基于PROFINET的制絲線智能故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

梁群立++余翔++曹琛++俞仁皓

摘要：針對目前多數(shù)卷煙制造企業(yè)制絲線都是采用基于現(xiàn)場總線技術(shù)的管控系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的控制和管理，卻缺乏在線智能診斷故障研究的情況，本文對工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用進(jìn)行研究，提出建立一套智能故障診斷系統(tǒng)，通過智能故障診斷系統(tǒng)，對工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線故障實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確定位，保障網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定，為維修提供幫助，確保整個(gè)生產(chǎn)線安全平穩(wěn)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

關(guān)鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng)；現(xiàn)場總線；智能故障診斷；智能控制；管理一體化

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）33-0146-03

Designing and Realization of Prime Line Intelligent Fault Diagnosis System based on PROFINET

LIANG Qun-li， YU Xiang， CAO Chen， YU Ren-hao

（Chuzhou Cigarette Factory of China Tobacco Anhui Industrial Co.，LTD， Enterprise Management Science （Information Center） ， Chuzhou 239000， China）

Abstract：Aimed at the situation of most cigarette manufacturing enterprises prime lines are based on field bus management and control system to realize control and management of production， lacking online intelligent fault diagnosis. This paper researches the application of industrial Ethernet， and put forward a set of intelligent fault diagnosis system. This system could realize fast and exact orientation of industrial Ethernet and field bus， ensure Ethernet stably， help and support maintenance， guarantee safe and stable operation of the whole production line.

Key words：industrial Ethernet； field bus； intelligent fault diagnosis； intelligent control； management integration；

1 概述

制絲生產(chǎn)線是卷煙生產(chǎn)過程工藝流程最長的生產(chǎn)線，而且煙草企業(yè)都實(shí)現(xiàn)了制絲線的智能管控系統(tǒng)，是生產(chǎn)的控制核心，目前基于工業(yè)以太網(wǎng)的PROFINET技術(shù)已經(jīng)在煙草工藝廣泛應(yīng)用。

目前多數(shù)制絲線都是采用基于現(xiàn)場總線技術(shù)的管控系統(tǒng)，其主要功能是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的管理控制的一體化。目前存在的問題是由于各工藝段相對獨(dú)立，工序固定單一，適合固定產(chǎn)品的大批量生產(chǎn)。但當(dāng)前卷煙市場競爭激烈，產(chǎn)品的開發(fā)投產(chǎn)要求工藝技術(shù)不斷改進(jìn)，此時(shí)這類電控系統(tǒng)的剛性就暴露無遺[1] 。更為嚴(yán)重的是，當(dāng)控制系統(tǒng)的集中監(jiān)控計(jì)算機(jī)停機(jī)（包括正常停機(jī)和故障停機(jī)）時(shí)，整條制絲生產(chǎn)線就不能正常生產(chǎn)。如何對PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)通訊快速錯(cuò)誤檢測和故障診斷，提高維修效率。并能夠完成以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測，進(jìn)行故障預(yù)警，能夠完成歷史故障的記錄查詢與分析，保證生產(chǎn)的正常運(yùn)行，成為卷煙制造企業(yè)面臨的一個(gè)重要課題。

2 PROFINET網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用簡介

PROFINET由PROFIBUS國際組織推出，是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)。作為一項(xiàng)戰(zhàn)略性的技術(shù)創(chuàng)新，PROFINET為自動(dòng)化通信領(lǐng)域提供了一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)解決方案，囊括了諸如實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、運(yùn)動(dòng)控制、分布式自動(dòng)化、故障安全以及網(wǎng)絡(luò)安全等[2]。多數(shù)制絲線管控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分為設(shè)備控制層，集中監(jiān)控層，生產(chǎn)管理層三個(gè)子系統(tǒng)，現(xiàn)場總線采用PROFIBUS總線，底層設(shè)備通過PLC控制，實(shí)現(xiàn)了管控一體化。

根據(jù)設(shè)備分類，工業(yè)以太網(wǎng)故障一般為3類：

1）線路故障：常見現(xiàn)象有電磁干擾端口，接頭松動(dòng)，端口配置等；

2）交換機(jī)、路由器故障常見現(xiàn)象有：設(shè)備元件老化，CPU負(fù)荷太大，參數(shù)配置錯(cuò)誤等；

3）控制器、PC機(jī)故障：常見現(xiàn)象有端口配置錯(cuò)誤，IP地址配置錯(cuò)誤，應(yīng)用服務(wù)配置錯(cuò)誤，防火墻配置錯(cuò)誤等。

