1 引言
冶金工業(yè)是自動化技術和信息技術應用十分廣泛的領域，同時由于冶金工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，具有高溫、電磁噪音強烈、多塵的特點，因此冶金行業(yè)對其控制系統(tǒng)要求較高。隨著現(xiàn)代控制技術和計算機技術的發(fā)展，PLC以其可靠方便，編程簡單，控制靈活等特點在冶金工業(yè)中得到了極為廣泛的應用?，F(xiàn)代3C（computer control communication）技術的迅速發(fā)展，使得現(xiàn)代化的自動化控制的系統(tǒng)結構發(fā)生了變革，逐步形成了以網(wǎng)絡集成自動化系統(tǒng)為基礎的信息控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線技術正是這次技術變革的產(chǎn)物。它使現(xiàn)場各儀表及各控制設備之間構成了網(wǎng)絡互連系統(tǒng)，突破了原先一臺裝置控制一臺控制器的模式，實現(xiàn)了工業(yè)控制系統(tǒng)的分散化、網(wǎng)絡化、智能化和數(shù)字化。PROFIBUS是德國西門子公司提出的一個高層次工業(yè)控制現(xiàn)場總線標準，主要用于控制系統(tǒng)的分布式控制，傳輸速率快，可靠性高，造價低，是目前使用較廣泛和較成熟的一種現(xiàn)場總線技術。
基于以上兩因素，PLC網(wǎng)絡技術的應用日漸普及。但是我們在享受著現(xiàn)代網(wǎng)絡技術帶來方便快捷的同時，由于系統(tǒng)的結構規(guī)模大型化復雜化，故障診斷功能使得故障發(fā)生時快速準確地判斷出網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中故障的具體原因和位置的問題，具有有十分重要的工程意義。
針對鋼鐵企業(yè)的型鋼車間飛剪及冷床設備改造，我們結合現(xiàn)場具體情況，設計了基于PROFIBUS網(wǎng)絡的控制系統(tǒng)。同時，在編制控制程序的過程中，充分利用編程軟件中的故障診斷塊，在原程序中添加了網(wǎng)絡故障診斷語句，以期在滿足生產(chǎn)工藝的基礎上，能及時準確地處理故障。
2 控制系統(tǒng)的構成
2.1 飛剪及冷床控制網(wǎng)絡構成
改造后的飛剪及冷床控制網(wǎng)絡構成、網(wǎng)絡系統(tǒng)圖如附圖所示。
附圖 飛剪及冷床控制網(wǎng)絡結構圖
其中，飛剪控制操作面板選用的是西門子公司的OP27操作面板，上位機選用臺灣研華工控機，采用SIMENSE公司的監(jiān)控軟件WINCC作為應用畫面監(jiān)控程序開發(fā)平臺。主要任務是監(jiān)視和控制整個飛剪及冷床的現(xiàn)場運行狀態(tài)，為飛剪及冷床的生產(chǎn)工藝過程設置參數(shù)提供人機接口。
PLC選用德國西門子公司的S7-300系列PLC，飛剪及冷床共用一塊CPU模塊進行控制，模塊型號為CPU315-2DP，兩塊ET200M分布式I/O模塊分別作為飛剪及冷床操作臺遠程站。
飛剪電機的直流驅(qū)動裝置選用西門子6RA70。在直流驅(qū)動裝置中，加裝了CBP2通訊板，以與PLC構成PROFIBUS-DP網(wǎng)絡通訊。
在PLC與操作控制臺、OP27以及飛剪直流驅(qū)動裝置間，通過雙絞線通訊電纜構成網(wǎng)絡通訊連接，網(wǎng)絡控制協(xié)議采用PROFIBUS-DP，是控制系統(tǒng)的重要組成部分。
在這個PROFIBUS網(wǎng)絡系統(tǒng)中，采用的是單主站（MASTER）、多從站（SLAVE）的通訊方式。單主站為主PLC，從站共4個，包括飛剪操作臺-3#從站（IM153-1）、冷床操作臺-4#從站（IM153-1）、5#從站（OP27）、6#從站飛剪整流柜（MASTERDRIVES）。
