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1、第八届工业仪表与自动化学术会议 1 基于 Wincc 的控制设备故障诊断系统研究与实现 Study and Realization on the Fault Diagnosis System of Control Equipment Based on Wincc 毛芹陈飞葛芦生 （安徽工业大学电气信息学院，安徽马鞍山 243002 ） 摘要： 基于现场总线和工业以太网分布式自动化系统在工业生产中应用越来越广泛,本文以宝钢股份公司梅山 炼钢厂自动化系统为例 ,利用Siemens 公司的 PROFIBUS-DP 现场总线技术和Wincc 组态软件设计实现了基础自动 化设备的在线故障诊断系统,可直接
2、嵌入到操作站应用软件中。该系统投运后大大减少了故障处理时间,可推广到 类似自动化系统中。 关键词： 故障诊断系统WinccProfibus-DP场总线 Abstract ：The distributed automation system based on field bus is applied in industry Ethernet. The online fault diagnostic system of fundamental devices is designed and realized by means of Siemens Wincc configuration softw
3、are and Profibus-DP fieldbus technology in the paper with the automation system of MeiShan steel making mill as an example, which can be embedded in the application software. The system is put into use successfully and shorten the fault processing time, and can extended to the similar industry autom
4、ation system. Keywords ：Fault Diagnosis System Wincc Profibus-DP Fieldbus 0 引言 梅山炼钢厂自动化控制采用西门子公司的S7-400PLC 构成多主机分布式控制系统，如图1 所示。 系统计算机监控计算机 交换机 2#PLC1#PLC ET200M变频器编码器 现场设备 3#PLC4#PLC ET200S 图 1 多主机分布式控制系统 整个系统的主站由4 台 S7-400PLC 构成，从站分别采用带有Profibus-DP 现场总线接口的各 第八届工业仪表与自动化学术会议 2 种控制设备组成。可以实现PLC 之间， PLC
5、 同现场设备之间以及PLC 同上位计算机之间数据的 实时交换。整个系统网络庞大，程序结构复杂，涉及到的设备类型较多，系统的网络负担繁重， 每个单次扫描时间需要执行的任务多，程序执行时间尤其在现场有些设备出现故障时占用的额外 总线时间加长， 容易造成网络拥堵导致系统死机。本文在分析系统网络结构和程序结构的基础上， 在 SIEMENS Wincc 平台上设计、 实现对基于Profibus-DP 现场总线S7-PLC 和其它智能设备的故 障诊断系统， ，对捕捉到的故障信息进行分析和故障定位，提出故障处理措施，故障诊断结果通 过上位计算机在线直观地显示出来。 1 基于 Wincc 的故障诊断原理与流程
6、 1.1 Wincc软件介绍 Wincc （Windows Control Center ） 是西门子公司推出的基于WindowsNT/Windows2000 的 HMI 系统，它为所涉领域从简单的单用户系统到具有冗余服务器的分布式多工作站系统，以及具有 Web 客户端的跨区域的解决方案，提供了基于Windows 2000 和 XP 的完整的操作和监控功能， 并承袭了西门子公司的TIA（ Totally Integrat Automation ） 产品家族技术先进和相互间无缝集成的 特点。 Wincc 与相应的硬件系统紧密结合，通过统一的组态和编程、统一的数据管理及统一的通 信，极大地降低了用
7、户软硬件组态的工程量。由于 Wincc 内置了基于S5/S7 协议的通信系统，并 提供大量面向这些系统和技术的组件，为Wincc 和现场总线PROFIBUS 等网络系统的最优化通 信和良好的互操作性提供了保证。它与相应的软硬件系统在一起，实现系统级的诊断功能。诊断 功能包括产品和系统的层次，贯穿于工程实施阶段、调试阶段和运行阶段。Wincc6.0 在原有的基 础上又增加了新功能。这些功能包括基本系统中的历史数据归档、对IT 功能和商务集成化、可 连续扩展、新支持的开放性标准、增强的Web 功能等。 1.2 通信 本系统上位机与下位机，下位机与从站通过Profibus-DP 现场总线进行连接形成
