西门子模块6ES352-1AH02-0AE0

1 引言

电厂的一个重要组成系统是输煤系统，目前我国的输煤系统一般都采用plc、dcs系统，输煤系统主要由翻车机给料带、轮斗机、皮带、犁煤器、碎煤机、除铁器等一系列设备组成，其中皮带系统占了重要组成部分，皮带的控制又可分为启动皮带、停止皮带、皮带跑偏报警、上下级皮带的联锁以及皮带电机的电流信号控制，皮带系统的仿真是输煤系统仿真中的一个重要方面，我们必须建立皮带系统的模型，利用此模型，可以做一些皮带正常启停，皮带故障的模拟，从而达到对工业现场的模拟，并可以用仿真系统实现模拟工业现场,调试输煤系统的目的。

就目前的情况看仿真系统一般为有线系统，在很大程度上限制了运用仿真系统在不同的地点对输煤系统进行调试，而目前出现的无线控制网络是用一些无线模块搭建的可移动的网络系统，可以实现一点对多点或者多点对多点的通信功能，而在工业现场中,我们需要有很多分散的控制模块，这样，利用无线网络，可以很好的实现输煤系统或者是其他较分散的系统的仿真。

项目选择了现在比较可靠的无线模块ptr8000作为建立无线网络的基本模块，主要建立一个输煤仿真系统，其组成为：一台计算机，在计算机上模拟输煤皮带的界面，利用opc server，通过串口连接无线收发模块，无线收发模块的作用是实现上位仿真机与dcs系统的通信。另外，我们还将开发分别带ai、ao、di、do接口的无线模块，其中带ai、di模块的无线模块是无线发送模块，带ao、do的无线模块是无线接收模块，它们分别与dcs系统中的ao、do、ai、di模块连接。利用这套系统，我们可以很好的完成皮带系统的模拟,对工业现场进行仿真。整个系统如图1所示。

图1 输煤仿真系统

2 无线网络

2.1 无线局域网技术和标准

无线网络作为有线网的扩展和补充，在有线设施使用受限的场合发挥着无可替代的作用。由于ism(industry/scientific/medical)频段的开放，经营者和用户不用申请受权就可以自由使用这些频段，从而促进了无线数据通信技术的发展。无线数字传输常用的调制方法有窄带数字调制和扩展频谱调制，目前以扩频调制方式居多，主要包括直接序列(direct sequence，ds)扩频、跳频(frequency hopping，fh)扩频、跳时(time hopping，th)扩频、线性跳频扩频及其组合等。

无线局域网(wireless lan)出现在20世纪90年代，随着wlan市场的急剧增长，出现了多种无线局域网技术和标准，其中包括：

（1）以无线lan(local area network)为典型应用的、ieee 802.11和hiperlan；

（2）由家用射频工作组(home radio frequency working group,hrfwg)提出的以家庭应用为主要背景的共享无线访问协议(shared wireless access protocol,swap)；

（3）蓝牙特别兴趣小组(bsig)提出的蓝牙系统；

（4）lmds(local multipoint distribution service)宽带固定无线接入技术，即本地多点分配业务系统；

（5）超宽带无线通信技术(uwb)。802.11标准是ieee(institute of electrical and electronics engineers)推出的无线互连协议，包括802.11a和802.11b两种变体，其中802.11b的速率达到了11mbps。802.11标准使各种不同厂商的无线产品得以互连。

2.2 无线模块

（1）ptr8000模块介绍。ptr8000是专门为点对多点无线通信设计的一块高性能嵌入式无线模块，多频道多频段，低功耗模块。内置完整的数据通信协议和crc检错，只需通过spi即可完成所有的无线收发传输，无乱码输出。体积较小，内置环行天线，性能稳定且不容易受外界影响，对电源不敏感。它的大发射功率为+10dbm，高抗干扰gfsk调制，可跳频，独特的载波监测输出，地址匹配输出，数据就绪输出。由于具有以上特点，这块无线模块适合运用在工业现场作为工业局域网的基本无线模块。