2.2 主站和從站的通信
（1）在PROFIBUS-DP網(wǎng)絡通訊中，采用令牌循環(huán)查詢方式，從設備循環(huán)向主設備查詢。
（2）DP單主站和分布式輸入輸出從站的通訊、編程較為簡單。在硬件安裝完成后，只需在PLC硬件配置中為從站的輸入輸出模塊設定地址范圍，即可用常規(guī)方法進行編程。設定地址不可與主站的I/O地址發(fā)生沖突。ET200M屬于模塊化DP從站的典型代表，在S7組態(tài)軟件HEconfig組態(tài)從站時定義其輸入輸出地址。
（3）DP主站與復雜功能的從站的通信。簡單從站一般指帶有某些特定通信模塊，實現(xiàn)單一功能的設備。這里，6RA70直流傳動裝置，由于數(shù)據(jù)通訊量較大，不能用簡單的數(shù)據(jù)結構完成任務。在飛剪電機的直流驅(qū)動裝置中，加裝了CBP2通信模板。DP主站和簡單從站之間可通過PROFIBUS-DP網(wǎng)絡實現(xiàn)快速、精確的通信。直接對雙方進行參數(shù)配置即可實現(xiàn)主從之間的通信，參數(shù)配置簡單且易于實現(xiàn)。在SIMATIC S7中，系統(tǒng)功能SFC14DPRD_DAT和SFC15DPWR_DAT是專為實現(xiàn)此功能設計的。
3 故障診斷程序設計
由于本控制系統(tǒng)模塊較多，布置比較分散，從站與控制柜所在的控制室相距較遠，一旦發(fā)生故障，很不利于排除故障。因此，有必要對PLC網(wǎng)絡進行故障診斷，以判別故障的具體位置和產(chǎn)生原因。
3.1 PLC故障診斷的方法
在由西門子S7-300系列PLC組成的網(wǎng)絡中，當發(fā)生故障時，一是可以利用CPU模板面板上的BUSF故障指示燈進行判斷，當PROFIBUS-DP接口硬件或軟件故障時，對應的BUSF（總線錯誤，紅色）燈亮。PLC操作系統(tǒng)STPE7會自動調(diào)用相應的錯誤處理OB（Organization Block）。因此，在錯誤處理OB中編程可以有效的對網(wǎng)絡故障進行診斷。但有些故障由于PLC模塊診斷能力限制，不能引起操作系統(tǒng)調(diào)用錯誤處理OB的硬件故障，則必須在其它OB（一般是OB1）中編程解決。
3.2 故障概率分析
由于PLC模塊本身可靠性較高，并且其所處控制室內(nèi)環(huán)境良好，溫度適宜，粉塵較少，所以PLC模塊發(fā)生故障的概率很低。故障率較高的部位是現(xiàn)場環(huán)境惡劣（高溫、粉塵多、震動、防護少、冷卻水等）的各類設備與I/O模塊之間的信號連接；其次是所處環(huán)境較為惡劣（經(jīng)過現(xiàn)場），但防護等級較高的PROFIBUS-DP接口硬件。
3.3 錯誤處理OB的具體功能
在本控制系統(tǒng)中，采用的標準CPU型號是CPU315-2DP，包含有以下故障診斷OB：OB40（硬件中斷錯誤）、OB80（時間錯誤處理）、OB81（電源供應錯誤）、OB82（診斷中斷錯誤）、OB85（優(yōu)先級中斷錯誤）、OB86（機架失效錯誤）、OB87（通信錯誤）。在這里，結合現(xiàn)場情況，實際采用的OB是OB80、OB81、0B86。當操作系統(tǒng)調(diào)用上述OB時，同時在OB的臨時變量區(qū)以代碼的形式給出詳細的錯誤信息，錯誤信息代碼及詳細內(nèi)容可以查閱有關資料。通過這些信息可以有針對性的進行故障診斷編程。當出現(xiàn)某種錯誤代碼信息時，即可判定出現(xiàn)了對應的故障和故障位置。
3.4 故障診斷OB的分析
（1）操作系統(tǒng)調(diào)用OB80
