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PROFIBUS-DP诊断中继器在压机控制系统中的应用 |
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作者： |
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本文主要介绍汽车制造设备压力机控制系统采用PROFIBUS-DP总线时，西门子诊断中继器在压力机控制系统中的应用对网络拓扑结构和网络质量的改善。
目前现场总线技术凭借诸多优点在众多自动化控制领域得到广泛应用，如制造业自动化、过程控制自动化、电力、楼宇和铁路交通等工业领域，其中PROFIBUS-DP总线的应用极为普遍。随着生产车间对生产线要求不断提高，一些典型的总线应用方式逐渐暴漏出一些问题，为了避免这些问题，本文针对汽车制造业中冲压车间压力机的控制系统，通过在系统中使用诊断中继器来优化PROFIBUS-DP总线网络状态，来进行具体说明。
长城汽车股份有限公司第三生产制造事业部共有4条压力机生产线，共16台单台压力机，厂家在设计、施工时采用了线型结构，施工质量一般，通信速率很低，只有187.5 kbit/s。
后期维护时，只要遇到网络问题，从I/O模板，到总线连接，再到总线电缆状态等一系列故障点检查一遍，要花费半天时间，而且有时检查时需要在压机上下查找，不能够有效确定故障区域，浪费很多时间。公司的现场维护工程师遇到网络问题是件很头痛的事情。
典型的PROFIBUS-DP网络结构
普通单台压力机控制系统较小，网络站点较少，一般远程I/O站的数量设计约为15个，使用PROFIBUS-DP总线时，一般采用的拓扑结构都为总线型。图1所示为长城汽车股份有限公司普通四点单台压力机PROFIBUS-DP网络拓扑结构图。结合压力机本身结构特点为立体式、紧凑型机械结构，且压力机整机体积较大，控制器一般放置在压机一侧的电气控制平台上，距离压力机8～10m的距离。
图1 普通四点单台压力机PROFIBUS-DP网络拓扑结构
总线型网络结构给总线铺设和后期使用带来以下几个问题：PROFIBUS-DP总线布线围绕压机上下、左右和前后几个方向来回穿插布线，导致布线路径复杂，维护查找问题不便；整体压机本身体积不是太大，但PROFIBUS-DP总线经过曲折反复布线，使得PROFIBUS-DP总线绝对长度增加，对提高总线通信速率造成障碍；变频器等干扰源与普通远程站、DP/DP耦合器等控制信号通信线缆分布在同一网段内，总线之间没有电气隔离，增加总线通信的不稳定因素；网络状态情况不易把握，没有详细的诊断结果，平时一些奇怪的异常状态得不到彻底解决。
PROFIBUS-DP诊断中继器简介
西门子PROFIBUS-DP诊断中继器具有普通中继器的网络中继功能，网络中继的功能应用与普通中继器相同。该PROFIBUS-DP诊断中继器还具有诊断的功能，其诊断功能主要体现在以下几个方面：
1.拓扑结构
关于拓扑结构诊断功能，需要注意的是西门子诊断中继器只有DP2和DP3具有此功能。通过诊断中继器可以在系统运行过程中监视连接在DP2和DP3两个网段上的拓扑结构和故障点，拓扑信息包括PROFIBUS-DP站地址和到诊断中继器的距离。该信息可以从STEP7软件中作为图形显示（见图2），也可以通过用户程序进行读取。
图2 PROFIBUS-DP站地址和到诊断中继器的距离
2.诊断缓冲区
对于每一个网段（DP1/DP2/DP3/PG），诊断中继器都有一个诊断缓冲区，可以保存10条，这些信息可以在线读取（见图3），也可以通过用户程序进行控制读取。需要注意的是，虽然四个网段均有诊断缓冲区，但是只有DP2/DP3网段的诊断缓冲区内容包括完整的网络故障诊断信息，DP1/PG的诊断缓冲区内只包括站地址等非故障的普通信息，也就是说DP1/PG网段是没有诊断功能的。
图3 诊断缓冲可以保存10条信息
诊断中继器可以诊断出以下几种故障信息：信号线A/B断线；信号线A/B、屏蔽层短路；终端电阻缺失；连接松动；非法的级联；网段中存在两个或更多的检测回路；网段站点过多；站点离诊断中继器太远；错误信息。
诊断中继器目前无法识别的故障信息包括：终端电阻上没有电压；终端电阻连接，但并没有站点；额外的终端电阻；信号线A和B之间短路。
3.统计缓存
DP2和DP3两个网段包含了两个统计缓存区，其中包含了冲突故障率和报文故障率，这些信息可以用来衡量该网路的质量。这些信息可以通过STEP7在线读取，也可以通过用户程序进行控制读取。
诊断中继器在压机控制系统中应用
根据西门子诊断中继器自身功能特点，结合前文提到的压力机应用PROFIBUS-DP总线网络典型总线型拓扑结构的一些问题，尤其是集散化控制系统广泛应用于单台压力机、多工位压力机以及自动化生产线的现状，以及随着车间生产对控制系统网络稳定性要求日趋提高，人们对处理现场问题的快速响应性要求越来越高，我们可以从改善网络质量以及对问题及早发现并准确、快速定位故障点方面来满足车间生产的需求。西门子诊断中继器可以在一定程度上改善控制系统，弥补典型总线控制网络的不足之处。图4为长城汽车股份有限公司新改造的多工压力上料部分控制系统的网络结构图。此套系统目前正在应用的通信速率12Mbit/s。
图4 多工压力上料部分控制系统的网络结构
图4所示网络结构图也存在一些不合理的地方，比如数据交换DP/DP耦合器、远程I/O站、安全PLC与变频器在同一网段，且此网段没有诊断功能。变频器本身为重要干扰源，与其他设备在同一网段会给此网段的稳定性造成威胁。为此在我公司新建项目的压力机控制系统以及其他车间生产线设备控制系统均应用了诊断中继器，并做了详细讨论，完善网络拓扑结构，合理应用。做到了整个设备现场总线合理分配网段，根据设备类型和安装位置把生产线上总线设备分配到不同的网段，需要电气隔离的特殊设备分配到单独网段，此类设备的重要控制点采用硬接线是连接，避免因总线通信干扰使设备产生误动作。
结语
现在长城汽车股份有限公司把此种结构应用于多工位压力机和高速开卷线，两套设备的通信速率均为12 Mbit/s。问题出现时有相应的问题类型和所在设备区域提示，缩小了维护人员的问题查找范围。虽然有时诊断中继器的具体位置也不十分准确，比如总线电缆断线位置与实际位置存在很大差距，但可以告知维护人员问题网段位置和问题类型等基本信息。
通过在控制系统中应用西门子诊断中继器，使PROFIBUS-DP网络结构和质量得到一定程度的改善，而且通过使用SIMATIC管理器连接到PROFIBUS-DP，西门子诊断中继器的诊断信息可以很容易地显示在编程设备（PG/PC）上，而诊断中继器的所有数据在存储到一个数据块中之后可以被S7程序本身调用并且进行本地的或远程的显示、处理。西门子诊断中继器的线路诊断可以在运行早期检测并定位线路故障，并且能够在一定程度上改善网络环境，提高网络质量，这样系统故障可以在早期被检测出来，并且使设备停工时间降到最小。(end)
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(6/24/2010) |
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