Profibus通信閃斷故障分析及處理

黃晶晶，宋獻進，王磊

中國重汽集團有限公司 山東濟南 250000

1 序言

Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)是一種廣泛應(yīng)用于自動化系統(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)，是自動化技術(shù)發(fā)展的代表性控制網(wǎng)絡(luò)，但在實際運行過程中經(jīng)常出現(xiàn)通信中斷。如果是單獨地出現(xiàn)從站掉站的情況，相對比較容易處理，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。總結(jié)現(xiàn)有的處理方法，結(jié)合筆者多年的現(xiàn)場經(jīng)驗，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的方法。下面詳細闡述排查過程，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，一路站點地址為：CPU→5號站點→19號站點→26號站點→10號站點→6號站點→25號站點→9號站點→27號站點，27號站點為終端，總線長度71m；另一路站點地址為：PLC→HMI→8號站點→13號站點→12號站點→16號站點→15號站點→4號站點→14號站點→24號站點→17號站點→18號站點→3號站點→7號站點→21號站點→22號站點→11號站點，11號站點為終端，總線長度151m。總線長度還可以借助ProfiTrace（波特率≥500kB/s）實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓\斷，其中26號、27號站點為機器人站；12～19號、21號、22號和25號站點為SMC站點，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，站點地址為30號站點，波特率93.75kB/s；CPU為315-2DP，型號315-2AH14-0AB0；其余站點為西門子ET200站點，型號6ES7 153-1AA03-0XB0，通信接頭為6ES7 972-0BB52-0 X A 0，刀片壓接接線。現(xiàn)場通信總線長度約222m，總站點數(shù)量為25個，當(dāng)Profibus從站數(shù)量＞32 個時，需要加入 RS 485 中繼器。

在使用或者調(diào)整時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。同時要參照相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)手冊，需要特別指出以下3點。

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，進線A1、B1對地接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，因此在診斷站點時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，使用一個電源可在Profibus-DP上最多運行 18 個節(jié)點，如果超過 18 個節(jié)點，則必須使用附加電源。

3 計算網(wǎng)絡(luò)循環(huán)時間

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

表2 現(xiàn)場站點I/O配置 （單位：個）

根據(jù)當(dāng)前波特率設(shè)定93.75kB/s，傳輸9117Bit需要時間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掃描周期內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸。

調(diào)整時應(yīng)注意如下幾點。

1）調(diào)整傳輸速率時需要根據(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應(yīng)關(guān)系參見表3。

表3 波特率與傳輸距離對應(yīng)關(guān)系

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

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)淖畲笾担枰{(diào)整PLC參數(shù)設(shè)定或者同時調(diào)整PLC參數(shù)設(shè)定及波特率，或者采用中繼器進行網(wǎng)絡(luò)隔離及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

4）該項工作宜在無網(wǎng)絡(luò)故障的情況下實施，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需要的時間為17.8ms。

4 診斷故障站點

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

（1）第一種方法 通過降低波特率（見表3）來驗證故障是否跟信號衰減有關(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)隔離的方式實現(xiàn)，即通過增加中繼器的方式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)隔離，判定故障或者干擾點處于哪個網(wǎng)絡(luò)段。

在實施該方法時應(yīng)注意以下幾點。

1）建議在隔離時采用二分法，同時結(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）在進行網(wǎng)絡(luò)隔離時注意各網(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RS485兩個節(jié)點間距符合要求。

5）注意RS485接地運行時，所有節(jié)點接地運行并跨接M與PE；RS485不接地運行時，所有節(jié)點不接地運行并不跨接M與PE，且RS485的電源也是不接地的。在不接地運行方式下，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終端電阻，特別是增加中繼器后的第一個站點，在實驗室條件下，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量，主要測量位置點。

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

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

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

4）測量各個站點對地電阻，對地電阻應(yīng)小于2Ω，注意統(tǒng)計接地電阻異常點（站點電阻測量值見表4）。由表4可知，8號站點地址電阻異常，可以單獨做接地，如果故障不能消除，則考慮ET200模塊故障。

表4 站點電阻測量值

（4）第四種方法 利用ProfiTrace進行網(wǎng)絡(luò)診斷，方便地排除故障站點，可以對A/B相間微分電壓（見圖5）、掉站情況、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及波形進行分析，這里不作重點分享。以現(xiàn)場為例，現(xiàn)場9號站點的通信電壓不穩(wěn)定，容易造成數(shù)據(jù)丟失或者掉站，需要對9號站點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，同時注意ET200站點是否損壞的情況。

圖5 A/B相間微分電壓

（5）第五種方法 通過從每個網(wǎng)段第一個站點開始逐個撥終端電阻（見圖1、圖2）的方式，注意各站點接頭、模塊的終端電阻意義，相當(dāng)于從每個網(wǎng)段第一個站點開始，逐個站點短接，配合STEP7硬件診斷緩沖區(qū)，查看報警狀態(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 對于控制線路應(yīng)使用屏蔽線纜，并做好屏蔽接地；對于強電流動力線，最好使用屏蔽電纜，并與控制線纜分隔、獨立走線。

（2）利用接地技術(shù)消除干擾 特別是涉及電動機接地、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)第一個站點與最后一個站點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、硬件品牌型號和網(wǎng)絡(luò)站點物理參數(shù)等）、軟件（涉及參數(shù)設(shè)定、總線時間計算等）和電磁干擾（涉及接地技術(shù)、屏蔽等）問題做了深入分析，對解決現(xiàn)場DP通信報警、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的精準(zhǔn)度。