（2）其他组成模块介绍。我们设计的模块是带di(开关量输入)，do(开关量输出)，ai(模拟量输入)，ao(模拟量输出)模块的无线模块，主要利用m68hc12单片机作为模块的核心单元，外围的电路分别实现工业现场的di，do，ai，ao功能，并考虑工业现场的干扰较多，所以在设计时加上外围的抗干扰电路，例如di模块的rc滤波电路，光电隔离电路等。利用m68hc12单片机的spi接口，我们可以很容易的实现与无线模块ptr8000通信。另外，在与上位计算机连接时，我们还设计了专门与计算机连接的m68hc12为核心的收发模块。

di发送模块：主要是连接dcs设备上的do模块，其作用是采集由dcs的do模块发送的数字量，经过一系列处理后，通过编码的方式传送给无线发送模块，再按照一定的协议，发送出去。

do接收模块：主要是连接dcs设备上的di模块，其作用是将无线接收模块发送的数据，经过一系列解码处理后，以数字两的形式传送到dcs设备上的ai模块。

ai发送模块：主要是连接dcs设备上的ao模块，其作用是采集由dcs的ao模块发送的模拟量，经过一系列处理后，通过编码的方式传送给无线发送模块，再按照一定的协议，发送出去。

ao接收模块：主要是连接dcs设备上的ai模块，其作用是将无线接收模块发送的数据，经过一系列解码处理后，以模拟量的形式传送到dcs设备上的ai模块。

这样，五大模块组成了整个仿真系统的硬件无线网络部分，构成了一个无线局域网络，我们可以利用很多这样的模块实现一个大的输煤仿真系统。

3 无线网络软件实现

3.1 原理设计

由于与rf协议相关的高速信号处理部分已经嵌入在模块内部，ptr8000可与各种低成本单片机配合使用，也可以与dsp等高速度处理器配合使用；ptr8000提供了一个spi接口，速率由微处理器自己设定的接口速度决定.在rx模式中，地址匹配（am）和数据准备就绪（dr）信号通知mcu一个有效的地址和数据包已经各自接收完成，微处理器即可通过spi读取接收的数据.在tx模式中，ptr8000自动产生前导码和crc校验码，数据准备就绪（dr）信号通知mcu数据传输已经完成。

ptr8000有以下三种模式：

（1）配置编程：上电后mcu首先配置ptr8000模块.先将pwr、txen、trx_ce设为配置模式，mcu通过spi将配置数据移入ptr8000模块；在掉电和待机模式工作后,配置内容仍然有效.配置数据只有当电源撤除后才会消失。

（2）发射模式：当mcu有数据需要发往规定节点时，接收节点的地址（tx-address）和有效数据（tx-payload）通过spi接口传送给ptr8000.应用协议或mcu设置接口速度。mcu设置trx_ce、tx_en为高来启动输。ptr8000内部处理无线系统自动上电，数据包完成（前加导码和crc校验码），数据包发送（100kbps，gfsk，曼切斯特编码）。如果auto_retran被设置为高，ptr8000将连续地发送数据包，直到trx_ce被设置为低。当trx_ce被设置为低时，ptr8000结束数据传输并将自己设置成待机模式。

（3）接收模式：通过设置trx_ce高，tx_en低来选择rx模式。650us后，ptr8000监测空中的信息。当ptr8000监测到频率相同的载波时，载波监测（cd）被设置为高。当ptr8000接收到有有效的地址时，地址匹配(am)被设置为高。ptr8000将接收有效的数据包(crc校验正确)时，ptr8000去掉前导码、地址和crc位，数据准备就绪（dr）被设置为高。mcu设置trx_ce为低，接收完成，进入待机模式，mcu可以以合适的速率通过spi接口读出有效数据。当所有有效数据被读出后，ptr8000将am和dr设置为低。

