基于Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)的故障分析及診斷

陳衛(wèi)國(guó) 陶慶才 盧錦川 韋瑞錄

（①?gòu)V西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530007;②上汽通用五菱汽車股份有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)工廠，廣西柳州 545007）

在汽車制造、包裝和注塑機(jī)等工業(yè)領(lǐng)域中，越來越需要高性能、穩(wěn)定可靠的控制信息傳輸系統(tǒng)。在這一需求下，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展就成為了必然的趨勢(shì)。現(xiàn)場(chǎng)總線有節(jié)省硬件數(shù)量與投資、節(jié)省安裝費(fèi)用、節(jié)省維護(hù)開銷、用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)、提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性等優(yōu)點(diǎn)，在眾多現(xiàn)場(chǎng)總線類型中Pr ofibus總線系統(tǒng)成為目前最成功的現(xiàn)場(chǎng)總線之一［1］。整個(gè)Profibus總線系統(tǒng)又包含 Profibus－DP、Profibus－PA、Profibus－FMS三個(gè)系統(tǒng)，而這三個(gè)系統(tǒng)又是兼容的也就是說可以在一個(gè)Profibus總線系統(tǒng)中同時(shí)使用［2］。本文將在介紹Profibus－DP的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其通信方式的基礎(chǔ)上，分析Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)的常見故障原因及診斷方法。

1 Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)通信方式

1.1 Profibus－DP 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一個(gè)Profibus－DP系統(tǒng)主要包括:站點(diǎn)數(shù)目、站點(diǎn)地址、站與站之間信息傳遞的格式及信號(hào)的傳輸線纜，適用于自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)分散I/O之間通信［3］。其中站類型分為DP主站和DP從站，DP主站與DP從站間的通信原理基于主從原理，主站與從站之間周期的交換用戶數(shù)據(jù)，當(dāng)一個(gè)DP主站擁有令牌（Token）時(shí)它才有權(quán)限訪問網(wǎng)絡(luò)上的任何一個(gè)DP從站和任何一個(gè)DP主站，而DP從站任何時(shí)候都不能擁有令牌（Token）。這種總線通信方式可以實(shí)現(xiàn):（1）純主－主系統(tǒng)（多主站）;（2）純主－從系統(tǒng)（單主站），在該方式下主站根據(jù)網(wǎng)絡(luò)所設(shè)定的傳輸速度周期發(fā)送信息給從站或者由從站獲取信息;（3）上面兩種方式的結(jié)合，總線上有多個(gè)主站，而各個(gè)主站又與各自的從站構(gòu)成相互獨(dú)立的子系統(tǒng)［4］。

在上汽通用五菱的發(fā)動(dòng)機(jī)工廠，滾道和設(shè)備上的Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)主要以純主－從（單主站）方式為主，如圖1所示。在該圖中，類1DP主站是中央控制器，它周期地與分散的DP從站交換信息，并對(duì)總線通信進(jìn)行控制和管理。在主從交換信息的過程中，診斷信息是非常重要的部分。

1.2 Profibus－DP 網(wǎng)絡(luò)線路的連接

為了更好地說明Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)線路在實(shí)際連接中應(yīng)注意的主要問題，我們首先說明一些信號(hào)傳輸理論。假設(shè)有兩根無限長(zhǎng)的導(dǎo)線組成最簡(jiǎn)單的回路，如果我們?cè)谶@兩根導(dǎo)線的開頭之間加一個(gè)電壓源，這時(shí)在這兩根導(dǎo)線上就有電流流過并輸出電壓，由于導(dǎo)線對(duì)于電信號(hào)有一定的阻抗，因此當(dāng)一個(gè)電信號(hào)在導(dǎo)線中傳輸時(shí)，離信號(hào)源近的輸出總比離信號(hào)源遠(yuǎn)的輸出早。當(dāng)然在實(shí)際中并沒有無限長(zhǎng)的線纜，在這里我們用圖例來說明電信號(hào)的延遲理論，在一個(gè)電路中我們把電信號(hào)從信號(hào)源輸出到導(dǎo)線終端輸出的傳輸時(shí)間設(shè)為T，信號(hào)源的內(nèi)電阻為Rsrc，電路中信號(hào)傳輸線纜的電阻為Z0，終端電阻為R，并且Rsrc=R=Z0，Vout為離信號(hào)源近端的輸出，V1為導(dǎo)線中間點(diǎn)的輸出，V2為電信號(hào)在導(dǎo)線終端的輸出［4］，如圖2所示。

