工業(yè)總線Profibus網(wǎng)絡(luò)故障診斷分析

宮 濤

（天津鋼管制造有限公司，天津 300301）

當(dāng)今的制造業(yè)對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)及現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的使用已經(jīng)非常廣泛。企業(yè)用戶利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，為工業(yè)的自動(dòng)化和智能化提供必要的解決方案。無(wú)論是在生產(chǎn)、工藝和交通控制技術(shù)及樓宇自動(dòng)化方面，高效的網(wǎng)絡(luò)故障診斷及解決方案可以保證數(shù)據(jù)可靠地傳輸。因此，在惡劣的工業(yè)環(huán)境條件下，為了提高網(wǎng)絡(luò)的安全性、實(shí)時(shí)性及冗余性等，就必須采用實(shí)用且有針對(duì)性的故障診斷技術(shù)。

1 Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線介紹

現(xiàn)場(chǎng)總線的概念于1984年正式提出。現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)不僅簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，還使得整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、投運(yùn)、檢修維護(hù)都大大簡(jiǎn)化。近十多年來，也在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展，并且在工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用［1］，但現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)至今還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。很多公司也推出其各自的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，但彼此的開放性和互操作性還難以統(tǒng)一［2］。在環(huán)境較惡劣的工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)中常使用Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)［3-4］。天津鋼管制造有限公司Φ460 mm連軋管機(jī)組主要使用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是Profibus現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。該連軋管生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備為Siemens（西門子）的S7系列PLC（可編程邏輯控制器），主站采用 Siemens的S7-400系列PLC，從站采用ET 200M系列，通過Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整體連接。上位機(jī)方面采用TCP/IP協(xié)議，通過WINCC（視窗控制中心）與PLC進(jìn)行溝通，以滿足用戶需求［5］?，F(xiàn)場(chǎng)使用過程中，發(fā)現(xiàn)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)存在一定問題，一旦一個(gè)站點(diǎn)發(fā)生故障，其他站點(diǎn)也會(huì)報(bào)警，同時(shí)報(bào)警的站點(diǎn)有可能不是故障發(fā)生的站點(diǎn)，需要采取一定的技術(shù)手段分析處理［6］。

2 Profibus網(wǎng)絡(luò)故障的主要診斷方法

Profibus網(wǎng)絡(luò)故障的診斷方法主要有4種：使用設(shè)備上的LED（發(fā)光二極管）和STEP7（編程軟件）進(jìn)行故障診斷，使用程序塊進(jìn)行故障診斷，使用通信處理器進(jìn)行診斷，使用專用硬件診斷網(wǎng)絡(luò)故障。在生產(chǎn)中，主要使用STEP7軟件對(duì)故障進(jìn)行判斷及具有診斷功能的中繼器（簡(jiǎn)稱診斷中繼器）對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行精確定位［7］。

2.1使用設(shè)備上的STEP7診斷故障

STEP7是西門子公司的編程軟件，但其功能已經(jīng)超越了編程軟件的范疇，STEP7用于對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)、編程和監(jiān)控。Siemens具備診斷信息存儲(chǔ)功能，能夠保存最近發(fā)生的故障，最多300條故障信息［8］。Φ460 mm連軋管機(jī)組運(yùn)用STEP7軟件進(jìn)行故障診斷。

圖1所示是該連軋管機(jī)組生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)故障信息。圖1（a）所示包括CPU型號(hào)、版本號(hào)、CPU所在機(jī)架號(hào)及槽號(hào)。圖1（b）所示顯示故障發(fā)生站點(diǎn)、Profibus網(wǎng)絡(luò)段號(hào)、診斷代碼、故障原因；其中，時(shí)間表明這是故障存儲(chǔ)中最早發(fā)生故障的記錄。圖1（c）所示包括輸入/輸出故障情況、中斷調(diào)用、調(diào)用優(yōu)先級(jí)及地址等。

