1 引言
冶金工業(yè)是自動(dòng)化技術(shù)和信息技術(shù)應(yīng)用十分廣泛的領(lǐng)域，同時(shí)由于冶金工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，具有高溫、電磁噪音強(qiáng)烈、多塵的特點(diǎn)，因此冶金行業(yè)對(duì)其控制系統(tǒng)要求較高。隨著現(xiàn)代控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，PLC以其可靠方便，編程簡(jiǎn)單，控制靈活等特點(diǎn)在冶金工業(yè)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)代3C（computer control communication）技術(shù)的迅速發(fā)展，使得現(xiàn)代化的自動(dòng)化控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變革，逐步形成了以網(wǎng)絡(luò)集成自動(dòng)化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的信息控制系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)正是這次技術(shù)變革的產(chǎn)物。它使現(xiàn)場(chǎng)各儀表及各控制設(shè)備之間構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)互連系統(tǒng)，突破了原先一臺(tái)裝置控制一臺(tái)控制器的模式，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)控制系統(tǒng)的分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和數(shù)字化。PROFIBUS是德國(guó)西門子公司提出的一個(gè)高層次工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，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(jià)低，是目前使用較廣泛和較成熟的一種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。
基于以上兩因素，PLC網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用日漸普及。但是我們?cè)谙硎苤F(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)帶來(lái)方便快捷的同時(shí)，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)規(guī)模大型化復(fù)雜化，故障診斷功能使得故障發(fā)生時(shí)快速準(zhǔn)確地判斷出網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中故障的具體原因和位置的問(wèn)題，具有有十分重要的工程意義。
針對(duì)鋼鐵企業(yè)的型鋼車間飛剪及冷床設(shè)備改造，我們結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體情況，設(shè)計(jì)了基于PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)。同時(shí)，在編制控制程序的過(guò)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(luò)故障診斷語(yǔ)句，以期在滿足生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，能及時(shí)準(zhǔn)確地處理故障。
2 控制系統(tǒng)的構(gòu)成
2.1 飛剪及冷床控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成
改造后的飛剪及冷床控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)圖如附圖所示。
附圖 飛剪及冷床控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(jī)選用臺(tái)灣研華工控機(jī)，采用SIMENSE公司的監(jiān)控軟件WINCC作為應(yīng)用畫面監(jiān)控程序開發(fā)平臺(tái)。主要任務(wù)是監(jiān)視和控制整個(gè)飛剪及冷床的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)，為飛剪及冷床的生產(chǎn)工藝過(guò)程設(shè)置參數(shù)提供人機(jī)接口。
PLC選用德國(guó)西門子公司的S7-300系列PLC，飛剪及冷床共用一塊CPU模塊進(jìn)行控制，模塊型號(hào)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(tái)遠(yuǎn)程站。
飛剪電機(jī)的直流驅(qū)動(dòng)裝置選用西門子6RA70。在直流驅(qū)動(dòng)裝置中，加裝了CBP2通訊板，以與PLC構(gòu)成PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)通訊。
在PLC與操作控制臺(tái)、OP27以及飛剪直流驅(qū)動(dòng)裝置間，通過(guò)雙絞線通訊電纜構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)通訊連接，網(wǎng)絡(luò)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(gè)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)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(gè)，包括飛剪操作臺(tái)-3#從站（IM153-1）、冷床操作臺(tái)-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(luò)通訊中，采用令牌循環(huán)查詢方式，從設(shè)備循環(huán)向主設(shè)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(jiǎn)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(shè)定地址范圍，即可用常規(guī)方法進(jìn)行編程。設(shè)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(shí)定義其輸入輸出地址。
（3）DP主站與復(fù)雜功能的從站的通信。簡(jiǎn)單從站一般指帶有某些特定通信模塊，實(shí)現(xiàn)單一功能的設(shè)備。這里，6RA70直流傳動(dòng)裝置，由于數(shù)據(jù)通訊量較大，不能用簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完成任務(wù)。在飛剪電機(jī)的直流驅(qū)動(dòng)裝置中，加裝了CBP2通信模板。DP主站和簡(jiǎn)單從站之間可通過(guò)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)快速、精確的通信。直接對(duì)雙方進(jìn)行參數(shù)配置即可實(shí)現(xiàn)主從之間的通信，參數(shù)配置簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)。在SIMATIC S7中，系統(tǒng)功能SFC14DPRD_DAT和SFC15DPWR_DAT是專為實(shí)現(xiàn)此功能設(shè)計(jì)的。
