1 引言
長(zhǎng)久以來(lái)，西門(mén)子全集成自動(dòng)化為廣大的用戶(hù)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(hù)對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的期望越來(lái)越高。他們不僅僅滿(mǎn)足于使用自動(dòng)化產(chǎn)品來(lái)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。

2 價(jià)值工程—期待更完美的解決方案
從圖1上來(lái)看，如果我們用價(jià)值工程學(xué)的方法來(lái)評(píng)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(hù)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(hù)的投資則在安裝的初期為最大，隨著設(shè)備采購(gòu)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(zhǎng)，則生產(chǎn)投運(yùn)就越晚，帶來(lái)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(hù)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(rùn)和效益。從設(shè)備安裝階段來(lái)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。(單擊鼠標(biāo))進(jìn)入調(diào)試階段如果能夠有效的加快調(diào)試進(jìn)度通?？梢钥s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(hù)特別是一線維修維護(hù)人員最關(guān)心的問(wèn)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(chǎng)維護(hù)的工作量，提高自動(dòng)化系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。

圖1 利用價(jià)值工程學(xué)評(píng)估自動(dòng)化系統(tǒng)的生命周期

3 SIMATIC是基于PROFIBUS的診斷技術(shù)
SIMATIC是基于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，如圖2所示。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(duì)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。

圖2 SIMATIC的診斷技術(shù)示意圖

4 設(shè)備安裝階段
首先我們來(lái)看，在設(shè)備安裝階段如何有效的排除安裝錯(cuò)誤，如圖3所示。

圖3 PROFIBUS系統(tǒng)診斷技術(shù)

4.1 通訊電纜的快速連接技術(shù)
我們知道PROFIBUS是一套低電壓、高頻的實(shí)時(shí)差分信號(hào)系統(tǒng)。因此，通訊電纜的連接質(zhì)量和信號(hào)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(wèn)題都是由通訊電纜連接不當(dāng)造成的。因此，西門(mén)子公司提供了一整套快速有效的連接方案，如圖4所示。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。在圖4上我們可以看到，根據(jù)選定的快速連接接頭的型號(hào)，我們可以非常容易的在剝線工具上測(cè)量出需要?jiǎng)兙€的長(zhǎng)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)?，通過(guò)這種方式，可以杜絕由于屏敝層的長(zhǎng)度不足或者通訊線過(guò)長(zhǎng)引起的電磁兼容性問(wèn)題。

圖4 快速有效的連接方案

5 調(diào)試階段
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(chǎng)設(shè)備之間的通訊關(guān)系，排除錯(cuò)誤源。

5.1 手持式總線物理測(cè)試儀BT200
手持式總線物理測(cè)試儀BT200是專(zhuān)門(mén)針對(duì)PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)連接質(zhì)量的評(píng)估而設(shè)計(jì)的，如圖5所示。BT200的設(shè)計(jì)對(duì)象是現(xiàn)場(chǎng)的電器施工人員。因此，通過(guò)簡(jiǎn)單的LED顯示和清晰明了的按鈕設(shè)計(jì)一般的電器人員不需要非常專(zhuān)業(yè)的PROFIBUS通訊和網(wǎng)絡(luò)知識(shí)背景就可以能夠獨(dú)立的對(duì)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的連接質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估和檢查，通過(guò)離線模式將檢測(cè)的結(jié)果傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上。BT200手持式總線物理測(cè)試儀能夠非常簡(jiǎn)單的完成對(duì)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(guò)定位電纜反射的技術(shù)可以判定電纜的長(zhǎng)度，這樣，就能夠解決大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)連接的錯(cuò)誤。對(duì)于連接到PROFIBUS總線上的單個(gè)設(shè)備，測(cè)試儀也能夠?qū)λ鼈兊腜ROFIBUS接口電路進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)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(hào)。手持式總線物理測(cè)試儀可以自動(dòng)偵測(cè)所有現(xiàn)場(chǎng)可訪問(wèn)站點(diǎn)，并生成活動(dòng)站列表。目前，測(cè)試儀支持多種語(yǔ)言版本，如圖6所示。

圖5 手持式總線物理測(cè)試儀 BT 200


圖6 BT200的功能

所有的檢測(cè)結(jié)果都可以非常輕松的通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電纜傳輸?shù)絇C機(jī)上，BT200附帶的專(zhuān)用軟件包可以有效的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，如圖7所示。

圖7 BT200的數(shù)據(jù)報(bào)告功能

測(cè)試報(bào)告可以包括系統(tǒng)電纜單個(gè)通訊結(jié)點(diǎn)的測(cè)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)，如圖8所示。