（1）單站故障。

故障情況：穿孔毛管小車橫移二號(hào)編碼器出現(xiàn)掉站現(xiàn)象，通過查看報(bào)警信息，發(fā)現(xiàn)此站點(diǎn)在4 h內(nèi)掉站兩次，且瞬間恢復(fù)，檢查發(fā)現(xiàn)此站點(diǎn)編碼器屏蔽線有故障，處理后正常。

故障處理措施：如頻繁出現(xiàn)某一站點(diǎn)掉站報(bào)警，通過STEP7和CPU報(bào)警信息可以查看該站點(diǎn)地址，通過地址找到實(shí)際站點(diǎn)，此類故障通常是由于此站點(diǎn)故障引起［9］。由于DP（高清晰音視頻流傳輸接口）采用令牌指令進(jìn)行傳輸，如果某一站點(diǎn)報(bào)警提示故障，無(wú)法讀數(shù)，要檢查拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中此站點(diǎn)與前一站點(diǎn)之間的連接情況，也就是網(wǎng)線插頭、端子、屏蔽等問題，而且還要檢查此站點(diǎn)組態(tài)地址的前一站點(diǎn)的設(shè)備情況，如網(wǎng)卡是否損壞及編碼器工作是否正常等［10］。

（2）多站故障。

圖1 網(wǎng)絡(luò)故障信息

故障情況：穿孔傳動(dòng)柜網(wǎng)絡(luò)報(bào)警，多個(gè)變頻器出現(xiàn)頻繁掉站現(xiàn)象，之后檢查第一站進(jìn)線DP插頭，發(fā)現(xiàn)插頭損壞，更換后正常。

故障處理措施：如出現(xiàn)多個(gè)站點(diǎn)不規(guī)律報(bào)警，通過CPU報(bào)警信息查看地址，分析相關(guān)原因，檢查報(bào)警站點(diǎn)地址與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一般情況是所有報(bào)警設(shè)備的前一站點(diǎn)。因此，對(duì)于多個(gè)站點(diǎn)報(bào)警，盡可能地通過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)問題的根源并進(jìn)行解決，必要時(shí)可以通過測(cè)試終端電阻開關(guān)來進(jìn)行檢查［11］。

使用自帶報(bào)警信息能夠解決很多問題，但報(bào)警信息是循環(huán)存儲(chǔ)的，一旦發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障，后面的信息包括輸入/輸出點(diǎn)掃面錯(cuò)誤會(huì)將故障代碼掩蓋，無(wú)法及時(shí)查找原因。因此，有必要使用診斷中繼器進(jìn)行設(shè)備故障判斷［12］。

2.2使用診斷中繼器診斷網(wǎng)絡(luò)故障

使用西門子的診斷中繼器可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)診斷和故障定位。與其他普通中繼器相比，診斷中繼器6ES7 972-0AB01需要占用一個(gè)Profibus站地址，其基本功能都是4個(gè)通道，其中兩個(gè)通道與另兩個(gè)通道信號(hào)隔離［13］。

診斷中繼器具有故障存儲(chǔ)功能，能夠存儲(chǔ)最近發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)故障信息，其與CPU的報(bào)警信息區(qū)別在于僅存儲(chǔ)各個(gè)站點(diǎn)故障信息，由于數(shù)量少，所以不會(huì)被現(xiàn)場(chǎng)大量的輸入/輸出故障覆蓋，同時(shí)還能夠診斷出故障發(fā)生的位置，為一些干擾故障提供指導(dǎo)［14］。

在診斷中繼器診斷時(shí)，由于診斷過程中會(huì)用到時(shí)鐘信息，因此要進(jìn)行中繼器時(shí)間的設(shè)定。為了使診斷信息時(shí)間與系統(tǒng)時(shí)鐘一致，一般可以將CPU中的系統(tǒng)時(shí)鐘作為時(shí)鐘信息寫入到中繼器中。但一般CPU的系統(tǒng)時(shí)鐘也不是當(dāng)前的時(shí)間，因而可以先將CPU的時(shí)間設(shè)置成當(dāng)前時(shí)間，然后再將CPU中的時(shí)間寫入到診斷中繼器中。這里將涉及到的功能塊有：FC3"D_TOD-DT"時(shí)間格式轉(zhuǎn)換，SFC 0"SETCLK"CPU設(shè)定時(shí)間，SFC 1"READ-CLK"讀取CPU時(shí)間，SFC 58"WR REC"將系統(tǒng)時(shí)間寫入診斷中繼器（RECNUM=3C）。

