Profibus-DP總線技術(shù)在某特種玻璃生產(chǎn)線中的應(yīng)用

朱恒成,王 程,童 敏

(輕工業(yè)自動(dòng)化研究所,杭州 310015)

朱恒成,王 程,童 敏

(輕工業(yè)自動(dòng)化研究所,杭州 310015)

該文介紹了Profibus-DP通訊的特性,闡述了Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線在某特種玻璃生產(chǎn)線的應(yīng)用以及Profibus-DP通訊在現(xiàn)場(chǎng)容易出現(xiàn)的故障分析及診斷處理的方法。

Profibus-DP; 玻璃生產(chǎn)線; 通訊; 診斷信息

某特種玻璃因其良好的節(jié)能性,透光性,已經(jīng)成為節(jié)能玻璃的主流。如何提高該玻璃生產(chǎn)線的產(chǎn)量和鍍膜質(zhì)量成為各生產(chǎn)廠家的關(guān)注核心,同時(shí)也對(duì)該特種玻璃生產(chǎn)線控制系統(tǒng)提出更高的要求。其中基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的FCS,相對(duì)于DCS具有更好的信息處理效率、更高的控制精度、更可靠的安全性,已被越來越多的廠家所采用。因此,該文針對(duì)某特種玻璃生產(chǎn)線控制系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試,探討分析了Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),分析了其在某特種玻璃生產(chǎn)線中的實(shí)現(xiàn)方法以及故障診斷和處理方法。

1 Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議及通信原理

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的開發(fā)建立起不依賴任何廠商的開放式控制系統(tǒng),并建立統(tǒng)一的工廠底層信息網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)了不同廠商的不同設(shè)備在遵守同一總線標(biāo)準(zhǔn)的情況下即插即用。目前國際上現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)種類繁多, Profibus就是其中最具影響的標(biāo)準(zhǔn)之一。Profibus認(rèn)證嚴(yán)格,標(biāo)準(zhǔn)開放,有眾多廠商支持,在2006年成為我國現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。Profibus根據(jù)不同的應(yīng)用特點(diǎn)分為Profibus-PA、Profibus-DP和Profibus-FMS。其中Profibus-DP具有高速傳送、價(jià)格低廉的特點(diǎn),主要用于分散設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳送,能夠有效滿足某特種玻璃生產(chǎn)線中設(shè)備分布散,控制速度和精度較高的要求。

Profibus-DP只使用了ISO/OSI模型其中的第一層、第二層,結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn),其物理層采用RS 485連接方式,通信介質(zhì)采用屏蔽雙絞線或光纜,通信距離從100～1 200 m,傳送速率可由9.6 kbps至12 Mbps。系統(tǒng)中最多站點(diǎn)數(shù)為127個(gè),當(dāng)一條網(wǎng)絡(luò)中的站點(diǎn)個(gè)數(shù)多于32個(gè)時(shí),需要使用中繼器相連接,使用中繼器可以實(shí)現(xiàn)樹型和星型總線結(jié)構(gòu)。Profibus使用混合的總線存取控制機(jī)制來實(shí)現(xiàn)通信,Profibus通信可分為主主通信和主從通信。主站間的通信采用邏輯令牌傳遞方式,擁有令牌的主站在確定的時(shí)間窗口內(nèi)擁有總線控制權(quán),決定系統(tǒng)的通信。主從通信主站采用主從原理以輪循方式與從站通信,同時(shí)采用循環(huán)或非循環(huán)報(bào)文實(shí)現(xiàn)主主通信。

2 控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法

2.1 控制系統(tǒng)

該生產(chǎn)線控制系統(tǒng)主要分為五個(gè)部分。根據(jù)每個(gè)部分的現(xiàn)場(chǎng)過程控制設(shè)備和需要監(jiān)控的I/O點(diǎn)數(shù),結(jié)合設(shè)備工藝分析,對(duì)工藝要求的控制點(diǎn)和控制要素進(jìn)行分析。在生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中采用兩個(gè)西門子S7CPU作為主站,從站包括西門子遠(yuǎn)程從站ET200M、ET200S、智能從站S7PLC,西門子傳動(dòng)設(shè)備、智能電源等多主從DP網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎到y(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1所示。

2.2 硬件組態(tài)

該特種玻璃生產(chǎn)線控制系統(tǒng)共有6條DP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),由于包含眾多不同廠商的軟硬件,在硬件組態(tài)時(shí)利用GSD文件完成開放式組態(tài),設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件(GSD)描述了Profibus設(shè)備的功能、特性及總線參數(shù)。使用基于GSD的組態(tài)工具可將不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備集成到一個(gè)總線系統(tǒng)中,不同的廠商為其DP設(shè)備提供有相應(yīng)的DP網(wǎng)絡(luò)配置及GSD組態(tài)工具。