3.2 无线网络mcu主程序

在无线传输网络系统中，如果信息传输量很多，任务饱满，可采用令牌方式。此种传播方式比其它方式有更好的吞吐率。其实现原理如下：网络一建立，就产生一令牌，该令牌在网上传输。当一个站收到令牌，则说明该站具有传输信息的权利，然后进行信息传输，传输完之后，再将令牌发往下一站。如果该站没有信息传输，则直接将令牌发往下一站。下一站获得令牌进行信息传输，再将令牌发往再下一站。以此类推，直到所有站传递完之后再回到头，周而复始，实现全网信息传输。

要保证可靠接收，环中任意两站之间要限制距离，并保证环路初始建立时不出现隐蔽结点。在无线环网中采用帧交换方式，在环网的方式下，主要解决以下几个问题。

（1）系统初始化（令牌产生）。系统初始化需要解决令牌产生的问题。当无线网络安装好以后，各站均有责任产生令牌，但在整个网络中，仅有一个令牌。产生令牌的原则是:按地址大小排序，具有小地址站有资格作为令牌的起始站。

（2）逻辑环的建立。初次拥有令牌的站，将本站地址填入“征求—后继者”帧中，然后发送“征求一后继者”帧，再监听信道上有无响应帧。当各接收站收到“征求—后继者”帧时，则将征求者站地址按地址大小排序填入资源表中（重复的不填），再检查本地址是否在征求者所需覆盖的地址范围，若不在，不发响应帧。若在则发“设置一后继者”响应帧。当原发站收到“设置—后继者”帧时，建立或修改本站中的后继者地址，并向后继者传送令牌。当有多个响应站“设置—后继者”帧时，则只能通过仲裁算法来确定唯一的响应者作为后继者。后继者得到令牌之后，再征求后继者，直到没有响应为止，然后将资源表中的个站点作为自己的后继站发送令牌，这样逻辑环就初步建立了。

（3）逻辑环的管理。初始化建立了逻辑环之后，还存在着令牌的维护，新站的加入和老站的退出事务处理。这些管理是很复杂的，因具有动态的过程，下面分成4 个部分：令牌传送、正常操作过程、新站加入逻辑环、退出逻辑环。

1.系统概述

    北京西站作为首都北京的一个窗口，但其低压供电状况存在许多不足：中心站、东附楼、西附楼、南站房大部分开关无分合闸状态指示，不能集中监控；东、西附楼供电设备的电压、电流、功率、电度虽设有集中监视、自动记录，但由于设备简单，仍需单独设岗人工值班；配电室内温度、湿度、防火、防盗、防非法入侵功能也不具备。

    北京西站低压供电监测系统，是一个开放体系结构的分布式系统，该系统适用于供电系统各种信号监测的要求，具有灵活的配置性能和很高的可靠性。该系统的主要特点是完成了由集中式向分布式的转变，只用一根普通的双绞线就可将现场各种远程I/O智能采样模块连接起来，形成现场通讯网络。监控单元可以直接分散安装在离现场设备近的地方。

    系统硬件部分采用PROFIBUS现场总线和Kinco-R1远程I/O系列模块。其中使用2块Kinco-B131PC适配卡实现微机与PROFIBUS的连接；2块Kinco-R131-08IVA/D转换器共16点采集现场中的模拟量信号并转换为数字量通过总线传送到微机；8块Kinco-R121-08DX8路DI数字量输入模块共64点、15路DI数字量输入模块37块共555点完成系统开关量的监控；Kinco-B141中继器2块延长总线距离；14块智能交流采样模块共196点，累计共用831点。

    系统软件采用“组态王”软件进行组态，该软件运行于Microsoftbbbbbbs95/98/NT中文平台的全中文界面，采用了多线路、COM组件等新技术，实现了实时多任务，软件运行稳定可靠。

    2.系统结构

    （1）系统结构如下图所示：两个主站由两台工控机系统组成，分别安装在中心站和南站房，它们分别读取从站数据，在各自的CRT上显示。    

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    Kinco-R1系列I/O模块作为PROFIBUS现场总线上的从站，进行现场数据的采集和必要的控制。

