基于PROFIBUS-DP的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)故障診斷系統(tǒng)

周 剛

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基于PROFIBUS-DP的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)故障診斷系統(tǒng)

周 剛

成都理工大學(xué)，四川 成都 610059

闡述了PROFIBUS-DP技術(shù)的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)和工作原理以及診斷機(jī)制等，同時(shí)結(jié)合在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的應(yīng)用實(shí)例，研討了該技術(shù)在實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程中所起到的作用，大大地降低了在許多工業(yè)生產(chǎn)線中由于故障引起的停機(jī)帶來(lái)的重大經(jīng)濟(jì)損失。

PROFIBUS-DP技術(shù)；自動(dòng)化

1 PROFIBUS-DP技術(shù)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)及工作原理

PROFIBUS-DP（簡(jiǎn)稱DP）主要是用于車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)層的通信系統(tǒng)，最高通信速率可達(dá)12Mbps。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息，而診斷信息在總線上傳輸并由主站采集，在PLC主站與智能從站、分布式I/O從站的總線型高速數(shù)據(jù)通信。由主站將生產(chǎn)任務(wù)分成多個(gè)子任務(wù)，分配給多個(gè)從站去自動(dòng)完成。再由從站返回運(yùn)行數(shù)據(jù)給主站，主站對(duì)從站的工作進(jìn)行協(xié)調(diào)和監(jiān)控。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，能對(duì)主站、從站和DP通訊系統(tǒng)的故障進(jìn)行自診斷，CPU自動(dòng)將故障發(fā)送到上位機(jī)診斷系統(tǒng)顯示，以幫助維修人員及時(shí)地排除故障[1]。

PROFIBUS-DP系統(tǒng)主站選用S7-400，從站由一個(gè)分布式I/O從站ET 200M和兩臺(tái)智能從站S7-300等組成，上位機(jī)再通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接DP主站上。

2 PROFIBUS-DP技術(shù)的診斷機(jī)制

在系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)上。如果主站檢測(cè)到擴(kuò)展機(jī)架故障、DP主站系統(tǒng)與DP從站的故障，產(chǎn)生機(jī)架故障中斷，無(wú)論是故障的產(chǎn)生與消失都將調(diào)用組織塊OB86。而對(duì)于具有診斷功能的模塊，已經(jīng)在硬件組態(tài)過(guò)程中打開了診斷中斷，當(dāng)輸出模塊出現(xiàn)斷線故障時(shí)，或當(dāng)模擬量輸入與輸出模塊發(fā)生內(nèi)外部故障時(shí)，以及輸入信號(hào)值超過(guò)模擬量模塊的測(cè)量范圍時(shí)等等，當(dāng)故障發(fā)生或消失時(shí)，都調(diào)用主站OB82啟動(dòng)中斷處理程序，有故障的模塊自動(dòng)地在OB82的啟動(dòng)信息和診斷緩沖區(qū)存入診斷數(shù)據(jù)。再能過(guò)編程將故障信息分析處理，自動(dòng)將處理過(guò)后故障信息發(fā)送到PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警顯示[2]。

3 PROFIBUS-DP技術(shù)在電氣自動(dòng)化中的應(yīng)用分析

3.1 DP系統(tǒng)軟硬件選擇與設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)PROFIBUS-DP系統(tǒng)的故障診斷，最重要的就是診斷數(shù)據(jù)的基本結(jié)構(gòu)的分析和故障信息自動(dòng)發(fā)送到WinCC上。我們從實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的硬件設(shè)備上考慮，我們選用S7-400作為系統(tǒng)主站。DP從站分別由一個(gè)分布式I/O從站ET 200M和兩臺(tái)智能從站S7-300組成。

