1、工业控制计算机2023年第36卷第2期Siemens PLC 系统诊断研究与应用刘本发赵传同田晓伟（一汽-大众汽车有限公司青岛分公司，山东 青岛266200）摘要：西门子PLC系统功能和标准函数提供丰富的目录及技术规范，用于处理相关控制任务与功能，这些系统功能是系统诊断的重要方法要素。PLC的操作系统通过中断机制管理事件，系统诊断功能检查相关的系统错误及编程错误，依据诊断事件请求回调系统功能产生相关响应（中断调用）。这些系统诊断响应有系统RUN/STOP、故障响应、请求OB调用等。如同消息订阅，用户通过编程相关消息(消息块函数)可以在WinCC、HMI实现可视化报警，如ALARM消息报警。关键
2、词：OB组织块；事件；系统诊断；中断；消息；S7_ALARM1系统诊断Siemens PLC（Programmable Logic Controller），在发生系统类故障时，诊断往往十分困难。本文通过论述系统诊断信号流工作机制和原理，帮助程序员、工程师、维护人员快速发现并解决问题。以S7-300和Profinet为例，图1是系统诊断信号流的一般性描述：图1系统诊断信号流系统诊断包括系统错误诊断、IO诊断、有诊断能力的模块的诊断，分为同步诊断和异步诊断。它是运行于操作系统上的集成功能，属于是诊断功能层，本文借助于分层的方法来形象化地探讨，图1就是分层描述。这里特别说明诊断基于项目，没有项目没有
3、用户程序的CPU只是自我的管理。因此，系统诊断是对项目及组态数据的诊断。2系统诊断响应如图1的实线信号流，系统诊断检查系统错，当诊断请求事件触发时会有如下相关响应：事件写入Diagnostic Buffer用于在线诊断；中断OB1运行，依据事件类别的请求，调用相关的诊断OB（用户程序接口）进而访问它的用户程序执行诊断响应任务；写入CPU系统数据区相关诊断信息及状态。这些响应最终由操作系统完成PLC状态的管理如命令停机、启动。案例如下：案例一：45号IO设备站，插槽10的输入模块拔出，IO站SF红灯闪烁。事件触发后响应：诊断Buffer信息写入，事件代码ID编号为16#3951，如图2所示；诊断
4、请求调用OB83；CPU由RUN停机STOP。如果先不插入该模块就Restart，这时CPU也可以启动为RUN，但SF会报警。结论：事件是在进入时触发，系统数据区诊断信息此刻并未清除。图2在线事件2.1诊断事件写入BufferPLC事件无论状态轮询型事件（如IO站状态）还是中断发送型事件（如模块插拔）都是按照表1的编码规则生成事件编号。表1事件编码格式事件ID的16编码中，Event Class共分为1、2、3F等级15个类别，其中包含了用户定义类别A、B及系统预留D、E类别事件。类别是指事件信息来源，如异步检查错误、同步程序运行错误、通信错误、模块诊断等等；IDs是进入/离开事件、内外部错误
5、等。图2中，EVENT/16#3951：3类别，异步检查错误；9外部进入事件；51事件编号。3类事件就是诊断类别事件，在诊断请求后响应写入Buffer区记录，通过编程读取或者在线查看事件附加信息还可分析原因、定位故障点（参见本文编码案例）。2.2 OB调用组织块包括循环OB、中断OB、诊断OB见表2。事件驱动型OB是与项目的编程及配置相关的组织块，诊断OB就是诊断事件响应后执行的调用，如果未检测诊断OB的存在，则CPU停机。表2OB类型图3左侧部分为一些诊断OB中断了OB1主循环，是为异步错误；同步错误是程序执行中的计算与访问错误，发生在主循环OB1中，正如图3系统诊断的响应要执行OB调用。案
6、例一就是异步错误，通过中断来发送诊断事件。这里同步异步错误如同进程中线程概念。图3系统诊断OB调用2.3刷新CPU系统状态区CPU系统状态区是一个广义的概述，它包含系统数据区（如组态、通信）、CPU模块状态、模块诊断数据等的数据记录，27Siemens PLC系统诊断研究与应用它不等同于SSL，SSL（系统状态列表）是在请求时创建的列表，属于虚拟列表。CPU系统状态区在笔者看来是元数据列表，包括系统数据、状态数据及诊断，通过进一步诊断还可以获取更为具体诊断信息。SSL是这些列表集合的子集，因此，它是虚拟列表和部分列表，SSL一般地代指系统状态信息。如图1，事件触发，诊断响应更新系统状态区记录。