    主站与从站共同构成多主多从的PROFIBUS系统。主站在预定的周期内与分散在中心站地下室、东附楼、西附楼、南站房的从站交换信息。任何一个主站均能读取从站的信息，所以是一个冗余结构。

    （2）系统硬件的基本配置

    A.两台主机，采用PC兼容的奔腾II微机，主频233MHZ，内存64M，硬盘6.4G，PC适配卡两块，双机热备方式运行。

    B.打印机1600K中英文打印机一台。

    C.监视器：分辨率1024＊768的高分辨彩显bbbA卡驱动，对角尺寸21寸。

    D.采样模块：采用Orient-2010A/D转换器两块，完成温度、湿度等模拟信号的采集。

    E.交流采样模块：采用Kinco-R1系列电量变送器，采样三相电压、三相电流完成各变配电所的U、I、P、Q、功率因数、开关状态的巡回测量及有、无功电度的连续积累、事件记录、信号报警等任务。

    F.开关量模块：采用Kinco-R1系列8路数字量输入模块、Kinco-R1系列15路数字量输入模块，实现对现场所有开关量的采集。

    G.UPS不间断电源，提供可靠的电源保证，以防止突然断点造成监控系统的瘫痪和生产损失。

    3.系统的基本功能

    （1）供电中心操作站功能

    供电中心操作站是整个低压供电系统的监测中心，它对中心站、南站房、东附楼、西附楼的各配电室的开关状况、温度、湿度、非法入侵报警以及实时曲线、历史曲线、系统报表等系统的详细情况进行监测。

    （2）现场仪表

    现场仪表提供标准的4-20毫安工业电流信号，通过Kinco-R1远程I/O系列模块数字化转换后经PROFIBUS现场总线送给上位

    机进行监控。

    （3）现场总线技术

    PROFIBUS现场总线技术的运用是整个系统的一个显著的特点。PROFIBUS现场总线硬件组成简单、网络协议实用、抗干扰能力强，是国际上公认的性能好的现场总线之一。

    4.系统实现的功能

    （1）自动监测低压配电系统的开关状态及电压、电流、功率、功率因素、电能等实时电量数值；

    （2）故障报警、实时追踪显示、自动弹出故障所在画面；

    （3）电能计费；

    （4）变压器温度超温报警检测、监视；

    （5）东、西附楼配电室室内温度、湿度检测、显示；

    （6）东、西附楼无人值守、防火、防盗、防非法入侵；

    （7）中心站、南站房各设一个主站，构成冗余系统；

    （8）CRT画面逐级监视；

    （9）主站与从站通信采用PROFIBUS现场总线；

    （10）留有升级、扩展接口。

1 引言
冶金工业是自动化技术和信息技术应用十分广泛的领域，同时由于冶金工业生产现场环境恶劣，具有高温、电磁噪音强烈、多尘的特点，因此冶金行业对其控制系统要求较高。随着现代控制技术和计算机技术的发展，PLC以其可靠方便，编程简单，控制灵活等特点在冶金工业中得到了极为广泛的应用。现代3C（computer control communication）技术的迅速发展，使得现代化的自动化控制的系统结构发生了变革，逐步形成了以网络集成自动化系统为基础的信息控制系统。现场总线技术正是这次技术变革的产物。它使现场各仪表及各控制设备之间构成了网络互连系统，突破了原先一台装置控制一台控制器的模式，实现了工业控制系统的分散化、网络化、智能化和数字化。PROFIBUS是德国西门子公司提出的一个高层次工业控制现场总线标准，主要用于控制系统的分布式控制，传输速率快，可靠性高，造价低，是目前使用较广泛和较成熟的一种现场总线技术。
基于以上两因素，PLC网络技术的应用日渐普及。但是我们在享受着现代网络技术带来方便快捷的同时，由于系统的结构规模大型化复杂化，故障诊断功能使得故障发生时快速准确地判断出网络控制系统中故障的具体原因和位置的问题，具有有十分重要的工程意义。
针对钢铁企业的型钢车间飞剪及冷床设备改造，我们结合现场具体情况，设计了基于PROFIBUS网络的控制系统。同时，在编制控制程序的过程中，充分利用编程软件中的故障诊断块，在原程序中添加了网络故障诊断语句，以期在满足生产工艺的基础上，能及时准确地处理故障。