OB80是一個時間錯誤處理OB，引起S7-300操作系統(tǒng)調(diào)用OB80的原因一般是軟件故障，主要是程序在執(zhí)行過程中，由于調(diào)用了大量OB從而造成PLC循環(huán)超時。如果OB80沒有被編程，則操作系統(tǒng)將轉(zhuǎn)到“STOP”模式。如果在這種情況下不想讓操作系統(tǒng)轉(zhuǎn)到“STOP”模式，則在程序的恰當點調(diào)用模塊“SFC43 RE_TRIGR”，重新啟動循環(huán)監(jiān)視時間。
（2）操作系統(tǒng)調(diào)用OB81
S7-300操作系統(tǒng)調(diào)用OB81的主要原因是直流24V電源故障或者備份電池失效。在本控制系統(tǒng)中，只有一塊CPU模塊，如果直流24V電源出現(xiàn)故障，則系統(tǒng)將不能正常工作。當系統(tǒng)調(diào)用OB81時，唯一可能的原因只能是備份電池失效。
（3）操作系統(tǒng)調(diào)用OB86
在本控制系統(tǒng)網(wǎng)絡故障診斷程序的編制中，OB86發(fā)揮了較為重要的作用。OB86是機架故障OB，當擴展機架失效、DP主站失效或者分布式I/O系統(tǒng)中某一站點發(fā)生故障時，S7CPU的操作系統(tǒng)作出反應調(diào)用此OB，故障產(chǎn)生和消失時都會產(chǎn)生中斷。如果OB86未被編程，當系統(tǒng)檢測到此類錯誤發(fā)生時，操作系統(tǒng)將自動轉(zhuǎn)入“STOP”模式。在編寫OB86組織塊的程序時，可根據(jù)啟動信息，判斷哪個機架損壞或找不到。可以用系統(tǒng)功能SFC53“WR_USMSG”將報文存入診斷緩沖區(qū)，并將報文發(fā)送到監(jiān)控設備。
對于如附圖所示的PLC網(wǎng)絡，當主站與6#從站間的總線斷開時，所有的4個從站與主站的聯(lián)系全部中斷。因此，在一個PLC循環(huán)中，OB86會被調(diào)用4次。同理，當主站與3#從站間的總線斷開時，在一個PLC循環(huán)中，OB86會被調(diào)用3次。根據(jù)OB86被調(diào)用的次數(shù)，可以確定故障的大致位置。另外，也可能出現(xiàn)兩個或多個從站同時發(fā)生故障的情況，但出現(xiàn)的概率較小。當確定是從站本身故障時（如ET200M掉電，背板總線故障等），由OB86的啟動信息可直接診斷出具體是哪個從站。發(fā)生故障信息時，OB86臨時變量區(qū)的本地變量OB86_FTL_ID存儲的出錯代碼如“C3、C4、C7”的個別位將顯示故障DP的ID，可根據(jù)位的詳細意義進行編程。
（4）幾點說明
如果PLC網(wǎng)絡發(fā)生了使操作系統(tǒng)自動調(diào)用某故障處理OB的故障，而PLC的程序中未下載該OB，則CPU會轉(zhuǎn)入停止狀態(tài)（調(diào)用OB81的故障除外），也就是說，某一從站的故障可能引起整個系統(tǒng)癱瘓。因此，一般應把所有的錯誤處理OB全部下載到程序中，即使不在其中編程。
在PLC控制網(wǎng)絡中，進行故障診斷不僅有必要，而且是可行的。由于錯誤處理OB只在PLC發(fā)生故障時才會被調(diào)用，所以在正常運行中，對PLC的運行效率基本上是沒有影響的。
4 結束語
系統(tǒng)投入運行以來，使用效果良好。實踐證明，將現(xiàn)場總線引入控制系統(tǒng)，不僅使安裝、調(diào)試、維護更加容易，而且通過故障診斷技術提高了系統(tǒng)可靠性。網(wǎng)絡技術在控制系統(tǒng)中的應用，是一種較為新穎的控制技術，如何在工業(yè)現(xiàn)場中合理運用，使其發(fā)揮應有的作用，仍然是今后我們不斷研究的課題。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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