圖1 故障診斷步驟圖

3 項(xiàng)目的提出及設(shè)計(jì)思路

當(dāng)前，保持一個(gè)穩(wěn)定、高效、安全的工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)境是維持制絲生產(chǎn)線穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)之一。然而在實(shí)際使用中時(shí)常會(huì)發(fā)生一些故障，影響以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸，從而影響到設(shè)備間的正常網(wǎng)絡(luò)通訊，造成設(shè)備的停機(jī)或其他異常狀況的出現(xiàn)。

3.1網(wǎng)絡(luò)故障分析

常用的故障排查通常遵循以下5個(gè)步驟[3]：

1）收集所有可以收集到的故障信息，選取有價(jià)值的作為判斷依據(jù)，分析故障的現(xiàn)象。

2）對故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位，一般定位到某一特定的網(wǎng)段，或者是單一獨(dú)立功能組（模塊），也可以是某一用戶。

3）對故障進(jìn)行判斷，是軟件故障還是硬件故障。

4）完成定位，對故障進(jìn)行修復(fù)。

5）修復(fù)完成，測試故障是否已。

初步確定故障位置后，通?？梢酝ㄟ^如下三種方法進(jìn)行故障的進(jìn)一步確定[4]：

1）排除法

這種方法是指依據(jù)所觀察到的故障現(xiàn)象，盡可能全面地列舉出所有可能發(fā)生的故障，然后逐個(gè)分析、排除。在排除時(shí)要遵循由簡到繁的原則，提高效率。使用這種方法可以應(yīng)付各種各樣的故障，但維護(hù)人員需要有較強(qiáng)的邏輯思維，對交換機(jī)知識(shí)有全面深入的了解。

2）對比法

所謂對比法，就是利用現(xiàn)有的、相同型號(hào)的且能夠正常運(yùn)行的部件作為參考對象，和發(fā)生故障部件之間進(jìn)行對比，從而找出故障點(diǎn)。這種方法簡單有效，尤其是系統(tǒng)配置上的故障，只要簡單地對比一下就能找出配置的不同點(diǎn)。

3）替換法

替換法是指使用正常的部件來替換可能有故障的部件，從而找出故障點(diǎn)的方法。它主要用于硬件故障的診斷。

3.2常用網(wǎng)絡(luò)檢測方式

常用的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測方法有兩種，移動(dòng)式監(jiān)測和固定式監(jiān)測。

移動(dòng)式檢測，是人為連接各個(gè)交換機(jī)、子站、設(shè)備，來監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)通訊的方式。常見的檢測工具主要有電纜測試儀、網(wǎng)絡(luò)萬用表、網(wǎng)絡(luò)分析儀等。此種方式好處在于能準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，但是弊端是無法實(shí)時(shí)確定網(wǎng)絡(luò)故障，及時(shí)性較差，多數(shù)情況下是在故障已經(jīng)存在多時(shí)才發(fā)現(xiàn)，從而無法及時(shí)排除網(wǎng)絡(luò)故障。給生產(chǎn)帶來長時(shí)間停機(jī)的可能性增大，而且定位故障的過程冗繁復(fù)雜，短時(shí)間憑個(gè)人力量無法定位故障點(diǎn)，會(huì)耗費(fèi)大量的人力去排查故障點(diǎn)。

固定式監(jiān)測，是把網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)交換機(jī)、子站、設(shè)備連接成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，將各個(gè)設(shè)備的狀態(tài)呈現(xiàn)在HMI監(jiān)控界面上，通過狀態(tài)監(jiān)測各個(gè)設(shè)備。這樣可以直觀的監(jiān)測到故障點(diǎn)，及時(shí)定位網(wǎng)絡(luò)故障并解決，不會(huì)對生產(chǎn)帶來長時(shí)間的影響和停機(jī)。而且在HMI監(jiān)控界面，能準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)，節(jié)省了大量人力，是排查故障點(diǎn)變得簡單便捷。這種方式結(jié)合網(wǎng)絡(luò)診斷系統(tǒng)使用，容易實(shí)現(xiàn)故障診斷的自動(dòng)化。項(xiàng)目選擇固定式監(jiān)測，在HMI監(jiān)控畫面上實(shí)時(shí)顯示各個(gè)設(shè)備的狀態(tài)，包括交換機(jī)各端口的占用情況，子站模塊占用缺省狀態(tài)。為了更快更準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)，排除故障。以往的項(xiàng)目中，網(wǎng)絡(luò)檢測只能掃描到設(shè)備，檢測設(shè)備間的網(wǎng)絡(luò)通訊問題。項(xiàng)目可以監(jiān)測到點(diǎn)，針對交換機(jī)、子站內(nèi)部點(diǎn)的故障情況進(jìn)行監(jiān)測，可以監(jiān)測模塊缺省和通訊故障等問題，對故障信息實(shí)時(shí)報(bào)警，并可查詢過去的歷史報(bào)警，存入專家?guī)?。對交換機(jī)的每個(gè)端口的流量進(jìn)行監(jiān)視，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值、最大值，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，對流量過大的情況進(jìn)行報(bào)警。

