Profibus通信閃斷故障分析及處理

黃晶晶，宋獻(xiàn)進(jìn)，王磊

中國重汽集團(tuán)有限公司 山東濟(jì)南 250000

1 序言

Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)是一種廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)控層和底層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術(shù)，是自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的代表性控制網(wǎng)絡(luò)，但在實(shí)際運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)通信中斷。如果是單獨(dú)地出現(xiàn)從站掉站的情況，相對(duì)比較容易處理，一旦出現(xiàn)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)通信閃斷現(xiàn)象，由于是非單個(gè)原因造成的閃斷，因此故障極其不易排查，成為一直困擾此領(lǐng)域的難題?？偨Y(jié)現(xiàn)有的處理方法，結(jié)合筆者多年的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，并以現(xiàn)場中寬體生產(chǎn)線為例提出了一種可以快速解決閃斷故障并查找干擾源或者故障點(diǎn)的方法。下面詳細(xì)闡述排查過程，并提出解決方案。

2 分析現(xiàn)場

梳理現(xiàn)場拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，通過軟件查現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D可以看出，現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)采用Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)：總線結(jié)構(gòu)、波特率93.75kB/s。確定各站點(diǎn)間總線長度，查看電氣原理圖，發(fā)現(xiàn)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)分為兩路，一路站點(diǎn)地址為：CPU→5號(hào)站點(diǎn)→19號(hào)站點(diǎn)→26號(hào)站點(diǎn)→10號(hào)站點(diǎn)→6號(hào)站點(diǎn)→25號(hào)站點(diǎn)→9號(hào)站點(diǎn)→27號(hào)站點(diǎn)，27號(hào)站點(diǎn)為終端，總線長度71m；另一路站點(diǎn)地址為：PLC→HMI→8號(hào)站點(diǎn)→13號(hào)站點(diǎn)→12號(hào)站點(diǎn)→16號(hào)站點(diǎn)→15號(hào)站點(diǎn)→4號(hào)站點(diǎn)→14號(hào)站點(diǎn)→24號(hào)站點(diǎn)→17號(hào)站點(diǎn)→18號(hào)站點(diǎn)→3號(hào)站點(diǎn)→7號(hào)站點(diǎn)→21號(hào)站點(diǎn)→22號(hào)站點(diǎn)→11號(hào)站點(diǎn)，11號(hào)站點(diǎn)為終端，總線長度151m?？偩€長度還可以借助ProfiTrace（波特率≥500kB/s）實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓\斷，其中26號(hào)、27號(hào)站點(diǎn)為機(jī)器人站；12～19號(hào)、21號(hào)、22號(hào)和25號(hào)站點(diǎn)為SMC站點(diǎn)，通信及電源接頭為M12，通信模塊為EX260-SP1；HMI為西門子MP277觸摸屏，站點(diǎn)地址為30號(hào)站點(diǎn)，波特率93.75kB/s；CPU為315-2DP，型號(hào)315-2AH14-0AB0；其余站點(diǎn)為西門子ET200站點(diǎn)，型號(hào)6ES7 153-1AA03-0XB0，通信接頭為6ES7 972-0BB52-0 X A 0，刀片壓接接線?，F(xiàn)場通信總線長度約222m，總站點(diǎn)數(shù)量為25個(gè)，當(dāng)Profibus從站數(shù)量＞32 個(gè)時(shí)，需要加入 RS 485 中繼器。

在使用或者調(diào)整時(shí)一定要確定所有硬件的基本接線及通信原理，根據(jù)第一步的梳理，現(xiàn)場的主要硬件為PLC、觸摸屏、ET200、DP、M12通信及電源接頭。同時(shí)要參照相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)手冊(cè)，需要特別指出以下3點(diǎn)。

1）區(qū)別西門子DP接頭6ES7 972-0BB12-0XA0的終端電阻連接方式（見圖1）與SMC EX260-SP1的終端電阻的連接方式（見圖2）。西門子DP接頭在ON位置代表A1與A2、B1與B2斷開，進(jìn)線A1、B1對(duì)地接390Ω接地電阻；西門子DP接頭在OFF位置代表A1與A2、B1與B2連接。SMC閥島A1與A2、B1與B2相連，終端電阻的接頭ON/OFF位置代表是否在接終端電阻，終端電阻的作用為吸收反射波，因此在診斷站點(diǎn)時(shí)需要了解清楚各終端電阻的意義。

圖1 西門子DP接頭終端電阻連接方式

圖2 SMC EX260-SP1終端電阻連接方式

2）注意通信用配線使用對(duì)應(yīng)Profibus-DP 的雙絞屏蔽線的技術(shù)參數(shù)（見表1），特別是在使用年限較長及電磁輻射嚴(yán)重的場所，如焊裝車間、腐蝕性強(qiáng)的化工車間等。

表1 Profibus-DP雙絞屏蔽線的技術(shù)參數(shù)

3）在一個(gè)未接地結(jié)構(gòu)中，注意網(wǎng)絡(luò)所連接的從站中IM153-X的數(shù)量，使用一個(gè)電源可在Profibus-DP上最多運(yùn)行 18 個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果超過 18 個(gè)節(jié)點(diǎn)，則必須使用附加電源。