（1）實(shí)例1。診斷中繼器在Φ460 mm連軋管機(jī)組管坯爐的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，網(wǎng)絡(luò)信息表如圖3所示，網(wǎng)絡(luò)中斷點(diǎn)如4所示，診斷曲線如圖5所示。

圖2 診斷中繼器在Φ460 mm連軋管機(jī)組管坯爐網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 網(wǎng)絡(luò)信息表

圖4 網(wǎng)絡(luò)中斷點(diǎn)

圖5 診斷曲線

在圖2所示黑圈中的站點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，在測(cè)試中，顯示距離為25.1 m。測(cè)試時(shí)，將DP接頭一端數(shù)據(jù)傳輸線（綠線）虛接并最終斷開。從圖3中可以看出，診斷信息顯示B信號(hào)錯(cuò)誤；從圖4中可以看出，故障位置在25.1 m或25.7 m位置（實(shí)際電纜長(zhǎng)度為25.1～30.7 m）。從圖5中看出：虛接時(shí)，診斷曲線為波浪線；信號(hào)斷開，曲線為直線；錯(cuò)位率100%。

（2）實(shí)例2。Φ460 mm連軋管機(jī)組生產(chǎn)線采用國(guó)產(chǎn)中繼器對(duì)Profibus故障進(jìn)行診斷與排除。

故障情況：網(wǎng)絡(luò)不定期出現(xiàn)Profibus通信故障；將主站對(duì)調(diào)，該條Profibus網(wǎng)絡(luò)依然出現(xiàn)故障。檢查現(xiàn)場(chǎng)布線后發(fā)現(xiàn)，Profibus電纜與動(dòng)力電纜未分開，功能地與保護(hù)地是否分開有待確認(rèn)。通過觀察變頻器的Profibus接口A、B信號(hào)的波形，發(fā)現(xiàn)以下問題：所有變頻器都通電后，部分Profibus從站的干擾相當(dāng)嚴(yán)重，而且比較頻繁。B-A的波形不是規(guī)整的方波，帶有尖波。通過降低Profibus波特率，波形有所改善。判斷認(rèn)為，現(xiàn)場(chǎng)的EMC（電磁兼容性）造成故障［15］。

故障處理措施：在電壓衰減比較大的節(jié)點(diǎn)添加ProfiHub B5中繼集線器，測(cè)試后波形有明顯改善，尤其對(duì)B-A的電壓峰-峰值作用明顯，噪聲干擾消失。改善Profibus布線（在施工建設(shè)時(shí)已完成，后續(xù)很難再改）；對(duì)于控制柜內(nèi)的Profibus電纜，應(yīng)盡量使電纜之間的距離保持相等；在電纜必須交叉的地方，應(yīng)該成直角。如果間距不足以維持電纜之間所需要的距離，則必須將這些電纜布線在單獨(dú)的金屬支架中。進(jìn)入控制柜的所有電纜屏蔽在入口點(diǎn)接地。在控制柜的電纜入口處使用螺紋壓蓋固定。在電纜屏蔽接地之前，避免控制柜外面有任何電纜與Profibus電纜平行。改善接地系統(tǒng)，增加Hub中繼器，分段安裝ProfiHub B5后，各個(gè)站點(diǎn)的B-A電壓均正常，波形明顯改善，故障排除［16］。

3 結(jié) 語(yǔ)

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，由于很多企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境較惡劣，以至于網(wǎng)絡(luò)故障頻發(fā)。高效智能的網(wǎng)絡(luò)診斷技術(shù)和措施的采用，可以節(jié)省大量故障處理時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，并且硬件的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和診斷有利于分析設(shè)備運(yùn)行情況及查找設(shè)備故障原因。