在硬件組態(tài)時(shí)所有從站的DP地址不能重復(fù),并且必須與硬件上撥碼開關(guān)上的地址值保持一致。部分硬件沒有撥碼開關(guān)完全依靠組態(tài)軟件設(shè)定地址。每條Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的通訊速率的設(shè)定根據(jù)實(shí)際通訊的距離和設(shè)備的控制要求設(shè)定不同值。一般情況下通訊距離在200 m以內(nèi)可以設(shè)定1.5 Mbps的通訊速率;通訊距離在400 m以內(nèi),速率選擇在500 kbps;通訊距離在1 000 m以內(nèi),速率選擇在9.6-187.5 kbps;否則容易出現(xiàn)掉站、不通等不穩(wěn)定現(xiàn)象。

DP網(wǎng)絡(luò)物理層通過RS485接頭連接,每條網(wǎng)絡(luò)需要2個(gè)終端電阻。終端電阻是為了消除在通信電纜中的信號(hào)反射。在通信過程中,有兩種原因?qū)е滦盘?hào)反射:阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配。終端電阻接在傳輸總線的兩端,其阻值要求匹配傳輸電纜的阻抗特性,短距離傳輸時(shí),一般100 m以下不需要接終端電阻。

該生產(chǎn)線中,因部分網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)個(gè)數(shù)超過32,須使用DP Coupler。在使用DP Coupler時(shí)兩個(gè)Profibus網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信區(qū)必須要完全相同(包括長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)類型),否則模塊將會(huì)報(bào)通訊故障;如果DP/DP Coupler交互的數(shù)據(jù)大于4 bytes,應(yīng)該使用“Consistent”,并且調(diào)用SFC14、SFC15模塊。對(duì)于DP/DP Coupler連接的兩個(gè)網(wǎng)段,通訊速率可以不同,因此DP/DP Coupler非常適用于不同通訊速率的兩個(gè)Profibus-DP主站系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊。

3 故障分析探討

3.1 故障描述處理

在設(shè)備的調(diào)試及運(yùn)行過程中,由于種種原因會(huì)出現(xiàn)DP網(wǎng)絡(luò)斷線、短路、丟站、通信中斷等各種的問題。工程師需要選擇合適的方法,快速地對(duì)DP系統(tǒng)進(jìn)行診斷、分析,準(zhǔn)確地定位故障點(diǎn),找出產(chǎn)生故障的原因,恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行。

導(dǎo)致硬件故障的主要原因包括:RS485接頭接觸不良,屏蔽層接觸不穩(wěn)定;軟件中DP站地址與硬件撥碼開關(guān)不一致;終端電阻開關(guān)ON/OFF位置錯(cuò)誤;附近干擾源干擾導(dǎo)致;通訊速率與通訊距離不能匹配等。一般的通訊故障都可以通過西門子STEP7硬件組態(tài)在線就能直觀顯示故障發(fā)生點(diǎn)。

總線網(wǎng)絡(luò)通過RS485接頭物理連接如圖2所示。使用RS485接頭時(shí),當(dāng)開關(guān)撥至“ON”時(shí),A1和B1兩端和終端電阻相連,在DP網(wǎng)絡(luò)的終端只能接A1和B1,否則不能連接終端電阻。當(dāng)開關(guān)撥至“OFF”時(shí),終端電阻和數(shù)據(jù)線斷開,A1和A2,B1和B2相連,將DP網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備串接。在DP網(wǎng)絡(luò)中只使用了RS485接頭的3和8兩個(gè)引腳,因此檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)接線是否可靠的最好方法就是測(cè)量3和8兩個(gè)引腳之間的電阻。如果網(wǎng)絡(luò)接線良好,當(dāng)開關(guān)撥至“ON”時(shí),3和8兩個(gè)引腳之間的電阻為220Ω;當(dāng)開關(guān)撥至“OFF”時(shí),電阻為無窮大。

在調(diào)試過程中經(jīng)常出現(xiàn)掉站,站點(diǎn)不可用等現(xiàn)象。在該特種玻璃生產(chǎn)線中所有陰極都有單獨(dú)的S7-300控制系統(tǒng),陰極系統(tǒng)作為智能從站通過DP COURPLER連接到Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)與主站通信。整條網(wǎng)絡(luò)上的從站都是并聯(lián)分支結(jié)構(gòu),每個(gè)陰極控制系統(tǒng)都為一個(gè)分支,終端接有西門子終端電阻,整條網(wǎng)絡(luò)通訊長(zhǎng)度超過200 m,接線情況比較復(fù)雜。由于這種連接方式會(huì)導(dǎo)致阻抗增加,導(dǎo)致與總線電纜阻抗不匹配,在調(diào)試時(shí)使用Step7軟件上硬件組態(tài)在線時(shí)就有個(gè)別從站顯示“站點(diǎn)不可用”,或者有丟站的情況。使用萬用表測(cè)量主站端RS485連接器的3和8兩個(gè)引腳電阻值略大于理論值的220Ω,所以在以1.5 M/s的速率通信時(shí),有丟站的不穩(wěn)定現(xiàn)象。為保證系統(tǒng)通訊穩(wěn)定,應(yīng)將速率改為500 kbps。