3 計(jì)算網(wǎng)絡(luò)循環(huán)時(shí)間

現(xiàn)場站點(diǎn)I/O配置見表2。參照表2計(jì)算數(shù)據(jù)信息最短循環(huán)時(shí)間：∑TTC＝（T S Y N+T I D1+T S D R+Header+輸入點(diǎn)數(shù)×11Bit+輸出點(diǎn)數(shù)×11Bit）×N u m1+（T S Y N+T I D1+T S D R+H e a d e r+輸入點(diǎn)數(shù)×11B i t+輸出點(diǎn)數(shù)×11B i t）×N u m2+…+（TSYN + TID1 + TSDR + Header+ 輸入點(diǎn)數(shù)×11B i t+輸出點(diǎn)數(shù)×11B i t）×N u m8＝9117B i t＝8.9033kB。其中，TSYN為信息循環(huán)時(shí)間，按位計(jì)算；TID1為在主站的空閑時(shí)間，大小為75個(gè)時(shí)間位；TSDR為在從站的延遲時(shí)間，大小為11個(gè)時(shí)間位；Header為在請(qǐng)求和響應(yīng)幀的報(bào)文頭，大小為198個(gè)時(shí)間位。

表2 現(xiàn)場站點(diǎn)I/O配置 （單位：個(gè)）

根據(jù)當(dāng)前波特率設(shè)定93.75kB/s，傳輸9117Bit需要時(shí)間t＝1÷93.75kB/s×8.9033kB＝94.97ms。通過硬件組態(tài)可以看出掃描周期的監(jiān)視時(shí)間為150ms，來自通信的掃描周期負(fù)載占比為20%即30ms，因此如果傳輸所需的時(shí)間超過設(shè)定值，就可能存在數(shù)據(jù)丟失或者通信中斷問題，這就需要保證在一個(gè)掃描周期內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸。

調(diào)整時(shí)應(yīng)注意如下幾點(diǎn)。

1）調(diào)整傳輸速率時(shí)需要根據(jù)現(xiàn)場的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)長度確定，波特率與傳輸距離對(duì)應(yīng)關(guān)系參見表3。

表3 波特率與傳輸距離對(duì)應(yīng)關(guān)系

2）需要同時(shí)注意觸摸屏在網(wǎng)絡(luò)中的位置，修改觸摸屏波特率，否則會(huì)造成通信錯(cuò)誤。

3）如果現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)長度超過調(diào)整波特率允許傳輸?shù)淖畲笾?，需要調(diào)整PLC參數(shù)設(shè)定或者同時(shí)調(diào)整PLC參數(shù)設(shè)定及波特率，或者采用中繼器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)隔離及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

4）該項(xiàng)工作宜在無網(wǎng)絡(luò)故障的情況下實(shí)施，便于觀察效果；波特率最大可調(diào)整至500kB/s，根據(jù)現(xiàn)場確認(rèn)傳輸9117Bit需要的時(shí)間為17.8ms。

4 診斷故障站點(diǎn)

故障診斷可以根據(jù)硬件診斷緩沖區(qū)的報(bào)警信息進(jìn)行粗略判定，哪些站點(diǎn)或者工位為經(jīng)常掉站點(diǎn)，這里提供如下幾種診斷方法，可快速鎖定故障點(diǎn)。

（1）第一種方法 通過降低波特率（見表3）來驗(yàn)證故障是否跟信號(hào)衰減有關(guān)，這也是比較直接有效的方法。

（2）第二種方法 通過網(wǎng)絡(luò)隔離的方式實(shí)現(xiàn)，即通過增加中繼器的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)隔離，判定故障或者干擾點(diǎn)處于哪個(gè)網(wǎng)絡(luò)段。

在實(shí)施該方法時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

1）建議在隔離時(shí)采用二分法，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)位置，盡量不要增加現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)線路長度。

2）在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)隔離時(shí)注意各網(wǎng)絡(luò)段終端電阻的位置。

3）在網(wǎng)絡(luò)隔離（見圖3）時(shí)隔離網(wǎng)段只連接一條網(wǎng)絡(luò)，避免同源網(wǎng)絡(luò)（見圖4）相互干擾。

圖3 網(wǎng)絡(luò)隔離

圖4 同源網(wǎng)絡(luò)（同色同源）

4）注意RS485兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間距符合要求。

5）注意RS485接地運(yùn)行時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)接地運(yùn)行并跨接M與PE；RS485不接地運(yùn)行時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)不接地運(yùn)行并不跨接M與PE，且RS485的電源也是不接地的。在不接地運(yùn)行方式下，通過中繼器內(nèi)置的22nF的電容與10MΩ的電阻組成的RC網(wǎng)絡(luò)，可以釋放干擾電流和靜態(tài)充電。

6）在干擾嚴(yán)重的情況下，確保每條總線鏈路首端和終端各有一個(gè)終端電阻，特別是增加中繼器后的第一個(gè)站點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室條件下，可以只在終端設(shè)終端電阻。