3 故障診斷程序設(shè)計(jì)
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(yuǎn)，一旦發(fā)生故障，很不利于排除故障。因此，有必要對(duì)PLC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(luò)中，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，一是可以利用CPU模板面板上的BUSF故障指示燈進(jìn)行判斷，當(dāng)PROFIBUS-DP接口硬件或軟件故障時(shí)，對(duì)應(yīng)的BUSF（總線錯(cuò)誤，紅色）燈亮。PLC操作系統(tǒng)STPE7會(huì)自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)的錯(cuò)誤處理OB（Organization Block）。因此，在錯(cuò)誤處理OB中編程可以有效的對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障進(jìn)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(cuò)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(chǎng)環(huán)境惡劣（高溫、粉塵多、震動(dòng)、防護(hù)少、冷卻水等）的各類設(shè)備與I/O模塊之間的信號(hào)連接；其次是所處環(huán)境較為惡劣（經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)），但防護(hù)等級(jí)較高的PROFIBUS-DP接口硬件。
3.3 錯(cuò)誤處理OB的具體功能
在本控制系統(tǒng)中，采用的標(biāo)準(zhǔn)CPU型號(hào)是CPU315-2DP，包含有以下故障診斷OB：OB40（硬件中斷錯(cuò)誤）、OB80（時(shí)間錯(cuò)誤處理）、OB81（電源供應(yīng)錯(cuò)誤）、OB82（診斷中斷錯(cuò)誤）、OB85（優(yōu)先級(jí)中斷錯(cuò)誤）、OB86（機(jī)架失效錯(cuò)誤）、OB87（通信錯(cuò)誤）。在這里，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，實(shí)際采用的OB是OB80、OB81、0B86。當(dāng)操作系統(tǒng)調(diào)用上述OB時(shí)，同時(shí)在OB的臨時(shí)變量區(qū)以代碼的形式給出詳細(xì)的錯(cuò)誤信息，錯(cuò)誤信息代碼及詳細(xì)內(nèi)容可以查閱有關(guān)資料。通過(guò)這些信息可以有針對(duì)性的進(jìn)行故障診斷編程。當(dāng)出現(xiàn)某種錯(cuò)誤代碼信息時(shí)，即可判定出現(xiàn)了對(duì)應(yīng)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(gè)時(shí)間錯(cuò)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(guò)程中，由于調(diào)用了大量OB從而造成PLC循環(huán)超時(shí)。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(dāng)點(diǎn)調(diào)用模塊“SFC43 RE_TRIGR”，重新啟動(dòng)循環(huán)監(jiān)視時(shí)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(dāng)系統(tǒng)調(diào)用OB81時(shí)，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(luò)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(jī)架故障OB，當(dāng)擴(kuò)展機(jī)架失效、DP主站失效或者分布式I/O系統(tǒng)中某一站點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，S7CPU的操作系統(tǒng)作出反應(yīng)調(diào)用此OB，故障產(chǎn)生和消失時(shí)都會(huì)產(chǎn)生中斷。如果OB86未被編程，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到此類錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，操作系統(tǒng)將自動(dòng)轉(zhuǎn)入“STOP”模式。在編寫OB86組織塊的程序時(shí)，可根據(jù)啟動(dòng)信息，判斷哪個(gè)機(jī)架損壞或找不到。可以用系統(tǒng)功能SFC53“WR_USMSG”將報(bào)文存入診斷緩沖區(qū)，并將報(bào)文發(fā)送到監(jiān)控設(shè)備。
對(duì)于如附圖所示的PLC網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)主站與6#從站間的總線斷開時(shí)，所有的4個(gè)從站與主站的聯(lián)系全部中斷。因此，在一個(gè)PLC循環(huán)中，OB86會(huì)被調(diào)用4次。同理，當(dāng)主站與3#從站間的總線斷開時(shí)，在一個(gè)PLC循環(huán)中，OB86會(huì)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(gè)或多個(gè)從站同時(shí)發(fā)生故障的情況，但出現(xiàn)的概率較小。當(dāng)確定是從站本身故障時(shí)（如ET200M掉電，背板總線故障等），由OB86的啟動(dòng)信息可直接診斷出具體是哪個(gè)從站。發(fā)生故障信息時(shí)，OB86臨時(shí)變量區(qū)的本地變量OB86_FTL_ID存儲(chǔ)的出錯(cuò)代碼如“C3、C4、C7”的個(gè)別位將顯示故障DP的ID，可根據(jù)位的詳細(xì)意義進(jìn)行編程。
（4）幾點(diǎn)說(shuō)明
如果PLC網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了使操作系統(tǒng)自動(dòng)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(huì)轉(zhuǎn)入停止?fàn)顟B(tài)（調(diào)用OB81的故障除外），也就是說(shuō)，某一從站的故障可能引起整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。因此，一般應(yīng)把所有的錯(cuò)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(luò)中，進(jìn)行故障診斷不僅有必要，而且是可行的。由于錯(cuò)誤處理OB只在PLC發(fā)生故障時(shí)才會(huì)被調(diào)用，所以在正常運(yùn)行中，對(duì)PLC的運(yùn)行效率基本上是沒有影響的。
4 結(jié)束語(yǔ)
系統(tǒng)投入運(yùn)行以來(lái)，使用效果良好。實(shí)踐證明，將現(xiàn)場(chǎng)總線引入控制系統(tǒng)，不僅使安裝、調(diào)試、維護(hù)更加容易，而且通過(guò)故障診斷技術(shù)提高了系統(tǒng)可靠性。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，是一種較為新穎的控制技術(shù)，如何在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中合理運(yùn)用，使其發(fā)揮應(yīng)有的作用，仍然是今后我們不斷研究的課題。
