西門子CP1542-5通信故障案例解析

◎ 劉少山

（中儲糧（盤錦）物流有限公司，遼寧 盤錦 124000）

Profibus-DP是工業(yè)自動化中最常用的網(wǎng)絡(luò)之一。PROFIBUS是一個用在自動化技術(shù)的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，在1987年由德國西門子公司等14家公司及5個研究機(jī)構(gòu)所推動，PROFIBUS是Process Field Bus的簡稱，Profibus代表“過程現(xiàn)場總線”，DP代表“分布式設(shè)備”。

中儲糧（盤錦）物流有限公司裝船機(jī)整機(jī)采用PROFIBUS-DP工業(yè)通信，PLC控制系統(tǒng)采用西門子1500系列模塊裝配工藝，如圖1所示，包含1個主站、2臺分布式I/O、2臺儀表和1臺觸摸屏、3臺變頻器、4個編碼器。通信處理器為西門子S7-1500 CP 1542-5 6GK7 542-5FX00-0XE，西門子中繼器RS485 6ES7 972-0AA02-0XA0，PLC與IO模塊進(jìn)行通信使用接口模塊ET200SP IM155-6DP HF 6ES7155-6BU00-0CN0，Profibus-DP電纜進(jìn)行傳輸，以前PLC的I/O模塊是集中安排，但現(xiàn)在是通過在主控制器和其I/O模塊之間引入DP總線對I/O進(jìn)行離散化，將它們移動到現(xiàn)場區(qū)域機(jī)箱中，因此使用Profibus-DP不是連接每個傳感器執(zhí)行器或其他設(shè)施，可以在現(xiàn)場區(qū)域的這些設(shè)施旁邊安裝一組“遠(yuǎn)程I/O”，然后使用單個RS-485電纜將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC，這可以大大降低布線成本，最重要的是這里的數(shù)據(jù)傳輸方法是“數(shù)字化”，工業(yè)環(huán)境的干擾對數(shù)據(jù)影響較少。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

1 故障現(xiàn)象

裝船機(jī)在一次作業(yè)的過程中遭遇到雷擊，出現(xiàn)通信故障整機(jī)不能動作，控制合無法合閘，從外觀上看不出設(shè)備有任何故障，這給技術(shù)人員排查故障造成極大的困擾，現(xiàn)將整個故障排查過程做案例分析，以便日后遇到類似問題能夠迅速排查到故障點(diǎn)。

2 通信原理

2.1 DP協(xié)議結(jié)構(gòu)

DP定義了物理層、數(shù)據(jù)連路程和用戶接口，3～7層未加描述，這種結(jié)構(gòu)是為了確保數(shù)據(jù)快速有效進(jìn)行。

DP中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層與FMS中的定義完全相同，二者采用了相同的傳輸技術(shù)（光纖或者RS485傳輸），并統(tǒng)一總線控制協(xié)議報文格式。直接數(shù)據(jù)鏈路反映為用戶接口與數(shù)據(jù)鏈路層之間的信息交換提供了方便。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能，并詳細(xì)說明了各種不同的DP行規(guī)。

2.2 傳輸技術(shù)

全部設(shè)備均與總線連接，每個分段上最多可接32個站，如圖2所示，每段的頭和尾各有一個總線終端電阻，為確保操作運(yùn)行不發(fā)生誤差，兩個總線終端電阻必須一直有電源，當(dāng)分段站超過32個時，必須使用中繼器，用以連接各總斷線，串聯(lián)的中繼器一般不超過4個，電纜的最大長度取決于傳輸速度，一旦設(shè)備投入運(yùn)行，全部設(shè)備均需選用同一傳輸速度。

圖2 總線連接示意圖

為在高電磁輻射環(huán)境下獲得良好的抗干擾性能，可以使用帶屏蔽的數(shù)據(jù)傳輸電纜，屏蔽電纜兩端的屏蔽編織箔必須與地線連接，并通過盡可能大面積的屏蔽接線來覆蓋，此外在鋪設(shè)過程中建議把數(shù)據(jù)線和動力線隔離。

在一個Profibus系統(tǒng)中最大連接126個站，總線系統(tǒng)分為若干段，每個分段最多可連接32個站，每段的頭尾都需要一個永久有源的總線連接器，標(biāo)準(zhǔn)的總線連接器用一個開關(guān)來控制終端電阻，兩個總線的終端必須一直有電源。如果總線上超過32個站點(diǎn)，各總線分段之間用中繼器連接。中繼器是連接網(wǎng)絡(luò)線路的一種裝置，常用于兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間物理信號的雙向轉(zhuǎn)發(fā)工作。中繼器主要完成物理層的功能，負(fù)責(zé)在兩個節(jié)點(diǎn)的物理層上按位傳遞信息，完成信號的復(fù)制、調(diào)整和放大功能，以此來延長網(wǎng)絡(luò)的長度。由于存在損耗，在線路上傳輸?shù)男盘柟β蕰饾u衰減，衰減到一定程度時將造成信號失真，因此會導(dǎo)致接收錯誤。中繼器就是為解決這一問題而設(shè)計的，它完成物理線路的連接，對衰減的信號進(jìn)行放大，保持與原數(shù)據(jù)相同。