圖8 BT200生成的測(cè)試結(jié)果報(bào)告

5.2 STEP7集成的診斷功能
除了手持式的測(cè)試儀我們還可以利用STEP7集成的診斷功能對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行分析，如圖9所示。首先，我們可以通過(guò)STEP7上載當(dāng)前的總線配置，它的工作過(guò)程是這樣的:STEP7自動(dòng)偵測(cè)連接到PROFIBUS上的所有可訪問(wèn)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(chǔ)在STEP7的緩存區(qū)里，工程師可以通過(guò)連接在線的方式對(duì)所有的信息進(jìn)行訪問(wèn)。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(duì)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。

圖9 STEP7集成的診斷功能

(1) STEP7可以遠(yuǎn)程對(duì)單個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行控制
STEP7還可以遠(yuǎn)程對(duì)單個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行控制，如圖10所示。通過(guò)在線連接的方法工程師可以訪問(wèn)到遠(yuǎn)程站的任意一個(gè)槽位，并對(duì)當(dāng)前值進(jìn)行修改和強(qiáng)制。這個(gè)過(guò)程同樣不需要啟動(dòng)PROFIBUS主站就可以完成。因此，工程師可以有效的對(duì)所有連接在現(xiàn)場(chǎng)的站點(diǎn)進(jìn)行獨(dú)立的操作和測(cè)試。

圖10 STEP7能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷功能

(2) STEP7還可以對(duì)PROFIBUS主站的診斷緩存區(qū)進(jìn)行訪問(wèn)
STEP7還可以對(duì)PROFIBUS主站的診斷緩存區(qū)進(jìn)行訪問(wèn)。由于每一個(gè)連接在現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備都會(huì)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(lèi)，一大類(lèi)是由于現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)觸發(fā)的外部事件，另一大類(lèi)是由系統(tǒng)內(nèi)觸發(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(zhǎng)度的詳細(xì)信息描述，因此，工程師可以準(zhǔn)確的通過(guò)時(shí)間來(lái)分析診斷事件發(fā)生的原因、位置并制定出相應(yīng)的對(duì)策。用戶(hù)還可以自己定義一些用戶(hù)事件，在某些條件滿(mǎn)足的時(shí)候，發(fā)送診斷報(bào)文到PROFIBUS主站。

(3) STEP7還可以不通過(guò)緩存區(qū)直接訪問(wèn)到實(shí)時(shí)的診斷信息

STEP7還可以不通過(guò)緩存區(qū)直接訪問(wèn)到實(shí)時(shí)的診斷信息。通過(guò)在線連接的方式，STEP7可以通過(guò)PROFIBUS的路由功能對(duì)單個(gè)遠(yuǎn)程活動(dòng)站進(jìn)行訪問(wèn)?？稍L問(wèn)的信息包括某站點(diǎn)的槽位信息、通道信息和對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤類(lèi)型，相應(yīng)的錯(cuò)誤代碼可以在STEP7的幫助文件中獲得。

(4) STEP7工程軟件非常容易的完成項(xiàng)目的調(diào)試
通過(guò)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(duì)于最終用戶(hù)和一線的操作維護(hù)人員，系統(tǒng)診斷功能主要要滿(mǎn)足迅速定位故障，減小停機(jī)時(shí)間。

6 診斷中繼器
圖11為最新開(kāi)發(fā)的帶有診斷功能的中繼器，它可以對(duì)整個(gè)生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)不間斷的專(zhuān)家級(jí)診斷。標(biāo)準(zhǔn)中繼器的功能主要是為了解決信號(hào)在遠(yuǎn)距離傳輸過(guò)程中引起的衰減和延遲問(wèn)題，標(biāo)準(zhǔn)中繼器可以有效的對(duì)信號(hào)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？

圖11 “診斷中繼器”

6.1 技術(shù)特點(diǎn)
如圖12所示，我們看到，除了簡(jiǎn)單的診斷功能包括PROFIBUS數(shù)據(jù)線的斷線故障，數(shù)據(jù)線之間以及數(shù)據(jù)線和屏敝層之間的短路故障包括丟失總線終端電阻之類(lèi)的故障以外，診斷中繼器還可以實(shí)施專(zhuān)家級(jí)診斷的功能。比如，PROFIBUS網(wǎng)段的名稱(chēng)解析，系統(tǒng)故障定位，站點(diǎn)之間的距離測(cè)量以及生成詳細(xì)的故障類(lèi)型報(bào)告(比如傳感器斷線和短路)。