由圖2可以看出，雖然由于導(dǎo)線的阻抗，圖2中Vout、V1、V2達(dá)到Vsrc/2的時(shí)間點(diǎn)不同，但在該種情況下這3個(gè)點(diǎn)的輸出都是穩(wěn)定的。我們接著分析另外兩種情況，第一種是圖2中的電路終端短路，如圖3所示。由圖3可以看出，當(dāng)一個(gè)電路的導(dǎo)線終端短路時(shí)，在時(shí)間T之前，Vout、V1都是Vsrc/2，當(dāng)信號(hào)的傳輸時(shí)間超過T時(shí)，在短路點(diǎn)有一個(gè)極性（負(fù)極）相反的電壓源，這個(gè)極性相反的電壓源會(huì)向和+I傳輸方向相反的方向輸出電流，其結(jié)果是一步一步地破壞掉V2、V1、Vout使它們最后為接近于零輸出。另一種情況是電路終端開路，如圖4所示。由圖4可以看出，當(dāng)一個(gè)電路的導(dǎo)線終端開路時(shí)，在時(shí)間T之前，Vout、V1都是Vsrc/2，當(dāng)信號(hào)的傳輸時(shí)間超過T時(shí)，在開路點(diǎn)信號(hào)無法繼續(xù)向前傳播，而不得不反射回來，其結(jié)果是在原有信號(hào)的基礎(chǔ)上進(jìn)行正向疊加，使得電路上的輸出電壓增高，也破壞了原有的正常值。

Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)線路是基于RS485通信原理建立起來的［6］，其信號(hào)的傳輸也是通過兩根導(dǎo)線來實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)我們上面介紹的電信號(hào)在導(dǎo)線中的傳輸理論，為了去除信號(hào)在線路終端的反射，必須在Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)終端子站上加終端電阻，如圖5所示。終端電阻的計(jì)算如公式為

這個(gè)值也是一個(gè)Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)通信線纜阻抗的上限。在Profibus國(guó)際組織頒布的第一個(gè)Profibus接線標(biāo)準(zhǔn)中，另一種Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)通信線纜阻抗的上限是120 Ω，其終端電阻中的R2為150 Ω，因此如果這兩種線纜混合起來使用也會(huì)引起信號(hào)的反射作用。

1.3 Profibus－DP 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸［7］

Profibus－DP的網(wǎng)絡(luò)信息由報(bào)文幀傳遞，報(bào)文幀又由幀字符組合而成，而每一個(gè)幀字符由11個(gè)bit（位）組成。如圖6所示。根據(jù)不同的組合方式及幀字符數(shù)量的差別，報(bào)文幀又分為SD1、SD2、SD4和SC類型。其中SD2類型為最常見的幀類型，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

DP子站的數(shù)據(jù)信息就存儲(chǔ)在圖7的中的DATA_UNIT中，這些數(shù)據(jù)信息主要分為參數(shù)信息、配置信息、診斷信息三類。本文主要分析診斷信息。診斷信息的長(zhǎng)度為6～244個(gè)字節(jié)，該信息主要包括標(biāo)準(zhǔn)診斷、設(shè)備相關(guān)診斷、模塊相關(guān)診斷和通道相關(guān)診斷，后三者又稱為擴(kuò)展診斷，根據(jù)設(shè)備的不同是可選的，而標(biāo)準(zhǔn)診斷則是必須的。標(biāo)準(zhǔn)診斷信息的長(zhǎng)度是固定的6個(gè)字節(jié)，涉及主站地址、設(shè)備的ID號(hào)等。設(shè)備相關(guān)診斷信息，涉及設(shè)備的溫度、工作電壓等，模塊相關(guān)診斷涉及子站的故障模塊信息等，通道相關(guān)診斷涉及到某一個(gè)輸入輸出點(diǎn)。這些診斷信息在數(shù)據(jù)信息區(qū)中的排列方式如圖8所示。由于設(shè)備相關(guān)診斷、模塊相關(guān)診斷和通道相關(guān)診斷的診斷數(shù)據(jù)是由設(shè)備供應(yīng)商來提供的，在此我們只分析標(biāo)準(zhǔn)診斷的診斷數(shù)據(jù)定義格式，如圖9～14所示。

2 Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)通信的故障原因和診斷

在一個(gè)Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)中，有各種不同的因素引起其網(wǎng)絡(luò)通信的故障。這些因素可能是網(wǎng)絡(luò)線路過長(zhǎng)、外界的電磁干擾、信號(hào)線路故障等。在本文1.2和1.3節(jié)中我們分析了Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)的接線和其通信報(bào)文，接下來我們主要基于這兩部分對(duì)Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)的故障進(jìn)行分析。