3.3 功能需求的提出

智能故障診斷系統(tǒng)要主動(dòng)監(jiān)視工業(yè)以太網(wǎng)以了解局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的流量，同時(shí)具有學(xué)習(xí)與主動(dòng)發(fā)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)問題的能力。它能夠自動(dòng)、精確地定位工業(yè)以太網(wǎng)故障源，并分析、提示造成工業(yè)以太網(wǎng)異常最可能的原因，網(wǎng)絡(luò)管理者可根據(jù)它所的提示信息，著手解決工業(yè)以太網(wǎng)上的問題，協(xié)助專業(yè)人員排除故障并提升工業(yè)以太網(wǎng)性能。當(dāng)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議分析儀接上工業(yè)以太網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)會(huì)主動(dòng)地去抓取封包，并將抓取后所得到的封包資訊，建立成一個(gè)資料庫，同時(shí)利用專門設(shè)計(jì)的專家系統(tǒng)，自動(dòng)判斷出工業(yè)以太網(wǎng)上的異常狀況。并將每個(gè)異常狀況歸入知識(shí)庫中。專家系統(tǒng)分析網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)可以將專家的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)植入系統(tǒng)中，可以透視整個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)，并提出解決問題的信息。再如統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能：統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能在整個(gè)智能診斷系統(tǒng)中具有重要作用，它可以使工業(yè)以太網(wǎng)診斷分析的效能達(dá)到最優(yōu)化，智能診斷系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將專家系統(tǒng)分析后的數(shù)據(jù)整理成電子報(bào)表。網(wǎng)絡(luò)管理者從系統(tǒng)中可以查看這些信息，對如工業(yè)以太網(wǎng)的異常、工網(wǎng)絡(luò)性能等信息進(jìn)行記錄，存儲(chǔ)在本地?cái)?shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)能夠?qū)С龅紼XCEL等表格中，制成簡單易懂的報(bào)表。

4 智能故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1故障信息的收集

采用人工對網(wǎng)絡(luò)故障進(jìn)行排查，故障定位難、實(shí)施效率低、解決難度大，尤其是突發(fā)性的網(wǎng)絡(luò)閃斷，難以對故障點(diǎn)進(jìn)行信息的捕捉，導(dǎo)致同類的問題一再發(fā)生，問題始終得不到解決。經(jīng)維修人員反復(fù)對出現(xiàn)的故障點(diǎn)進(jìn)行診斷分析，將故障排查經(jīng)驗(yàn)整理匯總，針對不同故障現(xiàn)象編制出相應(yīng)的原因分析及故障處理方法，編制出維修經(jīng)驗(yàn)庫。

4.2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)布線與硬件配置

某煙廠制絲生產(chǎn)線現(xiàn)場共6套主PLC，暫定6套PROFINET檢測軟件，用來監(jiān)控主PLC與現(xiàn)場PROFINET 設(shè)備的通訊。PROFIBUS DP網(wǎng)絡(luò)通過COMbricks 診斷套件測試通訊狀況?，F(xiàn)場一級(jí)交換機(jī)為管理型交換機(jī)，能夠設(shè)置鏡像端口。工業(yè)臺(tái)式機(jī)用于監(jiān)控PROFINET通訊，安裝在集中監(jiān)控層，接入千兆光纖環(huán)網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如下圖所示：

4.3 項(xiàng)目軟件實(shí)現(xiàn)

項(xiàng)目應(yīng)用兩款軟件，一個(gè)是西門子Sinema Server，一個(gè)是FameView。Sinema Server 西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)管理軟件能夠快速診斷工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)交換機(jī)SCALANCE、PROFINET和CP443-1、CP343-1、ET200（PN）等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的通訊狀態(tài)，支持IE和FireFox瀏覽，易于集成到WinCC、OPC等上位系統(tǒng)[5-6]。

FameView組態(tài)軟件系統(tǒng)是北京杰控公司集針對PLC工程應(yīng)用，基于Windows NT 、Windows 2000/XP操作平臺(tái)，獨(dú)立研制開發(fā)的組態(tài)軟件，能為用戶提供經(jīng)濟(jì)完善的工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控解決方案[7] 。