在抽真空調(diào)試過程中,其中一條總線上的部分泵組子站偶爾出現(xiàn)掉站,通過測(cè)量DP網(wǎng)絡(luò)的電阻,回路檢測(cè)正常,但是會(huì)有一定波動(dòng)。分析其原因主要是信號(hào)源干擾,處理干擾首先檢查接地。由于這條總線中DP站點(diǎn)比較多,而不同的接地間存在電位差,容易引起地環(huán)路電流,影響網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的正常工作。通訊系統(tǒng)要求一端接地,或?qū)⒏鱾€(gè)站點(diǎn)做成一個(gè)系統(tǒng)接地,為了保證通訊質(zhì)量,要求通訊電纜上所有站點(diǎn)處于同一電壓等級(jí)上。用等勢(shì)線連接起來的方法可以解決此問題。可以用線纜將站點(diǎn)的地線連接,保證所有Profubus-DP站點(diǎn)屏蔽層可靠接地。

3.2 故障診斷分析

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過程中對(duì)于難以通過指示燈或組態(tài)在線查找的通訊故障,可以通過STEP7軟件在線查看PLC的診斷緩沖區(qū)。例如從站未連接則會(huì)提示分布式IO同步:incoming event,當(dāng)總線干擾嚴(yán)重,時(shí)斷時(shí)序,則反復(fù)出現(xiàn)該類報(bào)警。但此方式無法編程處理,或上報(bào)給其他通訊伙伴,僅可用于顯示。

使用OB86可以診斷分布式從站的連接故障。一般在OB86_EV_CLASS中可以查到:故障代碼B#16 #39表示連接中斷,故障代碼B#16#38表示連接恢復(fù)正常。OB86_MDL_ADDR中包含了DP從站的邏輯地址,OB86_Z23包含了DP從站號(hào)、診斷地址等,通過這兩個(gè)變量可以確定故障發(fā)生點(diǎn)。

FB125是一個(gè)中斷驅(qū)動(dòng)功能塊,使用FB125功能塊可以用程序來判斷系統(tǒng)中通訊的錯(cuò)誤,可以診斷總線上站點(diǎn)的各種故障信息,可以檢測(cè)到從站的組態(tài)掉站等故障,并且有詳細(xì)的報(bào)錯(cuò)信息。使用FB125來診斷故障時(shí),必須在OB1、OB82或OB86中調(diào)用FB125才能實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。

在編程時(shí)需加入診斷中斷組織塊(OB82)和機(jī)架故障組織塊(OB86)模塊。S7400CPU在加入通信錯(cuò)誤組織塊(OB87)后,CPU遇到通信錯(cuò)誤時(shí)就不會(huì)進(jìn)入STOP模式。這樣就能降低通訊故障危險(xiǎn)等級(jí),保證生產(chǎn)線正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中避免因通訊故障造成停機(jī)。

4 結(jié) 語

Profibus-DP這種通訊方式將現(xiàn)場(chǎng)采集到的檢測(cè)和控制信息就地處理并及時(shí)反饋,以其自身的高效、可靠、使用方便、智能化等特點(diǎn),保證了生產(chǎn)線控制系統(tǒng)穩(wěn)定高效地運(yùn)行。Profibus-DP統(tǒng)一開放的國際標(biāo)準(zhǔn),保證了多廠商不同軟硬件可以兼容使用。將Profibus-DP總線技術(shù)的理論基礎(chǔ)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合,能更好地分析解決應(yīng)用中出現(xiàn)的故障,以保障系統(tǒng)通訊的穩(wěn)定性,發(fā)揮Profibus網(wǎng)絡(luò)更多的優(yōu)勢(shì)。

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Technical Discussion of Profibus-DP on Glass Production Line

ZHU Heng-cheng,WANG Cheng,TONG Min
(Research Institude for Automation of Light Industry,Hangzhou 310015,China)

This article introduces the characteristics of Profibus-DP communication,expounds theProfibus-DP application in a special glass production line,isslues the common fault and diagnosis process in the Profibus-DP communication.

Profibus-DP; glass production line; communication; diagnostic information

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.06.021

2014-08-20.

朱恒成(1989-),助理工程師.E-mail:zhc2073@163.com