ET200M具有S7-300自動(dòng)化系統(tǒng)的組態(tài)技術(shù)，由一個(gè)IM153-2和全系列S7-300的I/O模塊組成。ET200M是多通道模塊化的分布式I/O，使用的是S7-300全系列模塊，適用于高性能的區(qū)域，用接口模塊IM153來(lái)實(shí)現(xiàn)與主站的通信。智能從站S7-300是模塊化的中小型PLC。主站可將自動(dòng)化任務(wù)分為多臺(tái)PLC控制的多個(gè)子任務(wù)，這些子任務(wù)分別用幾臺(tái)CPU獨(dú)立地和有效地進(jìn)行處理。S7-300具有智能化的診斷系統(tǒng)，也可以監(jiān)控系統(tǒng)功能是否正常，記錄錯(cuò)誤，過(guò)程報(bào)警等功能。

軟件上，我們選擇STEP7 V5.5 SP4，它支持我們選擇的CPU---400H的型號(hào)，同時(shí)它對(duì)硬件的支持性，兼容性好。同時(shí)PROFINET相比于MPI連接上位機(jī)，它傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸速率快，抗干擾能力更強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)最多可達(dá)1024個(gè)，為將來(lái)連接多臺(tái)上位機(jī)作充分準(zhǔn)備。

3.2 DP系統(tǒng)硬件組態(tài)

3.2.1 生成PROFIBUS-DP子網(wǎng)絡(luò)

第一步：新建一個(gè)項(xiàng)目名為“S7-400_and ET200M”的項(xiàng)目，打開硬件組態(tài)工具HW-Config，插入S7-400機(jī)架名稱為UR2ALU，訂貨號(hào)為6ES7 400-1JA11-0AA0的機(jī)架。第二步：在機(jī)架中1號(hào)槽插入標(biāo)準(zhǔn)電源模塊，名稱為PS 407 10A，訂貨號(hào)為407-0KA02-0AA0的電源，在機(jī)架中3號(hào)槽插入CPU模塊，名稱為CPU 412-5H PN/DP，訂貨號(hào)為412-5HK06-0AB0的CPU，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室硬件情況，此處采用單機(jī)操作，即在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)SIAMTIC-400站中使用一個(gè)容錯(cuò)CPU。在單機(jī)模式下操作容錯(cuò)CPU時(shí)，不能連接同步模塊，機(jī)架號(hào)必須設(shè)置為“0”。如果不經(jīng)過(guò)改動(dòng)，為標(biāo)準(zhǔn)S7-400CPU編寫的用戶程序通常不會(huì)在處于單機(jī)模式的容錯(cuò)CPU上運(yùn)行。新建一個(gè)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，將主站地址設(shè)置為1，其中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置設(shè)為默認(rèn)，系統(tǒng)默認(rèn)傳輸速率為1.5Mbit/s，網(wǎng)絡(luò)配置為DP。注意，必須選擇子網(wǎng)為“PROFIBUS（1）”，否則不能進(jìn)行PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的連接。

3.2.2 組態(tài)DP從站

ET-200M是標(biāo)準(zhǔn)的分布式I/O從站，在硬件組態(tài)窗口中，按照IM 153-2的訂貨號(hào)，找到后將其拖放到PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)線上，設(shè)置它的DP從站地址為2，這樣就生成了ET 200M從站。

在實(shí)物硬件中，在IM153-2模塊中的DIP開關(guān)設(shè)置站地址為2，與剛才硬件組態(tài)時(shí)設(shè)置的地址一樣。

單擊ET 200M從站，從4號(hào)槽開始依次插入各系列模塊，順序依次是模擬量輸入模塊AI 8×12bit，模擬量輸出模塊AO4×12bit，數(shù)字量輸入模塊DI 16×DC24V，數(shù)字量輸出模塊DO 8×DC24V/2A。其AI和AO模塊起始地址分配為100。雙擊PN-IO行，新建一個(gè)Ethernet網(wǎng)絡(luò)，其中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置設(shè)為默認(rèn)，系統(tǒng)默認(rèn)IP地址為192.168.0.1，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0[3]。

