基于工业以太网和PROFIBUS的FCS实时在线故障诊断系统

0 引言

在十多年的开发和应用实践过程中，PROFIBUS以其技术的成熟性、完整性和应用的可靠性等多方面的优秀表现，在现场总线技术领域中成为国际市场上的领导者，PROFIBUS是目前唯一能够全面覆盖工厂自动化和过程自动化应用领域的现场总线。基于PROFIBUS的FCS网络结构是：底层由一个或多个PROFIBUS总线网络和其他子网组成，用来完成底层的控制和数据采集等任务；上层由工业以太网组成，完成对底层数据的整合和处理。图1为典型的FCS系统结构图。

现场总线的I／O从站一般离控制室较远，而且比较分散，加上现场环境复杂，一旦发生故障，使用现有的诊断工具进行故障位置判断、准确找出故障原因会需要较长时间，这对正常生产有很大影响。因此设计实时在线的故障诊断系统，实现在控制室实时显示故障状态，并准确定位故障位置，将会大大缩短检修时间，减少维护费用，提高系统运行效率。

图1 典型FCS系统结构图

现有PROFIBUS诊断工具有较大的缺陷，一是非实时在线系统，只能进行短时在线的报文采集和分析工作；二是适用性差，只能对单一的网络进行诊断，而不能对大中型的FCS进行诊断；三是诊断范围小，不能全面诊断FCS各层次的状态和故障：四是诊断系统智能化程度不高，使用不方便。国内外诊断工具研究现状比较如表一所示。针对上述不足，在对PROFmUS进行深入分析研究的基础上，我们设计开发出了一套全新的基于工业以太网和PROFIBUS的FCS故障诊断系统。

1 PROFIBUS诊断层次划分与分析

1.1 诊断层次划分

表1 国内外诊断工具研究现状比较表

本系统把在监控层和控制层之间的PLC主站作为执行诊断的第一个层次，本层次主要提供系统诊断和从站诊断数据；在底层网络中挂接诊断中继器，它在控制层与重要现场设备层之间作为执行诊断的第二个层次，本层次主要提供底层诊断数据。

1.2 系统诊断

PROFIBUS系统诊断主要用以完成对FCS控制层各主站的全面诊断，下位机通过调用SFC51“RDSYSST”读取局部系统状态表(System Status List)得到系统诊断数据，获取CPU指示灯状态，局部系统状态表的标识符为W#16#0019；获取CPU诊断缓冲区诊断信息，标示符为W#16#OOA0。将这些诊断数据有规律地存放在对应的数据块中，建立诊断数据块，通过上位机软件分析诊断数据的结构及其意义，并表征出来。

1.3 从站诊断

1.3.1 与从站诊断有关的中断组织块

当DP从站出现部分节点故障、信号模块导线断开、I／O通道的短路或过载、模拟量模块的电源故障等故障时，CPU的操作系统将在故障产生和消失时，分别调用一次诊断中断组织块OB82；当机架、DP主站系统或分布式I/O由于掉电、总线导线断开、I/O系统等原因发生故障时，CPU的操作系统将在故障出现和消失时，分别调用一次机架故障或分布式I／O的站故障中断组织块OB86；如果I／O访问错误中断，如CPU访问有故障的I／O模块、不存在的或有故障的DP从站的PI／PQ输入输出数据，或访问了一个CPU不能识别的I／O地址，那么CPU的操作系统将在每一个扫描周期调用一次OB122。下位机程序把每个中断组织块局部变量中的诊断数据存储到数据块，为上位机软件从站诊断提供诊断数据。

1.3.2 FBl25诊断功能块

FB125功能块是西门子公司提供的一个驱动中断功能块，可在OB1、OB82、OB86中直接调用，并存储诊断数据信息。诊断数据块中包含所有站的诊断信息，通过上位机分析可得到从站的组态、从站丢失等故障信息，以及故障从站的诊断报文，部分模块还可以得到故障通道的具体诊断信息。

1.3.3 诊断报文

PROFIBUS提供了一个方便的、功能强大的诊断信息报文，不但在上电起始阶段主站会自动进行诊断请求，而且每当从站出现异常时，任何一个主站都可以向任何一个从站发送诊断请求，故障从站向主站发送诊断响应报文。上位机通过分析诊断报文，就可以对故障从站的故障状态进行深入分析。

1.4 底层诊断

底层诊断主要完成对现场通信总线所引起故障的诊断。在底层网络中挂接诊断中继器，作为从站在设备运行期间提供来自PROFIBUS底层的诊断数据，并与主站交换诊断信息。下位机软件把诊断数据存储到数据块；而上位机则主要通过组态形象的诊断画面，表征出电缆破裂、电路短路、终端电阻丢失、单个总线网段中有两个或更多的诊断回路、总线网段中有太多的节点、节点距离诊断中继器太远等故障原因及准确位置。
2 诊断系统设计

图2 诊断系统故障诊断流程图

系统主要由硬件系统和软件系统两部分构成，硬件系统由基于工业以太网的多个PROFIBUS网络组成。目前国内大中型PROFIBUS系统主要采用西门子公司的大