基于PROFIBUS現(xiàn)場總線的系統(tǒng)診斷技術(shù)

長久以來，PROFIBUS 技術(shù)為廣大的用戶提供了優(yōu)良的產(chǎn)品和解決方案。但是隨著自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，用戶對自動(dòng)化系統(tǒng)的期望越來越高。他們不僅僅滿足于使用自動(dòng)化產(chǎn)品來構(gòu)造一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)和實(shí)施一個(gè)自動(dòng)化任務(wù)，他們期望著自動(dòng)化的產(chǎn)品和技術(shù)可以在整個(gè)項(xiàng)目的生命周期里發(fā)揮更多的作用，產(chǎn)生更大的價(jià)值。

　　價(jià)值工程推動(dòng)診斷技術(shù)的發(fā)展

　　從這張圖表上來看，如果我們用價(jià)值工程學(xué)的方法來評估一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的生命周期，我們可以把其分為設(shè)備安裝階段、系統(tǒng)調(diào)試階段、設(shè)備投產(chǎn)運(yùn)行階段以及老化維修階段。一般意義上講，最終用戶和業(yè)主只能在設(shè)備投入生產(chǎn)運(yùn)行以后才能從自動(dòng)化系統(tǒng)中獲得收益，而用戶的投資則在安裝的初期為最大，隨著設(shè)備采購數(shù)量的減小而減小。在進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)試階段以后，主要的費(fèi)用為調(diào)試工程技術(shù)人員和生產(chǎn)時(shí)間的占用。其中調(diào)試周期越長，則生產(chǎn)投運(yùn)就越晚，帶來的損失和投入就越大。而進(jìn)入設(shè)備老化和維護(hù)階段費(fèi)用又有所上升，這主要是由于產(chǎn)品的老化和配件的支出。我們期待著使用全集成自動(dòng)化技術(shù)特別是SIMATIC的基于PROFIBUS 的系統(tǒng)診斷技術(shù)，為用戶和業(yè)主在安裝階段、調(diào)試階段以及設(shè)備老化階段創(chuàng)造更多的利潤和效益。從設(shè)備安裝階段來看，如果能夠有效的縮短安裝周期，提高安裝質(zhì)量，最多可以減少8%左右的安裝費(fèi)用。進(jìn)入調(diào)試階段如果能夠有效的加快調(diào)試進(jìn)度通常可以縮短整個(gè)工期的10%，也就意味著生產(chǎn)可以提前進(jìn)行。當(dāng)然，在設(shè)備投入生產(chǎn)運(yùn)行階段減少停機(jī)時(shí)間是用戶特別是一線維修維護(hù)人員最關(guān)心的問題。進(jìn)入老化維修階段以后，我們的目標(biāo)是硬件故障可以在5分鐘之內(nèi)排除，這樣就可以大大的減小現(xiàn)場維護(hù)的工作量，提高自動(dòng)化系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。

　　診斷技術(shù)必須為項(xiàng)目生命周期全過程服務(wù)

　　SIMATIC 的基于PROFIBUS的診斷技術(shù)能夠優(yōu)化自動(dòng)化系統(tǒng)的價(jià)值工程，它可以為整個(gè)項(xiàng)目的生命周期提供支持。從設(shè)備的安裝，系統(tǒng)的調(diào)試以及系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)階段，系統(tǒng)診斷技術(shù)可以為安裝工程師、調(diào)試工程師提供豐富詳細(xì)的系統(tǒng)診斷信息；可以對設(shè)備操作員、一線電器維護(hù)人員以及生產(chǎn)設(shè)備的管控人員提供精確詳細(xì)的設(shè)備診斷信息。并且，由于全集成自動(dòng)化的特點(diǎn)，這些診斷信息可以非常輕松的以圖形化的方式有效的、迅速的顯示在人機(jī)界面上。

　　我們知道PROFIBUS是一套低電壓、高頻的時(shí)差分信號系統(tǒng)。因此，通訊電纜的連接質(zhì)量和信號品質(zhì)就顯得尤為重要。據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，95%的系統(tǒng)安裝錯(cuò)誤和通訊問題都是由通訊電纜連接不當(dāng)造成的。因此，西門子公司提供了一整套快速有效的連接方案。其中包括特殊設(shè)計(jì)的快速連接電纜，快速連接接頭，以及快速剝線工具。在這張圖上我們可以看到，根據(jù)選定的快速連接接頭的型號，我們可以非常容易的在剝線工具上測量出需要?jiǎng)兙€的長度，然后由于剝線工具當(dāng)中內(nèi)置的多層刀片可以非常精確的將保護(hù)層、屏敝層和支持層的電纜一次剝?nèi)ィㄟ^這種方式，可以杜絕由于屏敝層的長度不足或者通訊線過長引起的電磁兼容性問題。