圖12 “診斷中繼器”的功能

診斷中繼器對(duì)于PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的診斷首先從系統(tǒng)總線的拓?fù)溥壿嫀瑴y(cè)開(kāi)始。通過(guò)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(wèn)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(cè)量系統(tǒng)來(lái)完成電纜的反射計(jì)算從而有效的提高了測(cè)量精度和可靠性。集成普通中繼器的功能可連接高達(dá)62個(gè)PROFIBUS站點(diǎn)，如圖13(a)所示。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(jí)聯(lián)的中繼器。

圖13(a) 診斷中繼器的技術(shù)特點(diǎn)

診斷中繼器對(duì)于PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的診斷甚至可以通過(guò)圖形化的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)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(wèn)。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，如圖13(b)所示，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。

圖13(b) SIMATIC系統(tǒng)的診斷平臺(tái)

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(cè)的結(jié)果可以顯示在STEP7中或者存儲(chǔ)到用戶(hù)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(duì)于每一個(gè)連接的網(wǎng)段它都可以存儲(chǔ)最后10個(gè)發(fā)生的診斷事件，并且對(duì)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，如圖13(c)所示。

圖13(c) 診斷中繼器的緩存區(qū)

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(píng)估報(bào)告。我們可以看到由于診斷中繼器內(nèi)部?jī)?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(guò)圖14來(lái)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(píng)估的技術(shù)依據(jù)。圖14 診斷中繼器生成的評(píng)估報(bào)告

7 系統(tǒng)診斷信息的報(bào)告和顯示
7.1 在HMI上顯示診斷結(jié)果
對(duì)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(duì)診斷系統(tǒng)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)子站都會(huì)定期的發(fā)送診斷報(bào)文到PROFIBUS主站，而PROFIBUS主站也會(huì)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)，如圖15所示。因此，工程師們無(wú)需對(duì)這個(gè)過(guò)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。

圖15 PLC與HMI的互連示意圖

7.2 數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一共享
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(kù)。因此，用戶(hù)不需要對(duì)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(jiǎn)單說(shuō)這一過(guò)程是自動(dòng)觸發(fā)并且由全集成自動(dòng)化的框架來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖16所示。

圖16 數(shù)據(jù)庫(kù)共享

7.3 診斷畫(huà)面的生存
在全集成自動(dòng)化的人機(jī)界面端，用戶(hù)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(huà)面。在這個(gè)診斷畫(huà)面上通過(guò)PLC自動(dòng)完成診斷數(shù)據(jù)包功能調(diào)用(FB125)，現(xiàn)場(chǎng)人員可以直接看到整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)的診斷畫(huà)面，如圖17所示。并且可以有選擇的訪問(wèn)單個(gè)結(jié)點(diǎn)。在單站瀏覽的界面當(dāng)中系統(tǒng)會(huì)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(hào)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(lèi)型。

圖17 診斷畫(huà)面的自動(dòng)生成

7.4 系統(tǒng)診斷包—WINCC
在Wincc的畫(huà)面當(dāng)中，用戶(hù)同樣可以免費(fèi)得到一個(gè)更強(qiáng)大的診斷畫(huà)面，如圖18所示。對(duì)于單個(gè)通道(IO)的診斷信息，最多可以提供570種不同的故障代碼。這些故障代碼包括了所有可能引起故障的硬件錯(cuò)誤、通訊錯(cuò)誤、接線錯(cuò)誤和外部傳感器錯(cuò)誤。一般來(lái)講這570種錯(cuò)誤代碼可以幫助現(xiàn)場(chǎng)的維修維護(hù)人員迅速發(fā)現(xiàn)故障的位置和產(chǎn)生故障的原因并且有針對(duì)性的排除故障。這也就是我們提出的5分鐘維修的一個(gè)基本前提。

圖18 系統(tǒng)診斷包—WinCC

目前對(duì)于西門(mén)子公司的絕大多數(shù)可編程序控制器和分部式現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(ET200)以及人機(jī)界面產(chǎn)品都已經(jīng)集成了這些診斷功能。PLC端和人機(jī)界面端的綜合解決方案如圖19所示。

圖19 故障診斷的綜合解決方案

參考文獻(xiàn)
[1] SIMTIC 使用說(shuō)明書(shū)[Z].
[2] BT200使用手冊(cè)[Z].

作者簡(jiǎn)介
楊大漢(1975-) 畢業(yè)于清華大學(xué)機(jī)械工程系，現(xiàn)任職于西門(mén)子(中國(guó))有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)自動(dòng)化系統(tǒng)部，主要從事現(xiàn)場(chǎng)總線和故障安全控制的技術(shù)推廣工作。