（3）第三種方法 采用萬用表或者示波器測(cè)量，主要測(cè)量位置點(diǎn)。

1）DP總線A/B相間短路，A或者B相對(duì)屏蔽層是否短路，測(cè)量時(shí)建議采用二分法，并注意圖4中的同源網(wǎng)絡(luò)干擾問題。

2）測(cè)量A/B對(duì)屏蔽層電壓，A相對(duì)地2V左右，B相對(duì)地2.4V左右，實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸時(shí)差分值在3V左右。需要注意以下幾點(diǎn)：第一點(diǎn)，測(cè)量A/B相間短路時(shí)，需要斷開網(wǎng)絡(luò)和斷開終端電阻，測(cè)量A/B相間電壓時(shí)，需要帶電測(cè)量，避免短路；第二點(diǎn)，區(qū)別測(cè)量電壓值與利用ProfiTrace進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)診斷時(shí)的電壓值，利用ProfiTrace測(cè)量計(jì)算的電壓值比直接用萬用表的測(cè)量值高；第三點(diǎn)，若A/B相對(duì)地短路，則該相對(duì)地電壓一般為0V。

3）注意測(cè)量配電柜零地分離，如條件允許，則動(dòng)力電纜的接地與控制系統(tǒng)的接地需要做到分離。

4）測(cè)量各個(gè)站點(diǎn)對(duì)地電阻，對(duì)地電阻應(yīng)小于2Ω，注意統(tǒng)計(jì)接地電阻異常點(diǎn)（站點(diǎn)電阻測(cè)量值見表4）。由表4可知，8號(hào)站點(diǎn)地址電阻異常，可以單獨(dú)做接地，如果故障不能消除，則考慮ET200模塊故障。

表4 站點(diǎn)電阻測(cè)量值

（4）第四種方法 利用ProfiTrace進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)診斷，方便地排除故障站點(diǎn)，可以對(duì)A/B相間微分電壓（見圖5）、掉站情況、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及波形進(jìn)行分析，這里不作重點(diǎn)分享。以現(xiàn)場為例，現(xiàn)場9號(hào)站點(diǎn)的通信電壓不穩(wěn)定，容易造成數(shù)據(jù)丟失或者掉站，需要對(duì)9號(hào)站點(diǎn)的接頭接線做重新連接緊固，可以考慮將DP接頭更換為接線式6ES7 972-0BB12-0XA0，同時(shí)注意ET200站點(diǎn)是否損壞的情況。

圖5 A/B相間微分電壓

（5）第五種方法 通過從每個(gè)網(wǎng)段第一個(gè)站點(diǎn)開始逐個(gè)撥終端電阻（見圖1、圖2）的方式，注意各站點(diǎn)接頭、模塊的終端電阻意義，相當(dāng)于從每個(gè)網(wǎng)段第一個(gè)站點(diǎn)開始，逐個(gè)站點(diǎn)短接，配合STEP7硬件診斷緩沖區(qū)，查看報(bào)警狀態(tài)是否有所改善，注意通信接頭的質(zhì)量。

第一、第二種方法排除故障后，需要將網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)為原來的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。第三、第四和第五種方法排除故障后，可以直接運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)。

5 消除干擾

經(jīng)過上述診斷，硬件和軟件的故障都已消除，其他影響因素主要考慮現(xiàn)場環(huán)境的電磁干擾。消除電磁干擾主要考慮以下幾種方式。

（1）利用屏蔽減少電磁干擾 對(duì)于控制線路應(yīng)使用屏蔽線纜，并做好屏蔽接地；對(duì)于強(qiáng)電流動(dòng)力線，最好使用屏蔽電纜，并與控制線纜分隔、獨(dú)立走線。

（2）利用接地技術(shù)消除干擾 特別是涉及電動(dòng)機(jī)接地、變頻器接地和控制系統(tǒng)接地的情況，采用加入終端電阻吸收反射波的方法，一般網(wǎng)絡(luò)第一個(gè)站點(diǎn)與最后一個(gè)站點(diǎn)需要接上拉電阻及下拉電阻。

（3）利用布線方式降低干擾 主要是控制線纜和動(dòng)力線纜線槽分離等。

（4）利用濾波降低干擾 如果有條件，控制系統(tǒng)可采用凈化電源及UPS，或者在動(dòng)力系統(tǒng)增加濾波器，提高電源質(zhì)量。

（5）增加磁環(huán)以消除干擾 在DP線纜的接頭位置加設(shè)磁環(huán)。

6 結(jié)束語

通過上述過程，對(duì)系統(tǒng)的硬件（涉及網(wǎng)絡(luò)硬件結(jié)構(gòu)、接線、硬件品牌型號(hào)和網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)物理參數(shù)等）、軟件（涉及參數(shù)設(shè)定、總線時(shí)間計(jì)算等）和電磁干擾（涉及接地技術(shù)、屏蔽等）問題做了深入分析，對(duì)解決現(xiàn)場DP通信報(bào)警、閃斷等諸多問題，為同行提供了指導(dǎo)性的意見，并形成了系統(tǒng)方法。采用此系統(tǒng)方法，不僅大大提高了故障排查效率，而且提升了查找故障點(diǎn)的精準(zhǔn)度。