FameView組態(tài)軟件，方便連接上位機(jī)和設(shè)備，不是通過瀏覽器的方式訪問，可以做到與中控監(jiān)控風(fēng)格的統(tǒng)一。

在下位的各個(gè)機(jī)柜中，安裝了一個(gè)工業(yè)計(jì)算機(jī)NHK5201，可以準(zhǔn)確的診斷交換機(jī)和子站的端口和模塊占用狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)通訊情況，并傳輸數(shù)據(jù)到上位監(jiān)控畫面。而不僅僅限于Profinet層面的網(wǎng)絡(luò)診斷和網(wǎng)絡(luò)管理，可以將生產(chǎn)工控網(wǎng)的設(shè)備情況，一并反應(yīng)到監(jiān)控服務(wù)器。

4.4 系統(tǒng)的監(jiān)測功能建立

通過對電氣維修人員需求分析調(diào)查，查閱近年來的維修記錄，完成異常故障的信號(hào)采集與信息處理。首先對正常網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下的參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析常見網(wǎng)絡(luò)故障的特征及處理方法，方便系統(tǒng)編碼識(shí)別。將監(jiān)測功能分為網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測、CPU監(jiān)測、交換機(jī)監(jiān)測、子站模塊監(jiān)測等。

4.5 系統(tǒng)故障診斷功能的建立

通過建立狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)監(jiān)測到異常時(shí)進(jìn)行自動(dòng)判斷，查找反饋信號(hào)與監(jiān)測位置的一一對應(yīng)關(guān)系，并發(fā)出報(bào)警，可以精準(zhǔn)定位故障發(fā)生位置、故障類別，為維修人員檢測、判斷提供便捷。

4.6 智能學(xué)習(xí)功能的建立

一是通過故障統(tǒng)計(jì)功能，為技術(shù)人員提供分析數(shù)據(jù)，對一段時(shí)間內(nèi)故障分析進(jìn)行分類，為系統(tǒng)維護(hù)提供指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了故障預(yù)警管理；二是通過專家?guī)斓慕⒑途S護(hù)，實(shí)現(xiàn)了智能學(xué)習(xí)功能。對已經(jīng)發(fā)生過的故障，錄入其特征描述，維修方案。在今年發(fā)生類似故障時(shí)，自動(dòng)向維修技術(shù)人員提供解決建議，也為技術(shù)人才的培養(yǎng)提供了一個(gè)新的平臺(tái)[8]。

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)于2015年7月投入使用，已經(jīng)成為電氣技術(shù)人員的故障維修得力工具，也為網(wǎng)絡(luò)日常維護(hù)提供了準(zhǔn)確支撐，為維修經(jīng)驗(yàn)總結(jié)、技術(shù)人員培養(yǎng)提供了寶貴資源。

采用基于PROFINET構(gòu)成在線智能故障診斷系統(tǒng)，具有可靠性高，系統(tǒng)結(jié)可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。根據(jù)不同的客戶需求和使用情況，可靈活擴(kuò)展為多種不同的模式。整個(gè)系統(tǒng)集成度高，能滿足工業(yè)控制系統(tǒng)分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的要求，可極大地提高工業(yè)控制現(xiàn)場的自動(dòng)化水平。新項(xiàng)目有較強(qiáng)的擴(kuò)容性，提高企業(yè)柔性制造能力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張杰.工業(yè)以太網(wǎng)PROFINET革新制絲線的電控系統(tǒng)[J].國內(nèi)外機(jī)電一體化技，2008（11）：37-39.

[2] 王德吉，栗衛(wèi)軍，邊永生.基于PROFINET的煙廠電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化博覽，2009（3）：46-49.

[3] 張承艷.以太網(wǎng)常見故障的排除[J].南鋼科技，2000（3）：39-40.

[4] 李躍春.淺談交換機(jī)故障的一般分類和排障步驟[J].科技信息，2007（1）：230-231.

[5] 馮國華.西門子PROFINET系統(tǒng)說明書A5E00879148_01 2006/10.監(jiān)控組態(tài)軟件及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.

[6] 西門子（中國）有限公司. SIEMENS WinCC V6.0編程手冊[Z]. 北京：SIEMENS公司，2007.

[7] 袁業(yè)升.強(qiáng)制式瀝青拌合站電氣控制系統(tǒng)研究[D].成都：西南交通大學(xué)， 2009.

[8] 馬克.工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的開發(fā)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2008，3（9）：1918-1919，1922.