　　在調(diào)試階段最主要的工作就是如何迅速有效的優(yōu)化現(xiàn)場設(shè)備之間的通訊關(guān)系，排除錯(cuò)誤源。

　　手持式總線物理測試儀BT200是專門針對PROFIBUS現(xiàn)場連接質(zhì)量的評估而設(shè)計(jì)的。BT200的設(shè)計(jì)對象是現(xiàn)場的電器施工人員。因此，通過簡單的 LED顯示和清晰明了的按扭設(shè)計(jì)一般的電器人員不需要非常專業(yè)的PROFIBUS通訊和網(wǎng)絡(luò)知識背景就可以能夠獨(dú)立的對現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的連接質(zhì)量進(jìn)行評估和檢查，通過離線模式將檢測的結(jié)果傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上。BT200手持式總線物理測試儀能夠非常簡單的完成對于總線電纜的斷線故障、短路故障、電壓波動(dòng)進(jìn)行檢查，同時(shí)通過定位電纜反射的技術(shù)可以判定電纜的長度，這樣，就能夠解決大多數(shù)現(xiàn)場連接的錯(cuò)誤。對于連接到PROFIBUS總線上的單個(gè)設(shè)備，測試儀也能夠?qū)λ鼈兊腜ROFIBUS接口電路進(jìn)行測試。在測試儀內(nèi)部，已經(jīng)集成了RS485驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)置了5伏電壓和RTS信號。手持式總線物理測試儀可以自動(dòng)偵測所有現(xiàn)場可訪問站點(diǎn)，并生成活動(dòng)站列表。目前，測試儀支持多種語言版本。

　　所有的檢測結(jié)果都可以非常輕松的通過點(diǎn)對點(diǎn)電纜傳輸?shù)絇C機(jī)上，BT200附帶的專用軟件包可以有效的對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。

　　測試報(bào)告可以包括系統(tǒng)總纜單個(gè)通訊結(jié)點(diǎn)的測試結(jié)果以及電纜連接品質(zhì)報(bào)告。這些報(bào)告可以作為工程驗(yàn)收和質(zhì)量控制的技術(shù)依據(jù)。

　　除了手持式的測試儀我們還可以利用STEP7集成的診斷功能對項(xiàng)目進(jìn)行分析。首先，我們可以通過STEP7上載當(dāng)前的總線配置，它的工作過程是這樣的：STEP7自動(dòng)偵測連接到PROFIBUS上的所有可訪問站點(diǎn)，然后確認(rèn)每一個(gè)活動(dòng)站的狀態(tài)，讀取活動(dòng)站的實(shí)際組態(tài)信息。這些信息被存儲在STEP7 的緩存區(qū)里，工程師可以通過連接在線的方式對所有的信息進(jìn)行訪問。由于不需要啟動(dòng)PROFIBUS主站就可以完成上述工作，因此工程師可以有選擇的對整個(gè)項(xiàng)目的各個(gè)工藝段和自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行診斷。

STEP7還可以對PROFIBUS主站的診斷緩存區(qū)進(jìn)行訪問。由于每一個(gè)連接在現(xiàn)場的設(shè)備都會發(fā)送相應(yīng)的診斷報(bào)文到PROFIBUS主站，因此，在緩存區(qū)內(nèi)工程師可以發(fā)現(xiàn)所有想了解的診斷事件的詳細(xì)內(nèi)容。這些診斷事件被分成兩大類，一大類是由于現(xiàn)場的信號儲發(fā)的外部事件，另一大類是由系統(tǒng)內(nèi)儲發(fā)的內(nèi)部事件。所有的事件都附帶有時(shí)間標(biāo)簽（包括月、日、年、小時(shí)、分鐘、秒和毫秒）每一個(gè)診斷事件都包含了一定長度的詳細(xì)信息描述，因此，工程師可以準(zhǔn)確的通過時(shí)間來分析診斷事件發(fā)生的原因、位置并制定出相應(yīng)的對策。用戶還可以自己定義一些用戶事件，在某些條件滿足的時(shí)候，發(fā)送診斷報(bào)文到PROFIBUS主站。

　　通過STEP7這樣的工程軟件，工程師可以非常容易的完成項(xiàng)目的調(diào)試，那么在設(shè)備的運(yùn)行階段對于最終用戶和一線的操作維護(hù)人員，系統(tǒng)診斷功能主要要滿足迅速定位故障，減小停機(jī)時(shí)間。

高級診斷功能的需求催生專業(yè)的現(xiàn)場總線診斷設(shè)備

　　最新開發(fā)的帶有診斷功能的中繼器可以對整個(gè)生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)不間斷的專家級診斷。標(biāo)準(zhǔn)中繼器的功能主要是為了解決信號在遠(yuǎn)距離傳輸過程中引起的衰減和延遲問題，標(biāo)準(zhǔn)中繼器可以有效的對信號進(jìn)行放大和再生處理，從而擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模、保證良好的通訊質(zhì)量。帶有診斷功能的中繼器集成了標(biāo)準(zhǔn)中繼器的所有功能，同時(shí)具備了強(qiáng)大的診斷功能。在系統(tǒng)配置當(dāng)中診斷中繼器作為一個(gè)單獨(dú)的從站出現(xiàn)。在STEP7和其他標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的配置工具當(dāng)中都可以輕松的組態(tài)這個(gè)設(shè)備。那么，診斷中繼器到底有哪些功能呢？

