西门子PLC模块6ES7231-7PB22-0XA8

西门子PLC模块6ES7231-7PB22-0XA8

CC-bbbb是Control&Communication bbbb (控制与通信链路系统)的简称。具有性能卓越、应用广泛使用简单节省成本等突出优点。
一般而言，我们将网络系统分为3至4个层次：管理层、控制器层、部件层，部件层也就是指装置层和传感器层。由于CC-bbbb的数据容量大，通信速度多级可选择，CC-bbbb是一个复合的、开放的、适应性强的网络系统，能够适应于较高的管理层网络到较低的传感器层网络的不同范围。
由于它的数据容量大，通讯速度广泛。

一、CC-bbbb的卓越性能：
CC-bbbb是一种高可靠性、高性能的网络。
CC-bbbb的优势如下：
1） 高速度大容量的数据传送可设定介于156Kbps到10Mbps间可选择的5种通信速度之一。
 总长度由*大通信速度决定。
 每个循环传送数据为24字节，有150字节用于通信传送。
 8字节（64位）用于位数据传送，16字节（4点RWr、4点RWw）用于字传送，
 （L=>M 34字节）。
 每次链接扫描的*大容量是2048位和512字。
在64个远程I/O站的情况下，链接扫描时间为3.7毫秒。
稳定快速的通信速度是CC-bbbb的*大优势。
CC-bbbb有足够卓越的性能应用于大范围的系统。
当应用10Mbps的通信速度时，*大通信距离是100米；当通信速度为156Kbps时，*大通信距离为1200米。
如果应用中继器，还可以扩展网络的总长度。通信电缆的长度可以延长到13.2KM。
 2）拓扑结构有多点接入、T型分支、星型结构
 3种型号的电缆及连接器可以支持将CC-bbbb元件接入任何机器和系统。

 3）CC-bbbb使分布控制成为现实
CC-bbbb同样用于低价的中间控制层网络。
 所有的本地站和智能站可以访问循环数据，如到达从站或来自从站的RX、RY、
RWr、RWw。（但不可改变这些数据）
如果使用这些循环数据，可以保高速的应答和稳定的刷新时间，使中间控制通信、中央控制系统变成现实。
有些应用中要求有控制层和元件层2种网络，这样的系统可以仅仅只用CC-bbbb。
由于CC-bbbb每个站有固定的循环数据的范围，可能使循环数据受到限制，但，它毕竟是一个低价的网络。
 
4）自动刷新功能、预约站功能 PLC
 以PLC作为CC-bbbb的主站为例，由主站模块管理整个网络的运行和数据刷新，主站模块与PLC的CPU的数据刷新可在主站参数中设置刷新参数，便可以将所有的网络通信数据和网络系统监视数据自动刷新到PLC的CPU中，不需要编写刷新程序，这样，也不必要考虑CC-bbbb主站模块缓冲寄存区的结构和数据类型与缓冲区的对应关系，简化编程指令，减少程序运行步骤，缩短扫描周期，保证系统运行实时性。
 预约站功能在系统的可扩展性上显示出极大的优越性，也给我们系统开发提供很大的方便。预约站功能指CC-bbbb在网络组态时，可以将现在不挂上网络而计划将来挂接到CC-bbbb的设备，在网络组态时事先将这些设备的系统信息（站类型、占用数据量、站号等）在主站中登录，而且可以将相关程序编写好，这些预约站挂接到网络中后，便可以自动投入运行，不需要重新进行网络组态。而且在预约站没有挂接到网络中时CC-bbbb同样可以正常运行。
 
 5）完善的RAS功能
 RAS是Reliability（可靠性）、Availability（有效性）、Serviceability（可维护性）的缩写。
 备用主站功能、在线更换功能、通信自动恢复功能、网络监视功能、网络诊断功能提供了一个可以信赖的网络系统，帮助用户在*短时间内恢复网络系统。 PLC资料网

 6）优异抗噪性能和兼容性
 为了保多厂家网络的良好的兼容性，一致性测试是非常重要的。通常只是对接
口部分进行测试。而且，CC-bbbb的一致性测试程序包含了噪音测试。因此，所
有CC-bbbb兼容产品具有高水平的抗噪性能。正如我们所知，能做到这一点
的只有CC-bbbb。
除了产品本身具有卓越的抗噪性能以外，光缆中继器给网络系统提供了更加可
靠、更加稳定的抗噪能力。
至今还未收到过关于噪音引起系统工作不正常的报告。

 7）互操作性和即插即用
CC-bbbb提供给合作厂商描述每种类型产品的数据配置文档。这种文档称为内
存映射表，用来定义控制信号和数据的存储单元（地址）。然后，合作厂商按
照这种映射表的规定，进行CC-bbbb兼容性产品的开发工作。
以模拟量I/O映射表为例，在映射表中位数据RX0被定义为“读准备好信号”，字数据RWr0被定义为模拟量数据。由不同的A公司和B公司生产的同样类型的产品，在数据的配置上是完全一样的，用户根本不需要考虑在编程和使用上A公司与B公司的不同，另外，如果用户换用同类型的不同公司的产品，程序基本不用修改。可实现“即插即用”连接设备
 8）瞬时传送功能
CC-bbbb的通信形式可分为2种方式：循环通讯和瞬时传送。
循环通讯意味着不停地进行数据交换。各种类型的数据交换即远程输入RX，远程输出RY和远程寄存器RWr、RWw。一个子站可传递的数据容量依赖于所占据的虚拟站数。占据一个子站意味着适合32位RX和/或RY，并以每四个字进行重定向。如果一个装置占据两个虚拟站，那么它的数据容量就扩大了一倍。
除了循环通信，CC-bbbb还提供主站、本地站及智能装置站之间传递信息的瞬时传送功能。信息从主站传递到子站，信息数据将以150字节为单位分割，并以每批150字节传递。若从子站传递到主站或其他子站，每批信息数据*大为34字节。瞬时传送需要由专用指令来完成。
瞬时传送不会影响循环通信的时间。

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

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*研华工控机，采用SIMENSE公司的软件WINCC作为应用画面监控程序开发平台。主要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。
（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、精确的通信。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，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