式的测试仪我们还可以利用STEP7集成的诊断功能对项目进行分析。首先，我们可以通过STEP7上载当前的总线配置，它的工作过程是这样的：STEP7自动侦测连接到PROFIBUS上的所有可访问站点，然后确认每一个活动站的状态，读取活动站的实际组态信息。这些信息被存储在STEP7 的缓存区里，工程师可以通过连接在线的方式对所有的信息进行访问。由于不需要启动PROFIBUS主站就可以完成上述工作，因此工程师可以有选择的对整个项目的各个工艺段和自动化系统进行诊断。
 

    STEP7还可以对PROFIBUS主站的诊断缓存区进行访问。由于每一个连接在现场的设备都会发送相应的诊断报文到PROFIBUS主站，因此，在缓存区内工程师可以发现所有想了解的诊断事件的详细内容。这些诊断事件被分成两大类，一大类是由于现场的信号储发的外部事件，另一大类是由系统内储发的内部事件。所有的事件都附带有时间标签（包括月、日、年、小时、分钟、秒和毫秒）每一个诊断事件都包含了一定长度的详细信息描述，因此，工程师可以准确的通过时间来分析诊断事件发生的原因、位置并制定出相应的对策。用户还可以自己定义一些用户事件，在某些条件满足的时候，发送诊断报文到PROFIBUS主站。[page]

　　通过STEP7这样的工程软件，工程师可以非常容易的完成项目的调试，那么在设备的运行阶段对于最终用户和一线的操作维护人员，系统诊断功能主要要满足迅速定位故障，减小停机时间。

　　高级诊断功能的需求催生专业的现场总线诊断设备

　　最新开发的带有诊断功能的中继器可以对整个生产自动化系统进行连续不间断的专家级诊断。标准中继器的功能主要是为了解决信号在远距离传输过程中引起的衰减和延迟问题，标准中继器可以有效的对信号进行放大和再生处理，从而扩展网络的规模、保证良好的通讯质量。带有诊断功能的中继器集成了标准中继器的所有功能，同时具备了强大的诊断功能。在系统配置当中诊断中继器作为一个单独的从站出现。在STEP7和其他标准PROFIBUS网络的配置工具当中都可以轻松的组态这个设备。那么，诊断中继器到底有哪些功能呢？

 
图3  诊断示例

　　诊断中继器可以实施专家级诊断的功能。比如，PROFIBUS网段的名称解析，系统故障定位，站点之间的距离测量以及生成详细的故障类型报告（比如传感器断线和短路）。

　　诊断中继器对于PROFIBUS网络的诊断首先从系统总线的拓扑逻辑侦测开始。通过调用SFC103诊断中继器可以轻松的获得所有网络的实际拓扑结构和当前可访问站的列表。由于集成了3个PROFIBUS接口，因此中继器可以实现PROFIBUS主站的单侧连接以及连接两个子网。在诊断中继器的内部集成了两个测量系统来完成电缆的反射计算从而有效的提高了测量精度和可靠性。集成普通中继器的功能可连接最多62个PROFIBUS站点。自适应网络的通讯速率最高可达12兆/秒。最多在一个系统中可以部署9个级联的中继器。

　　诊断中继器对于PROFIBUS网络的诊断甚至可以通过图形化的方式来实现。通过在线连接方式工程师可以任意一个连接网段进行访问。诊断中继器可以以图形化的方式显示故障的具体位置，比如在节点X和Y之间，并且可以计算出具体的位置（精确到米）。同时诊断中继器还可以报告可能引发故障的原因，并给出技术建议。诊断中继器还可以用图形化的方式显示出当前PROFIBUS网络的拓扑逻辑，检测的结果可以显示在STEP7中或者存储到用户的数据区内。在诊断中继器的内部同样集成了诊断缓存区。对于每一个连接的网段它都可以存储最后 10个发生的诊断事件，并且对于每一个诊断事件都提供了基于时间戳的详细信息和图形化的显示方式。

 
图4  诊断结果示例

　　诊断中继器还可以生成一份基于时间轴的通讯质量的评估报告。我们可以看到由于诊断中继器内部内置了示波器功能因此在横轴上是基于时间的标记，在纵轴上显示的是当前网络内发生的通讯冲突和通讯错误的数量。所以我们可以非常容易的通过这张图表来判定当前网络的运行状态和质量并且由此发现引起网络通讯质量下降的原因并有效的改善。这一统计学结果可以作为工程验收质量控制和系统评估的技术依据。

　　现场诊断信息的显示

　　对于一线的操作人员和维护人员而言，直观、迅速、清晰的显示是他们对系统诊断的主要要求。在全集成自动化的框架内系统内所有的活动站都会定期的发送诊断报文到 PROFIBUS主站，而PROFIBUS主站也会自动的和定期的将诊断报文传输到人机界面系统。因此，工程师们无需对这个过程进行干预和编程就可以在人机界面上得到详细和清晰的信息。

　　在STEP7中由于在控制系统内的变量定义和标签与人机界面系统当中的变量定义和标签完全一致并且共享统一的数据库。因此，用户不需要对信息在自动化控制层和人机界面层传输进行干预和编程。简单说这一过程是自动触发并且由全集成自动化的框架来实现。

　　在全集成自动化的人机界面端，用户可以免费得到一个预先定义并设计好了的诊断画面。在这个诊断画面上通过PLC自动完成诊断数据包功能调用（FB125），现场人员可以直接看到整个自动化系统的诊断画面。并且可以有选择的访问单个结点。在单站浏览的界面当中系统会报告结点的状态、隶属关系、发生故障的槽位以及通道号甚至可以清晰的指明由于外部接线和传感器引起的故障信息和类型。

 
图5  诊断画面结果示例

　　诊断技术的推广和应用

　　诊断技术的大面积推广必将带动自动化技术总体水平的提高，在未来的一段时间内将成为市场的新热点。