2.3 數(shù)據(jù)協(xié)議

Profibus總線存取協(xié)議包括主站之間的令牌傳遞方式和主站與從站之間的主從傳遞方式，每個八位二進(jìn)制數(shù)（1字節(jié)）按11位的順序被傳輸，最小的有效位（LSB）被第一個發(fā)送，最大的有效位（MSB）被最后發(fā)送，每個八位二進(jìn)制數(shù)都補(bǔ)充3位，即開始、終止和奇偶校驗(yàn)位，此編碼原理稱非歸零碼NRZ。

令牌傳遞程序保證了每個主站在一個確定的時間內(nèi)得到令牌，如圖3所示，令牌只在主站之間通信時使用。主從方式允許主站在得到這些存取令牌時可與從站通信，每個主站均可向從站發(fā)送或索取信息。當(dāng)某主站得到令牌后，該主站可在一定的時間內(nèi)執(zhí)行主站的工作，在這段時間內(nèi)它可依照主從關(guān)系表與所有從站通信，也可依照主主關(guān)系表與其他主站通信。

圖3 令牌邏輯通信圖

一類主站主要完成通信控制與管理，例如PLC、PC或者可做控制器等，當(dāng)一類主站取得令牌時，在規(guī)定的信息周期內(nèi)可依據(jù)通信關(guān)系表進(jìn)行主-從或主-主通信，可周期性的通過循環(huán)和非循環(huán)與分散的從站交換信息。

二類主站主要指操作員工作站，是可進(jìn)行編程、組態(tài)、診斷的設(shè)備。如編程器、操作面板等，主要用于系統(tǒng)組態(tài)、調(diào)試和監(jiān)控目的，他們可以通過非循環(huán)與一類主站和從站交換數(shù)據(jù)。

DP從站是指DP協(xié)議的智能現(xiàn)場儀表和智能型I/O設(shè)備，它們沒有總線控制權(quán)，僅對接收到的信息給與確認(rèn)或者當(dāng)主站發(fā)送請求時向主站發(fā)送信息。

DP從站是更接近于底層的現(xiàn)場設(shè)備，它們負(fù)責(zé)執(zhí)行主站的輸出命令，并向主站提供從現(xiàn)場傳感器采集到的輸入信號或其他輸入信號，常見的DP從站包括分散型的I/O、驅(qū)動器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備。

2.4 測量方式

把DP線兩端的DP頭的終端電阻都撥到ON上，在其中一段用萬用表量DP頭3號引腳和8號引腳之間的電阻，正常測量值是110 Ω左右。如圖4所示，把測量段的終端電阻撥到OFF上，遠(yuǎn)程的不動，這時的正常測量值是220 Ω左右。把遠(yuǎn)端的終端電阻撥到OFF上，測量端的終端電阻撥到ON上，這時正常的測量值也應(yīng)是220 Ω左右。把兩端的終端電阻都撥到OFF上，這時應(yīng)該是開路，量不出電阻。假如總線上不止一個DP接頭，可以只測兩端，中間DP頭的終端電阻，始終處在OFF上就可以，不通的話可以分段測量，但是最好把DP頭的出線拆掉來測量，排除干擾因素。

圖4 安裝示意圖

3 故障排查

3.1 硬件回路

組織人員對柜內(nèi)空開、斷路器、接觸器、避雷器、浪涌保護(hù)器以及變頻器等電器元件進(jìn)行檢查，過程中未發(fā)現(xiàn)有開關(guān)跳閘、限位失靈、短路等情況；動力電源總斷路器可以合閘，控制接觸器無法進(jìn)行合閘，排查過后判定動力線路和控制回路未受損傷。

3.2 在線監(jiān)控

將調(diào)試軟件和PLC進(jìn)行在線連接監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，這里調(diào)試軟件采用西門子博圖V13_SP1_UPD9，在使用該軟件時應(yīng)注意軟件版本，升級軟件可將舊版本程序打開，打開程序后源程序自動升級；舊版版本軟件則無法再將新版程序打開。

設(shè)備連接前首先設(shè)置好IP地址，IP地址前3個八位位組和調(diào)試電腦一致，第3個位組要與電腦IP區(qū)別開；子網(wǎng)掩碼要與電腦一致。

啟動程序點(diǎn)擊在線監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)程序中設(shè)備間通信中斷，如圖5所示，打開設(shè)備網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，查看硬件回路通信，僅有高、低壓柜兩儀表可以實(shí)現(xiàn)正常通信，其他通信都處于斷開狀態(tài)，分析判定通信故障。