2 控制系统的构成
2.1 飞剪及冷床控制网络构成
改造后的飞剪及冷床控制网络构成、网络系统图如附图所示。

附图 飞剪及冷床控制网络结构图

其中，飞剪控制操作面板选用的是西门子公司的OP27操作面板，上位机选用台湾研华工控机，采用SIMENSE公司的监控软件WINCC作为应用画面监控程序开发平台。主要任务是监视和控制整个飞剪及冷床的现场运行状态，为飞剪及冷床的生产工艺过程设置参数提供人机接口。
PLC选用德国西门子公司的S7-300系列PLC，飞剪及冷床共用一块CPU模块进行控制，模块型号为CPU315-2DP，两块ET200M分布式I/O模块分别作为飞剪及冷床操作台远程站。
飞剪电机的直流驱动装置选用西门子6RA70。在直流驱动装置中，加装了CBP2通讯板，以与PLC构成PROFIBUS-DP网络通讯。
在PLC与操作控制台、OP27以及飞剪直流驱动装置间，通过双绞线通讯电缆构成网络通讯连接，网络控制协议采用PROFIBUS-DP，是控制系统的重要组成部分。
在这个PROFIBUS网络系统中，采用的是单主站（MASTER）、多从站（SLAVE）的通讯方式。单主站为主PLC，从站共4个，包括飞剪操作台-3#从站（IM153-1）、冷床操作台-4#从站（IM153-1）、5#从站（OP27）、6#从站飞剪整流柜（MASTERDRIVES）。

2.2 主站和从站的通信
（1）在PROFIBUS-DP网络通讯中，采用令牌循环查询方式，从设备循环向主设备查询。
（2）DP单主站和分布式输入输出从站的通讯、编程较为简单。在硬件安装完成后，只需在PLC硬件配置中为从站的输入输出模块设定地址范围，即可用常规方法进行编程。设定地址不可与主站的I/O地址发生冲突。ET200M属于模块化DP从站的典型代表，在S7组态软件HEconfig组态从站时定义其输入输出地址。
（3）DP主站与复杂功能的从站的通信。简单从站一般指带有某些特定通信模块，实现单一功能的设备。这里，6RA70直流传动装置，由于数据通讯量较大，不能用简单的数据结构完成任务。在飞剪电机的直流驱动装置中，加装了CBP2通信模板。DP主站和简单从站之间可通过PROFIBUS-DP网络实现快速、**的通信。直接对双方进行参数配置即可实现主从之间的通信，参数配置简单且易于实现。在SIMATIC S7中，系统功能SFC14DPRD_DAT和SFC15DPWR_DAT是专为实现此功能设计的。