　　診斷中繼器可以實(shí)施專家級診斷的功能。比如，PROFIBUS網(wǎng)段的名稱解析，系統(tǒng)故障定位，站點(diǎn)之間的距離測量以及生成詳細(xì)的故障類型報(bào)告（比如傳感器斷線和短路）。

　　診斷中繼器對于PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的診斷首先從系統(tǒng)總線的拓?fù)溥壿媯蓽y開始。通過調(diào)用SFC103診斷中繼器可以輕松的獲得所有網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和當(dāng)前可訪問站的列表。由于集成了3個(gè)PROFIBUS接口，因此中繼器可以實(shí)現(xiàn)PROFIBUS主站的單側(cè)連接以及連接兩個(gè)子網(wǎng)。在診斷中繼器的內(nèi)部集成了兩個(gè)測量系統(tǒng)來完成電纜的反射計(jì)算從而有效的提高了測量精度和可靠性。集成普通中繼器的功能可連接最多62個(gè)PROFIBUS站點(diǎn)。自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的通訊速率最高可達(dá)12兆/秒。最多在一個(gè)系統(tǒng)中可以部署9個(gè)級聯(lián)的中繼器。

　　診斷中繼器對于PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的診斷甚至可以通過圖形化的方式來實(shí)現(xiàn)。通過在線連接方式工程師可以任意一個(gè)連接網(wǎng)段進(jìn)行訪問。診斷中繼器可以以圖形化的方式顯示故障的具體位置，比如在節(jié)點(diǎn)X和Y之間，并且可以計(jì)算出具體的位置（精確到米）。同時(shí)診斷中繼器還可以報(bào)告可能引發(fā)故障的原因，并給出技術(shù)建議。診斷中繼器還可以用圖形化的方式顯示出當(dāng)前PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)溥壿?，檢測的結(jié)果可以顯示在STEP7中或者存儲到用戶的數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)。在診斷中繼器的內(nèi)部同樣集成了診斷緩存區(qū)。對于每一個(gè)連接的網(wǎng)段它都可以存儲最后 10個(gè)發(fā)生的診斷事件，并且對于每一個(gè)診斷事件都提供了基于時(shí)間戳的詳細(xì)信息和圖形化的顯示方式。

　　診斷中繼器還可以生成一份基于時(shí)間軸的通訊質(zhì)量的評估報(bào)告。我們可以看到由于診斷中繼器內(nèi)部內(nèi)置了示波器功能因此在橫軸上是基于時(shí)間的標(biāo)記，在縱軸上顯示的是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)內(nèi)發(fā)生的通訊沖突和通訊錯(cuò)誤的數(shù)量。所以我們可以非常容易的通過這張圖表來判定當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)和質(zhì)量并且由此發(fā)現(xiàn)引起網(wǎng)絡(luò)通訊質(zhì)量下降的原因并有效的改善。這一統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果可以作為工程驗(yàn)收質(zhì)量控制和系統(tǒng)評估的技術(shù)依據(jù)。

　　現(xiàn)場診斷信息的顯示

　　對于一線的操作人員和維護(hù)人員而言，直觀、迅速、清晰的顯示是他們對系統(tǒng)診斷的主要要求。在全集成自動(dòng)化的框架內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)所有的活動(dòng)站都會定期的發(fā)送診斷報(bào)文到 PROFIBUS主站，而PROFIBUS主站也會自動(dòng)的和定期的將診斷報(bào)文傳輸?shù)饺藱C(jī)界面系統(tǒng)。因此，工程師們無需對這個(gè)過程進(jìn)行干預(yù)和編程就可以在人機(jī)界面上得到詳細(xì)和清晰的信息。

　　在STEP7中由于在控制系統(tǒng)內(nèi)的變量定義和標(biāo)簽與人機(jī)界面系統(tǒng)當(dāng)中的變量定義和標(biāo)簽完全一致并且共享統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫。因此，用戶不需要對信息在自動(dòng)化控制層和人機(jī)界面層傳輸進(jìn)行干預(yù)和編程。簡單說這一過程是自動(dòng)觸發(fā)并且由全集成自動(dòng)化的框架來實(shí)現(xiàn)。

　　在全集成自動(dòng)化的人機(jī)界面端，用戶可以免費(fèi)得到一個(gè)預(yù)先定義并設(shè)計(jì)好了的診斷畫面。在這個(gè)診斷畫面上通過PLC自動(dòng)完成診斷數(shù)據(jù)包功能調(diào)用（FB125），現(xiàn)場人員可以直接看到整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的診斷畫面。并且可以有選擇的訪問單個(gè)結(jié)點(diǎn)。在單站瀏覽的界面當(dāng)中系統(tǒng)會報(bào)告結(jié)點(diǎn)的狀態(tài)、隸屬關(guān)系、發(fā)生故障的槽位以及通道號甚至可以清晰的指明由于外部接線和傳感器引起的故障信息和類型。

　　診斷技術(shù)的推廣和應(yīng)用

　　診斷技術(shù)的大面積推廣必將帶動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)總體水平的提高，在未來的一段時(shí)間內(nèi)將成為市場的新熱點(diǎn)。