8、工业以太网。 Profibus 采用 RS485 技术，其传输速率选择1.875Mbps。SIMATIC S7 400 CPU 及 414-2 的 PLC 作为 Profibus-DP 主站，下面挂接SIEMENS Profibus现场总线分布式I/0。ET200M 和 ET200S 作为Profibus-DP 从站。主站PLC 选用 Profibus-DP 通信处理器CP443。 CPU414-2DP 内置了 Profibus DP 接口，从站数目最大64，典型配置为116 个从站。 ET200M 作从站时，从站最大 允许有 880 字节 AI 输入。 CP443 做主站，从站数目最大64；
9、典型为 116 个从站。 ET200M 作 从站时，从站最大允许有240 字节 AI 输入。 ET200S 作从站时，从站最大允许有244 字节 AI 输 入。 S7-400CPU 和 ET200M 之间通过Profibus-DP 进行循环数据通信，传送输入输出的循环用户 数据（包括输入的值状态）和诊断中断。此数据在CPU 中由 PCS7 驱动程序和用于系统可视化 的 CFC（连续功能图）准备。随后此数据将借助Wincc 出现在 OS 中。ET200M 的过程控制模块 和上位机之间通过Profibus-DP 进行非周期数据通信，利用此非周期数据通信为ET200M 的过程 控制模块分配参数。还传
10、送诊断和中断及数据记录等信息数据并显示在SIMATIC PDM中。 1.3 常见故障类型及其分析 本系统通过Wincc6.0 软件平台实时监测故障发生的来源，对故障原因进行分类，从而对系 统故障进行及时处理，系统结构如图2 所示。在系统中把故障类型分为两大类，分别为CPU 故 障（ CPU 诊断检查错误、程序诊断检查错误）和外部模块故障（可诊断的模块检查错误），一旦 发生故障通过实时扫描及时把这些信息读取出来通过上位机进行显示，这样就具备了较好的人机 交互性。 第八届工业仪表与自动化学术会议 3 图 2 故障信息系统结构 1.4 故障诊断原理 如图 2 诊断信息系统结构图，CPU 识别系统错误
11、和用户程序中的错误，并在系统状态列表 和诊断缓冲区中输入诊断消息。可以在用户程序中使用SFC51 RDSYSST 读取诊断条目， 或者用 STEP 7 以通俗的语言显示诊断信息，包括出错的地点和时间、该条目所属的诊断事件的类型(用 户自定义的诊断事件、同步/异步的错误、工作模式改变)。 CPU 在诊断缓冲区中输入标准诊断和扩展诊断的事件，如果满足以下条件，它也会生成用 于标准诊断事件的过程控制组信息： 已经指定将要在STEP 7 中生成的过程控制信息； 至少在 CPU 上为过程控制信息记录了一个显示单元； 在当前没有一个相应等级(总共有7 个等级 )的过程控制组信息时，才生成过程控制组信 息；
12、 每个等级可以生成一个过程控制组信息。 系统状态列表 (SSL)描述可编程控制器的当前状态。它概述了组态、当前参数分配、CPU 的 当前状态和顺序以及属于它的模块的信息。 系统状态列表中的数据只能读取，而不能修改。 它仅是一个按要求创建的虚拟列表，且系统 数据是 CPU 固有的或者已分配的特征数据。 通过剖析，可采用两种方法读取系统状态列表中的信息： 隐含地，通过来自编程设备的STEP 7 菜单命令 (例如，存储器组态、静态CPU 数据、诊 断缓冲区、状态显示)； 明确地，通过用户程序中的系统功能SFC 51 RDSYSST ，只要输入所需部分系统状态列 表的编号。 第八届工业仪表与自动化学术
13、会议 4 除了 CPU，还有其它具有诊断能力的模块(SM、CP、FM) ，它们的数据也输入到系统状态列 表中。还可以使用系统功能SFC 52 WRUSMSG 来扩展 SIMATIC S7 的标准系统诊断：在诊断缓 冲区中输入个人诊断信息(例如，关于用户程序执行的信息)；发送用户定义的诊断信息到登录站 (监控设备，如PG、OP 或 TD) 。 除了在诊断缓冲区中生成用户定义的条目外，还可以使用SFC52 WRUSMSG 发送用户自定 义的诊断消息登录显示设备。当使用 SEND = 1 调用 SFC52 时，诊断消息写入到发送缓冲区，然 后自动发送到在CPU 上登录的一个或多个站。 如果不能发送消