2.1 Profibus－DP 網(wǎng)絡(luò)故障的因素

在實(shí)際應(yīng)用中，Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)故障的主要原因是:

①在把信號(hào)線纜接到9針接頭時(shí)，錯(cuò)接信號(hào)線A和信號(hào)線B。

②多接了終端電阻，這里要重點(diǎn)指出的是在一個(gè)Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)中有且只有兩個(gè)終端電阻。

③通信電纜上的屏蔽層沒有接地。

④在一個(gè)子站中的I/O模塊之間，用錯(cuò)誤的線纜連接。

⑤Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)上某一個(gè)子站的配置錯(cuò)誤。

如果在建立一個(gè)Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)時(shí)，能夠注意這些細(xì)節(jié)，那么Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性是非常高的。

2.2 Profibus－DP 網(wǎng)絡(luò)故障的診斷

根據(jù)前面的介紹，在診斷一個(gè)Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)時(shí)，我們可以從其信號(hào)的波形和診斷報(bào)文來判定是網(wǎng)絡(luò)中的站點(diǎn)故障還是網(wǎng)絡(luò)線路的故障。

2.2.1 診斷信號(hào)線上的波形

由于Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的傳輸就是信號(hào)線A和信號(hào)線B，因此我們可以用示波器來分別捕捉信號(hào)線A和信號(hào)線B上的波形，而Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)信息是以A與B上的電壓差來表示的。根據(jù)這個(gè)原理，在分析波形時(shí)，我們要重點(diǎn)分析A與B上的電壓差。在這里我們使用Profibus分析儀——Profitrace來做分析。用戶只需要點(diǎn)擊Profitrace軟件界面上Live list中的某一個(gè)子站，就可以看到A與B電壓差的波形［8］。如圖15是正常情況下A與B電壓差的波形。

當(dāng)Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)的終端電阻缺失時(shí)，根據(jù)前面1.2節(jié)的分析，這時(shí)網(wǎng)絡(luò)中就會(huì)有反射干擾信號(hào)的出現(xiàn)，該干擾信號(hào)會(huì)在原來正常值的基礎(chǔ)上進(jìn)行正向疊加，使整個(gè)信號(hào)的輸出值增加，如圖16所示。

當(dāng)Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)線出現(xiàn)短路時(shí)，根據(jù)前面1.2節(jié)的分析，這時(shí)網(wǎng)絡(luò)的反射干擾會(huì)把原來正常信號(hào)的值拉低，如圖17所示。圖中兩個(gè)箭頭之間的波形就是網(wǎng)絡(luò)信號(hào)短路時(shí)，反射信號(hào)把原來正常信號(hào)的值拉低的表現(xiàn)。

2.2.2 分析診斷報(bào)文

根據(jù)前面1.3節(jié)中對(duì)診斷報(bào)文的分析，只要能夠獲得Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)上主站和子站之間的診斷報(bào)文，依據(jù)診斷報(bào)文中診斷信息定義的格式，就能清楚地知道故障站點(diǎn)的故障狀態(tài)。如圖18所示我們獲取一個(gè)Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)上子站5的診斷信息，并按照診斷信息定義的格式對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行了說明。

由圖18可知，通過診斷報(bào)文的讀取能夠?qū)唧w故障子站的通信狀態(tài)有一個(gè)基本的了解。至于更詳細(xì)的診斷信息也就是擴(kuò)展的診斷信息，例如，子站具體模塊故障、子站具體模塊中的具體通道故障等信息，則由具體設(shè)備的供應(yīng)商通過文件設(shè)置來擴(kuò)展，因此，這也給我們今后在使用具有Profibus－DP通信接口的設(shè)備或者零部件時(shí)指明了一點(diǎn)，就是要求供應(yīng)商提供Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展診斷功能。

3 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性非常高，但是如果其網(wǎng)絡(luò)線路缺少終端、短路或者受到干擾，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，在有些情況下由于網(wǎng)絡(luò)上某個(gè)子站參數(shù)配置或者硬件的問題，往往是該子站單獨(dú)出現(xiàn)故障不會(huì)影響到其他的子站和主站之間的通信。本文針對(duì)Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)線路和數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行了研究，并基于這兩點(diǎn)用Profibus－DP分析儀對(duì)故障網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)和報(bào)文進(jìn)行了分析，并用實(shí)際獲取的波形和診斷報(bào)文證明了診斷的有效性。

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［7］Profichip.http://www.profichip.com

［8］Profitrace2 manual.http://www.procentec.com