發布日期：2022-04-18 點擊率：58
1 引言
冶金工業是自動化技術和信息技術應用十分廣泛的領域，同時由于冶金工業生產現場環境惡劣，具有高溫、電磁噪音強烈、多塵的特點，因此冶金行業對其控制系統要求較高。隨著現代控制技術和計算機技術的發展，PLC以其可靠方便，編程簡單，控制靈活等特點在冶金工業中得到了極為廣泛的應用。現代3C（computer control communication）技術的迅速發展，使得現代化的自動化控制的系統結構發生了變革，逐步形成了以網絡集成自動化系統為基礎的信息控制系統。現場總線技術正是這次技術變革的產物。它使現場各儀表及各控制設備之間構成了網絡互連系統，突破了原先一臺裝置控制一臺控制器的模式，實現了工業控制系統的分散化、網絡化、智能化和數字化。PROFIBUS是德國西門子公司提出的一個高層次工業控制現場總線標準，主要用于控制系統的分布式控制，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場總線技術。
基于以上兩因素，PLC網絡技術的應用日漸普及。但是我們在享受著現代網絡技術帶來方便快捷的同時，由于系統的結構規模大型化復雜化，故障診斷功能使得故障發生時快速準確地判斷出網絡控制系統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。
針對鋼鐵企業的型鋼車間飛剪及冷床設備改造，我們結合現場具體情況，設計了基于PROFIBUS網絡的控制系統。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絡故障診斷語句，以期在滿足生產工藝的基礎上，能及時準確地處理故障。
2 控制系統的構成
2.1 飛剪及冷床控制網絡構成
改造后的飛剪及冷床控制網絡構成、網絡系統圖如附圖所示。
附圖 飛剪及冷床控制網絡結構圖
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公司的監控軟件WINCC作為應用畫面監控程序開發平臺。主要任務是監視和控制整個飛剪及冷床的現場運行狀態，為飛剪及冷床的生產工藝過程設置參數提供人機接口。
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。
飛剪電機的直流驅動裝置選用西門子6RA70。在直流驅動裝置中，加裝了CBP2通訊板，以與PLC構成PROFIBUS-DP網絡通訊。
在PLC與操作控制臺、OP27以及飛剪直流驅動裝置間，通過雙絞線通訊電纜構成網絡通訊連接，網絡控制協議采用PROFIBUS-DP，是控制系統的重要組成部分。
在這個PROFIBUS網絡系統中，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網絡通訊中，采用令牌循環查詢方式，從設備循環向主設備查詢。
（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，即可用常規方法進行編程。設定地址不可與主站的I/O地址發生沖突。ET200M屬于模塊化DP從站的典型代表，在S7組態軟件HEconfig組態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，實現單一功能的設備。這里，6RA70直流傳動裝置，由于數據通訊量較大，不能用簡單的數據結構完成任務。在飛剪電機的直流驅動裝置中，加裝了CBP2通信模板。DP主站和簡單從站之間可通過PROFIBUS-DP網絡實現快速、精確的通信。直接對雙方進行參數配置即可實現主從之間的通信，參數配置簡單且易于實現。在SIMATIC S7中，系統功能SFC14DPRD_DAT和SFC15DPWR_DAT是專為實現此功能設計的。
3 故障診斷程序設計
由于本控制系統模塊較多，布置比較分散，從站與控制柜所在的控制室相距較遠，一旦發生故障，很不利于排除故障。因此，有必要對PLC網絡進行故障診斷，以判別故障的具體位置和產生原因。
3.1 PLC故障診斷的方法
在由西門子S7-300系列PLC組成的網絡中，當發生故障時，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STPE7會自動調用相應的錯誤處理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，不能引起操作系統調用錯誤處理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環境良好，溫度適宜，粉塵較少，所以PLC模塊發生故障的概率很低。故障率較高的部位是現場環境惡劣（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；其次是所處環境較為惡劣（經過現場），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（優先級中斷錯誤）、OB86（機架失效錯誤）、OB87（通信錯誤）。在這里，結合現場情況，實際采用的OB是OB80、OB81、0B86。當操作系統調用上述OB時，同時在OB的臨時變量區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。當出現某種錯誤代碼信息時，即可判定出現了對應的故障和故障位置。
3.4 故障診斷OB的分析
（1）操作系統調用OB80
OB80是一個時間錯誤處理OB，引起S7-300操作系統調用OB80的原因一般是軟件故障，主要是程序在執行過程中，由于調用了大量OB從而造成PLC循環超時。如果OB80沒有被編程，則操作系統將轉到“STOP”模式。如果在這種情況下不想讓操作系統轉到“STOP”模式，則在程序的恰當點調用模塊“SFC43 RE_TRIGR”，重新啟動循環監視時間。
（2）操作系統調用OB81
S7-300操作系統調用OB81的主要原因是直流24V電源故障或者備份電池失效。在本控制系統中，只有一塊CPU模塊，如果直流24V電源出現故障，則系統將不能正常工作。當系統調用OB81時，唯一可能的原因只能是備份電池失效。
（3）操作系統調用OB86
在本控制系統網絡故障診斷程序的編制中，OB86發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系統中某一站點發生故障時，S7CPU的操作系統作出反應調用此OB，故障產生和消失時都會產生中斷。如果OB86未被編程，當系統檢測到此類錯誤發生時，操作系統將自動轉入“STOP”模式。在編寫OB86組織塊的程序時，可根據啟動信息，判斷哪個機架損壞或找不到。可以用系統功能SFC53“WR_USMSG”將報文存入診斷緩沖區，并將報文發送到監控設備。
對于如附圖所示的PLC網絡，當主站與6#從站間的總線斷開時，所有的4個從站與主站的聯系全部中斷。因此，在一個PLC循環中，OB86會被調用4次。同理，當主站與3#從站間的總線斷開時，在一個PLC循環中，OB86會被調用3次。根據OB86被調用的次數，可以確定故障的大致位置。另外，也可能出現兩個或多個從站同時發生故障的情況，但出現的概率較小。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。發生故障信息時，OB86臨時變量區的本地變量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，可根據位的詳細意義進行編程。
（4）幾點說明
如果PLC網絡發生了使操作系統自動調用某故障處理OB的故障，而PLC的程序中未下載該OB，則CPU會轉入停止狀態（調用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發生故障時才會被調用，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
系統投入運行以來，使用效果良好。實踐證明，將現場總線引入控制系統，不僅使安裝、調試、維護更加容易，而且通過故障診斷技術提高了系統可靠性。網絡技術在控制系統中的應用，是一種較為新穎的控制技術，如何在工業現場中合理運用，使其發揮應有的作用，仍然是今后我們不斷研究的課題。
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