14、息(例如，因为没有登录显示设备，或因为发送缓冲区已满)，那么依然在诊 断缓冲区中输入用户定义的诊断事件。 具有诊断能力的信号和功能模块会检测内部和外部模块错误，并生成一个可通过中断OB 进 行响应的诊断中断。 当 CPU 检测到程序处理中的错误(同步错误 )以及可编程控制器中的错误(异步错误 )时，就调 用处理错误的相应组织块(OB),见表 1。 表 1 错误类型例子错误 OB 优先级 I/O 冗余错误在激活的DP 主站上发生总线故障OB70 25 CPU 冗余错误 CPU丢失冗余OB72 28 时间错误超出最大循环扫描时间OB80 26 电源错误后备电池失效OB81 在启动程序中调 诊断中断
15、有诊断能力模块的输入断线OB82 用错误 OB，28 插入、删除模块错误中断在运行时移除S7400的信号模块OB83 CPU 硬件故障 优先级错误 MPI 接口上出现错误的信号电平 更新映像区错误（模块有缺陷） OB84 OB85 机架故障扩展设备或DP 从站故障OB86 通信错误读取信息格式错误OB87 编程错误没有加载所调用的块OB121 引起错误的OB 的优先级 I/O 访问错误直接 I/O 访问错误（模块故障或丢失）OB122 2 系统构成 2.1 系统硬件结构 基于现场的工作情况，在不改变现场系统结构的基础上，对系统进行最优改造。通过分析现 有系统结构时发现，现在的网络系统中上位计算
16、机同下面PLC 之间的连接是采用工业以太网结 构的，即下面4 个 PLC 站中每个站上带有一块CP443 通信模块，并和系统的交换机相连，每个 站具有独立的IP 地址。上位计算机通过网卡和交换机相连，也分配一个独立的IP 地址，这样下 面各站可以通过现场总线网络将现场设备的各种信号读到PLC 中， PLC 再通过工业以太网将需 要发送到上位计算机的信息及时发送上去。在不改变现有主体结构的基础上，增加一台Siemens 第八届工业仪表与自动化学术会议 5 工控机作为上位机，通过其网卡和交换机相连，在计算机中装上我们运用Wincc6.0 软件开发的 监控画面，通过PLC 读取以上分析的各种故障信号
17、，将现场的各种故障信号发送到上面的监控 机。系统结构如图1 所示。 2.2 系统监控画面 图 3 系统监控主画面 SIMATIC Wincc 提供可视化的、友好的控制界面，其图形设计功能强大。它支持直接引入 AutoCAD图纸和Windows 元文件，可在16 个不同的层面上作图。在系统实现时，为了提高图 片的质量， 应用图像处理软件如Ulead PhotoImpact 、Photoshop,进行图片渲染然后通过OLE 方式 嵌入 Wincc。 实际运行中， 在 Wincc 项目中只使用一台计算机进行工作，通过创建单用户项目运行Wincc。 本系统有4 台 PLC 工作站，在变量管理器中建立4
18、 条过程驱动程序，在4 条过程驱动程序下分 别建立外部变量组。外部变量的最大数目由Power Tags授权限制，我们选择128 个 Power Tags。 系统中 4 台 PLC 及挂接在下面的设备ET200S、ET200M 、 变频器、 编码器之一作为主画面。 如图 3 所示。每一个 PLC 站中的 CPU 故障类型、 ET200 模块、变频器、 编码器分别作为子画面。 为了实现对被监控系统工作状态的监视，并且直观地显示故障环节，对各主要元件的颜色、几何 形状、 样式、 闪烁、 填充等属性进行动态连接。例如， 系统运行正常时，“ 正常 ” 按钮显示为绿色， 某一PLC 站下的设备出现故障时，
19、“ 故障 ” 按钮显示为红色。点击该按钮可以进入下级子画面。 每一子画面都设计返回按钮，可以上下级画面切换。子画面如图4 所示。 最后用报警记录编辑器组态报警记录。报警记录编辑器显示何种报警、报警的内容、 报警的 时间。报警记录的运行系统主要负责过程值的监控、控制报警输出、管理报警确认。 Wincc 的外部变量选择位存储通过动态对话框与Step7 程序中的变量建立连接，其中CPU 故障通过调用Step7中的 OB80OB87 查看其地址。其它的模块故障通过调用Step7中的 DB1401、 SFC98 等查看地址。当从下位机PLC 中采集的数据改变时，工控机上出现报警信息。 第八届工业仪表与自动化学术会议 6 3 结束语 本系统在实验室进行了试验。在运行时移除S7400 的信号模块 ,WINCC 的监控画面上的 插入、删除模块错误即显示为红色。实验证明基于Wincc 组态软件的监控及故障诊断的准确率高, 扫描速度快，能够有效地减少故障处理时间，因此能较好地满足生产运行要求。 图 4 系统监控子画面 参考文献 1 阳宪惠 .现场总线技术及其应用.清华大学出版社 .1999 2 Charles E. Spurgeon著张健袁晓辉苗沛荣译 .以太网技术入门与实现.1998 3 西门子 (中国)有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子Wincc V6.北京航空航天大学出版社.2004