7、3系统诊断途径及方法应用通过组态工具在线查看Module information，获取一般信息和Diagnostic Buffer是便捷的方法，却不能为用户编程所用，获取诊断信息变量并解析其意义，是本文论述的诊断途径及方法（图1虚线信号流）。3.1 OB堆栈临时变量解析西门子PLC在OB本地堆栈预留了20个Byte的TEMP变量用于描述事件等级、错误代码、地址信息、优先级、时间戳等信息。通过临时（TEMP）变量解析编程获取诊断信息，可实现报警或者消息的编程应用。具体流路径：诊断请求OB响应变量解析消息报警。解析过程大致分三步：事件状态，变量EV_CLASS确定事件是进入事件或者离开事件；错误类
8、型，变量FLT_ID代码确定发生何种类型错误；错误定位，由多个变量如MDL_ADDR，RACK_NUM，RACKS_FLTD解析错误来源。案例一在OB83编程代码示例如下：AM83.0/复位灯JCNEVT1RQ800.2/报警灯复位RQ800.3/报警灯复位/-变量解析/事件-EVT1:A(L#OB83_EV_CLASSLB#16#39/诊断进入事件=I)/判断事件状态JCNEVT2SQ800.2/灯1报警/-变量解析/事件错误代码-EVT2:A(L#OB83_EV_CLASSLB#16#38/诊断离开事件=I)A(L#OB83_FLT_ID/错误代码LB#16#54/54插入模块与模块匹配正
9、确=I)JCNANLYSQ800.3/灯2报警/-变量解析/错误定位-ANLY:CALLLOG_GEO/SFC71LADDR:=#OB83_MDL_ADDR/逻辑地址RET_VAL:=DB_OB83.RETVaL71AREA:=DB_OB83.Area71MASTER:=DB_OB83.master71STATION:=DB_OB83.stationSLOT:=DB_OB83.slotSUBSLOT:=DB_OB83.subslotOFFSET:=DB_OB83.offset/-以上功能：逻辑基址转换物理地址-结束-以上代码中，SFC 71“LOG_GEO”是将逻辑地址转换成物理地址(模块插槽
10、站号架号)的系统功能块。逻辑基址、逻辑地址、物理地址三者不同：逻辑地址包含存储区域标识；逻辑基址是没有区域标识的；物理地址是架号（站号）+插槽号的物理标识。输出地址时，需要增加基址向逻辑地址的转换。3.2 SSL系统状态列表读取通过OB变量解析可以获取故障信息，当多点发生故障时，如总线多处掉站，变量解析只是部分信息。在用户编程中，通过SFC51获取SSL系统状态，这些变量也可直接用于逻辑编程。案例二：IO站离线，编码站号为82、83的IO站离线在线诊断如图4所示：图4IO站离线状态IO站离线，可通过SFC51创建虚拟列表，将数据记录读取到DB中，通过记录分析故障状态。这其实是一般诊断信息读取过
11、程，代码如下：CALLRDSYSSTREQ:=Tact_1000msSZL_ID:=W#16#694INDEX:=W#16#65RET_VAL:=#RetvalBUSY:=#busySZL_HEADER:=DB_SFC511_ID694.HeaderDR:=DB_SFC511_ID694.DIAGLose诊断读取结果为：82 83站离线TRUE，81、84离线FALSE即在线，如图5所示：图5一般诊断结果参数SSL-ID为部分列表编号：长度一个字格式，见表3。例如，SSL-ID=W#16#0694：0CPU模块，是从CPU模块中获取状态信息列表；94机架或站的状态信息部分列表，6扩展代码。IN