圖5 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖

需要說明一下，變頻器在監(jiān)控控制界面顯示通信不在線，原因是因通信故障不能控制合閘，致使變頻器無法帶電，沒有電源則無法實(shí)現(xiàn)通信。電源柜儀表、高壓儀表、上部電氣室、司機(jī)室以及編碼器則采用的是獨(dú)立電源，未顯示在線的設(shè)備則需要深入檢查。

3.3 通信固件檢查

若大面通信中斷導(dǎo)致其他通道通信關(guān)閉，則中心樞紐RS485中繼器模塊損壞的可能性最大，檢查中繼器工況，分別對通道、阻值進(jìn)行校驗(yàn)，測量值均在正常范圍內(nèi)，判定中繼器模塊未受損。

既然中樞模塊未損壞，那么就是其他通道損壞造成通信干擾中斷。于是技術(shù)人員按以下通道分別進(jìn)行測試：①下部電氣室→中繼器→上部電氣室分站→俯仰變頻器→旋轉(zhuǎn)變頻器→司機(jī)室分站→觸摸屏。②下部電氣室→中繼器→大車編碼器→俯仰編碼器→旋轉(zhuǎn)編碼器→溜管編碼器。③下部電氣室→中繼器→低壓儀表→大車變頻器→高壓儀表。

狀態(tài)顯示只有①通道無法進(jìn)行通信；②③通道通信回路正常，并且①通道的接通會造成②通道的阻斷；判定①通道故障。對①通道進(jìn)行故障排查，萬用表切換至歐姆檔，測量該通道電阻值，數(shù)值顯示82 Ω，正常情況下兩端終點(diǎn)電阻在ON狀態(tài)為220 Ω，并聯(lián)后為110 Ω，顯示異常則需要對兩端的終端電阻單獨(dú)測試，觸摸屏終端電阻為164 Ω，更換新的插頭后電阻正常。模塊重新上電，但通信狀態(tài)仍然顯示中斷。

電纜連接沒有問題，分站的模塊通信損壞也有可能造成通信的中斷。技術(shù)人員開始排查分站后面的輸入量、輸出量、模擬量模塊，發(fā)現(xiàn)上部電氣房模塊中有一半的Diag診斷指示燈不閃爍，檢查后重新組裝，診斷指示燈閃爍正常；通信檢測依舊故障但編碼器回路已恢復(fù)，如圖6所示。

圖6 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖

考慮到下部機(jī)房距離上部機(jī)房較遠(yuǎn)，電纜捆扎在一起，產(chǎn)生通信干擾的可能性比較大，技術(shù)人員沿其他路徑重新敷設(shè)了一根通信線纜，單獨(dú)通信上部電氣房分站：下部電氣室→上部電氣房分站，電腦顯示通信失敗。

3.4 點(diǎn)對點(diǎn)通信

（1）下部電氣室→俯仰變頻器進(jìn)行單獨(dú)通信，強(qiáng)制控制合使變頻器帶電，變頻器上通信狀態(tài)顯示通信正常，但監(jiān)控軟件顯示通信失??；于是在軟件中加設(shè)速度控制量，變頻器中無速度變量反饋；變頻器斷電重新上電，控制面板速度變量與軟件設(shè)定值相匹配，然后調(diào)整速度變量值，但變頻器中速度變量維持不變，斷電重啟后變頻器才會有變化。

（2）下部電氣室→司機(jī)室分站進(jìn)行單獨(dú)通信，兩端終端電阻切換至ON狀態(tài)時，監(jiān)測軟件顯示通信失敗；技術(shù)人員將其中一個終端電阻切換至OFF狀態(tài)，顯示通信成功。

通過上述現(xiàn)象分析，該通信模式已經(jīng)違背PROFIBUS-DP通信規(guī)律，可判定下部電氣房主站通信處理器出了問題。如圖7所示，將通信處理器更換后通信恢復(fù)正常，測試整機(jī)動作正常。

圖7 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖

4 結(jié)語

通過此次事件充分認(rèn)識到通信故障對整個設(shè)備控制的重要性，當(dāng)遇到通信不暢時首先對上位機(jī)的硬件配置進(jìn)行檢查，檢查其是否與現(xiàn)場設(shè)備一致，再檢查DP接頭是否存在松動以及損壞。如果通信時不時地丟失最常見的就是通信干擾，當(dāng)出現(xiàn)這一類的情況往往需要從設(shè)備、接線、DP線長度、節(jié)點(diǎn)數(shù)等多環(huán)節(jié)進(jìn)行逐一查找故障源；通信處理器有選擇性地執(zhí)行指令在故障處理過程中確實(shí)極為罕見。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)普及應(yīng)用和推廣，未來這種控制方式在技能培訓(xùn)中應(yīng)作為重點(diǎn)，讓更多的人掌握才能在問題處理過程中贏得時間上的勝利。