3 故障诊断程序设计
由于本控制系统模块较多，布置比较分散，从站与控制柜所在的控制室相距较远，一旦发生故障，很不利于排除故障。因此，有必要对PLC网络进行故障诊断，以判别故障的具体位置和产生原因。
3.1 PLC故障诊断的方法
在由西门子S7-300系列PLC组成的网络中，当发生故障时，一是可以利用CPU模板面板上的BUSF故障指示灯进行判断，当PROFIBUS-DP接口硬件或软件故障时，对应的BUSF（总线错误，红色）灯亮。PLC操作系统STPE7会自动调用相应的错误处理OB（Organization Block）。因此，在错误处理OB中编程可以有效的对网络故障进行诊断。但有些故障由于PLC模块诊断能力限制，不能引起操作系统调用错误处理OB的硬件故障，则必须在其它OB（一般是OB1）中编程解决。
3.2 故障概率分析
由于PLC模块本身可靠性较高，并且其所处控制室内环境良好，温度适宜，粉尘较少，所以PLC模块发生故障的概率很低。故障率较高的部位是现场环境恶劣（高温、粉尘多、震动、防护少、冷却水等）的各类设备与I/O模块之间的信号连接；其次是所处环境较为恶劣（经过现场），但防护等级较高的PROFIBUS-DP接口硬件。
3.3 错误处理OB的具体功能
在本控制系统中，采用的标准CPU型号是CPU315-2DP，包含有以下故障诊断OB：OB40（硬件中断错误）、OB80（时间错误处理）、OB81（电源供应错误）、OB82（诊断中断错误）、OB85（优先级中断错误）、OB86（机架失效错误）、OB87（通信错误）。在这里，结合现场情况，实际采用的OB是OB80、OB81、0B86。当操作系统调用上述OB时，同时在OB的临时变量区以代码的形式给出详细的错误信息，错误信息代码及详细内容可以查阅有关资料。通过这些信息可以有针对性的进行故障诊断编程。当出现某种错误代码信息时，即可判定出现了对应的故障和故障位置。
3.4 故障诊断OB的分析
（1）操作系统调用OB80
OB80是一个时间错误处理OB，引起S7-300操作系统调用OB80的原因一般是软件故障，主要是程序在执行过程中，由于调用了大量OB从而造成PLC循环超时。如果OB80没有被编程，则操作系统将转到“STOP”模式。如果在这种情况下不想让操作系统转到“STOP”模式，则在程序的恰当点调用模块“SFC43 RE_TRIGR”，重新启动循环监视时间。
（2）操作系统调用OB81
S7-300操作系统调用OB81的主要原因是直流24V电源故障或者备份电池失效。在本控制系统中，只有一块CPU模块，如果直流24V电源出现故障，则系统将不能正常工作。当系统调用OB81时，唯一可能的原因只能是备份电池失效。
（3）操作系统调用OB86
在本控制系统网络故障诊断程序的编制中，OB86发挥了较为重要的作用。OB86是机架故障OB，当扩展机架失效、DP主站失效或者分布式I/O系统中某一站点发生故障时，S7CPU的操作系统作出反应调用此OB，故障产生和消失时都会产生中断。如果OB86未被编程，当系统检测到此类错误发生时，操作系统将自动转入“STOP”模式。在编写OB86组织块的程序时，可根据启动信息，判断哪个机架损坏或找不到。可以用系统功能SFC53“WR_USMSG”将报文存入诊断缓冲区，并将报文发送到监控设备。
对于如附图所示的PLC网络，当主站与6#从站间的总线断开时，所有的4个从站与主站的联系全部中断。因此，在一个PLC循环中，OB86会被调用4次。同理，当主站与3#从站间的总线断开时，在一个PLC循环中，OB86会被调用3次。根据OB86被调用的次数，可以确定故障的大致位置。另外，也可能出现两个或多个从站同时发生故障的情况，但出现的概率较小。当确定是从站本身故障时（如ET200M掉电，背板总线故障等），由OB86的启动信息可直接诊断出具体是哪个从站。发生故障信息时，OB86临时变量区的本地变量OB86_FTL_ID存储的出错代码如“C3、C4、C7”的个别位将显示故障DP的ID，可根据位的详细意义进行编程。详细的含义可参见STEP7系统手册，在此不再赘述。
（4）几点说明
如果PLC网络发生了使操作系统自动调用某故障处理OB的故障，而PLC的程序中未下载该OB，则CPU会转入停止状态（调用OB81的故障除外），也就是说，某一从站的故障可能引起整个系统瘫痪。因此，一般应把所有的错误处理OB全部下载到程序中，即使不在其中编程。
在PLC控制网络中，进行故障诊断不仅有必要，而且是可行的。由于错误处理OB只在PLC发生故障时才会被调用，所以在正常运行中，对PLC的运行效率基本上是没有影响的。

4 结束语
系统投入运行以来，使用效果良好。实践证明，将现场总线引入控制系统，不仅使安装、调试、维护更加容易，而且通过故障诊断技术提高了系统可靠性。网络技术在控制系统中的应用，是一种较为新颖的控制技术，如何在工业现场中合理运用，使其发挥应有的作用，仍然是今后我们不断研究的课题。