組態(tài)完成后，點(diǎn)擊工具欄中的“編譯并保存”按鈕，可對(duì)組態(tài)信息進(jìn)行編譯。如果編譯出現(xiàn)錯(cuò)誤，將會(huì)顯示錯(cuò)誤或警告信息。只有沒有錯(cuò)誤后，才能成功地編譯，編譯功能后，組態(tài)后，組態(tài)信息被保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)中。

S7-300與主站通信方式稱為MS方式，必須對(duì)數(shù)據(jù)交換的地址區(qū)進(jìn)行組態(tài)。插入“SIMATIC 300”站點(diǎn)。在“硬件”組態(tài)中，插入機(jī)架RACK-300下的Rail。找到后將其拖放到機(jī)架上，1號(hào)槽為電源PS，2號(hào)槽為CPU。雙擊CPU下的MPI/DP，設(shè)置PROFIBUS屬性，設(shè)置它的DP從站地址為3，連接到PROFIBUS（1）上，工作模式設(shè)置為“DP從站”，保存組態(tài)信息。

在硬件目錄窗口中找到“PROFIBUS DP”文件夾下的“Configured Stations”文件夾，將其中的“CPU 31X”放在PROFIBUS（1）網(wǎng)絡(luò)線上。單擊“DP從站屬性”對(duì)話框下“連接”，從站被連接到DP網(wǎng)絡(luò)上。可以看到S7-300已經(jīng)掛DP網(wǎng)絡(luò)線上。

組態(tài)DP智能從站與主站通信區(qū)，雙擊DP網(wǎng)絡(luò)線S7-300從站，為主從站雙方通信的輸入與輸出地址。實(shí)際上就是數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)和發(fā)送緩沖區(qū)，但是用于通信的數(shù)據(jù)區(qū)不能與實(shí)際硬件占用的輸入/輸出區(qū)重疊。模式選擇為MS。設(shè)置主站地址和從站地址的起始地址。第一行表示主站用QB10發(fā)送數(shù)據(jù)給從站的IB10。第二行表示主站用IB10接收來(lái)自從站的QB10的數(shù)據(jù)。雙擊機(jī)架中CPU 314C-2 PN/DP欄下面的PN-IO行，新建一個(gè)Ethernet（2）網(wǎng)絡(luò)，其中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置設(shè)為默認(rèn)，系統(tǒng)默認(rèn)IP地址為192.168.0.2，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0。

主站與S7-300（2）通信的組態(tài)和3.4節(jié)的方法一樣。只是新建一個(gè)Ethernet網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)默認(rèn)IP地址為192.168.0.3，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0。生成的Ethernet（3）網(wǎng)絡(luò)。

參數(shù)完成后，點(diǎn)擊“編譯”。即可編譯并保存 SIMATIC 400站點(diǎn)和各從站的組態(tài)信息。

4 結(jié)束語(yǔ)

PLC在國(guó)際國(guó)際市場(chǎng)占有很大的份額，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用各種生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，且PROFIBUS-DP故障診斷系統(tǒng)適用于大范圍的復(fù)雜通訊場(chǎng)合，因而具有廣闊的市場(chǎng)前景。

[1]鐘志萬(wàn).Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線得故障診斷[J].自動(dòng)化與傳動(dòng)，2012（3）：50-51.

[2]楊海燕.Profibus-DP通信技術(shù)在DCS中的應(yīng)用[J].石油化工自動(dòng)化，2015（2）：12.

[3]王萬(wàn)良.基于Profibus-DP的遠(yuǎn)程數(shù)控系統(tǒng)通訊研究[J].機(jī)電工程，2009（2）：159-160.

PROFIBUS-DP Fieldbus Technology Based Fault Diagnosis System

Zhou Gang

Chengdu University of Technology, Sichuan Chengdu 610059

This paper describes the features of PROFIBUS-DP technology, structure and working principle and the diagnosis mechanism, combined with application examples in the industrial automation field, discuss the technology in industrial automation process in the role.Greatly reduced in many industries due to the production line downtime due to the enormous economic losses.

PROFIBUS-DP technology; automation

TP273

A

1009-6434(2016)07-0089-02