12、DEX：索引记录地址，一般是与SSL-ID相关的访问地址或标识，本案例中是Profinet的网络连接识别号101（16#65）见图4。SZL_HEADER，DR是与输出记录相关的头文件信息，分别为输出记录结构长度（多少字节）和输出记录结构重复数目。表3部分列表编号格式通过SSL系统状态列表读取方法，还可以读取模块状态信息如SL-ID=W#16#0696/0691，亦可以直接读取模块的诊断信息如SL-ID=W#16#00B1。3.3 IO诊断记录的获取设备IO站本身具备诊断功能，在用户程序中使用SFB52读取诊断记录并对其进行评估。SFB52是异步读取数据记录的系统功能块，通过REQ=1来启动记
13、录传输，异步方式是指可能横跨多个扫描周期。下述案例三为IO诊断记录的典型应用。案例三：IO站（编号45）的某个插槽模块出现通道断线，通过SFB52（常用于硬件诊断如短路、断线）读取的代码如下：AM24.3/启动执行JCNendL8157/从站诊断地址T#IDAD28工业控制计算机2023年第36卷第2期（上接第26页）理的方式可有效控制生化反应系统中的脱氮除磷过程，提升污水水质至国家一级A类排放标准。随着气候变化和水资源恶化的持续加剧，急需提升污水处理厂的污水排放标准，并加快向能源中和及碳中和时代过渡的步伐。为此，应寻求更加先进的自动化控制方案和优化控制策略来提高处理效率，降低能耗。参考文献1
14、窦中广.污水处理控制系统设计与应用研究D.天津：津工业大学，20212郝晓地，张益宁，李季，等.污水处理能源中和与碳中和案例分析J.中国给水排水，2021，37（20）：1-83王一岭，邰阳.我国城市污水处理的工艺及工艺选择分析J.内蒙古大学学报（自然科学版），2014，45（3）：324-3284GAO J.Discussion on Shanghai Water Treatment Plan CIOPConferenceSeriesEarthandEnvironmentalScience,20205EZUGBEEO,RATHILALS.MembraneTechnologiesinWaste
15、water Treatment:A ReviewJ.Membranes,2020,10(5):896王舜和，李朦，郭淑琴.多级AO与多模式A2O工艺在污水厂的应用对比J.中国给水排水，2018，34（10）：48-51，577相柳堂，韦树铌，朱杰.PROFIBUS-DP网络在A2O生物反应池自控系统中的应用J.自动化仪表，2019，40（2）：38郑怀礼，李俊，孙强，等.城镇污水处理自动控制策略研究进展J.土木与环境工程学报（中英文），2020，42（1）：126-1349PLIATSIOS D,SARIGIANNIDIS P G,LAGKAS T,et al.ASurveyonSCADASy
16、stems:SecureProtocols,Incidents,Threats,and TacticsJ.IEEE Communications Surveys&Tu-torials,2020,22(3):1942-197610张维，康增彦，王维红，等.基于水解酸化+改造A2O工艺设计及运行效果分析J.水处理技术，2022，48（1）：135-140，14611吴坚，徐峥，孙怡劼，等.生产运行监测系统在污水处理行业中的应用J.自动化仪表，2010，31（11）：44-46，5012SEAN W Y,CHU Y Y,MALLU L L,et al.Energy Con-sumptionAnalysisinWastewaterTreatmentPlantsUsingSimulation and SCADA system:Case Study in Northern Tai-wanJ.Journal of Cleaner Production,2020,276,(Dec.10 pt.2):124248.1-124248.9收稿日期：2022-05-25LW#16#E00C/设备级扩展诊断T#
