Probibus-DP网络诊断分析及应用

作者:胡建华 文章来源:瓦克化学(张家港)有限公司 发布时间:2015-03-24

稳定可靠的总线网络诊断工具——能及时发现网络中薄弱的地方,节省系统诊断时间,大大提高工厂设备的利用率。

PROFIBUS是一种具有应用范围极广、开放的数字通信系统,是集中自动化系统向分散自动化系统发展的重大突破。

在应用过程中,由于用户对现场总线技术的了解程度不同,再加上现场情况复杂,因此很有可能导致许多现场总线通信上存在着一些隐患,如果不能及时发现和处理,将可能导致通信故障,从而影响系统的正常运行。一套稳定可靠的诊断工具和方法,对于Profibus网络尤为重要。

本文着重介绍Profibus-DP的网络、故障诊断分析及诊断工具的使用。

Profibus-DP简介

Profibus-DP是Profibus(过程现场总线)家族的一员,它的应用极为广泛。Profibus-DP主要用于现场级的数据传输,解决自动化控制系统通过高速串行总线与分散的现场设备(仪表、阀门等)之间的通信任务。

Profibus-DP设备类型

DP网络中的设备类型有3种:

●1类主站:它是DP网络中主角,起着和从站交换数据并控制整个网络的作用。

●2类主站:它负责对DP系统进行组态,对网络进行诊断等。

●从站:从站是现场设备,它们负责执行主站的输出命令,并向主站提供从现场传感器采集到的输入信号。

Profibus-DP网络结构图

本基地一个新建工厂采用西门子416系列CPU主站,从站有3个ET200M、8个ET200iSP远程站、20个ABB ACS800变频器、16个西门子SIMOCODE马达启动器以及第三方设备(如Pilz安全系统,托利多称重系统等)。

图1中Profibus-DP单站网络L3段上设备包括:

●AS416自动化控制站;

●ES代表工程师站;

●ET200M分布式IO设备;

●ET200iSP分布式IO站(可在充满气体和粉尘的可能爆炸的环境下操作);

●RP代表西门子RS 485中继器,在网络中起放大/分支作用(上下方向DP端口具有放大作用,水平方向DP端口具有分支作用);

●IS代表西门子RS 485-IS耦合器,通过它将ET200iSP连接到主站;

●PT代表Profibus终端电阻;

●传输介质是Profibus屏蔽双绞线。

网络分析及故障诊断

网络介绍

L3网络属于Profibus-DP单站系统。AS416为1类主站,位于3层机柜间;ES为2类主站,位于3层控制室;从站为分布式I/O站,分别位于1,2,3层现场和机柜间。

3个ET200M分布式I/O站,DP地址分别为3、4、5,与AS416在同一个柜内;8个ET200iSP分布式I/O站,DP地址为6~13,按防爆要求进行设计,DP 6/7/8/10/11的5个站位于现场2层,DP 9/12/13位于现场1、3层,每个ET200 iSP站都单独安装在一个远程柜内;柜与柜之间通过Profibus屏蔽双绞线进行连接。以下将从站简称为DPx站(x为分布式I/O站地址)。

传输介质采用的是Profibus屏蔽双绞线,Profibus屏蔽双绞线的走线方式完全跟动力电源分开,屏蔽层在电缆两端可靠接地。传输速率为500kbit/s。

网络故障描述

2014年3月底,调试试运行结束后,工厂投产运行。工厂正常运行至5月中旬,DP9/12/13 ET 200iSP远程站通信故障,且马上恢复正常,此次故障导致工厂停车,损失较大。

Profibus-DP通信故障,通常会造成工厂停车,造成较大的损失。DP通信故障,都会非常重视,希望能找到故障发生的原因,彻底解决故障,以避免再次出现类似故障,影响工厂生产。

在处理系统问题时,系统维护技术人员都希望故障能重现,抓住故障现象及有用信息。可是此次故障,自动复位恢复正常,且不再出现类似故障。ES站上,在线查看CPU416上报警信息(通常会保存3000条记录),没有找到有用的信息,只找到在某个时点上出现过掉站现象。通信恢复后,DP9/12/13远程站通讯故障现象没有再出现。在故障原因未查明解决前,工厂不会重新启动。在故障原因查找过程中,通过CPU诊断信息和常规的检查手段,无法定位故障点,找到故障原因。

网络分析及诊断工具应用

在故障查找陷入困境时,我们试用了第三方厂家的专业Profibus-DP诊断工具PROFIBUS Tester4,型号BC-600-PB。此诊断工具可以在不影响PROFIBUS正常运行的情况下,对DP段内所有主从站的物理层和协议层同时进行完整检测,从而分析网络状况并定位故障源。它能准确检测出瞬时干扰和早期错误隐患,比如线缆老化、电阻丢失、接头松动等,可实现预防性维护,有效避免非计划性停机。

每条DP网络上,主站DP接头采用带编程口的DP插头。这样优势是,不需要将相对应DP网络断开,就可连接编程/诊断工具,不会影响设备的正常运行。诊断工具Tester4直接连在L3编程口上,对L3网络进行在线监控。

电平和波形测试是DP网络分析常用的方法。通过Tester4诊断工具的在线监控软件,监控L3网络上主/从站的电平和波形,高电平为5V DC,低电平为0V DC,说明L3网络的信号强度较强,不存在由于距离而衰减现象,因此可以排除L3网络走线错误、距离过长导致的信号衰减、终端电阻设置错误等;从波形上判断,主/从站波形均为平整方波,几乎不存在抖动波形,也可以排除L3网络存在明显的外界电磁干扰。

通过对L3网络电平和波形分析,说明网络状态良好,未抓到网络的故障点。

Tester4诊断工具也具有强大的报文诊断功能, 解析诊断报文、参数化报文、配置报文,矩阵形式记录重发报文、诊断报文次数等等。利用诊断报文功能,连续监控L3网络状态,监控通信报文。进入软件“Overview”画面,出现了闪烁的“!”(感叹号表示网络“不健康”),说明L3网络有隐患,但不是致命的。然后,进入“Station Statistics”画面,发现DP9/12/13三个站,出现重发报文记录(如图2①)。由此,确认了网络的故障点。

基于报文重发记录(故障点),进一步分析引起的原因,可能的原因有:① DP9/12/13三个站接线问题(出现丢包现象);② 干扰问题;③ 设备缺陷;④设计问题等。通过对DP9/12/13 三个站的线路检查并重新接线,尝试更换双绞线、RS485放大器和RS485-IS耦合器等操作后,报文重发现象依然存在,因此可以排除前三个原因。

最后集中在第四个原因——设计问题上进行分析。L3网络结构不是太复杂,也较典型,比较特别的就是L3网络上同时存在ET200M和ET200iSP,ET200iSP通过IS1和IS2信号隔离器接入主站,且考虑到DP9/12/13从站与主站的距离,加了一个RS485信号放大器进行信号放大。RS485信号放大器在此项目的设计中,一路接到IS1上,用于放大作用(接DP9/12/13站);另一路接到IS2上,起到分支作用(接DP6/7/8/10/11站)。RS485放大器是首次此网络上应用。RS485在安全区域经常设计为一路放大、一路分支。基于上述分析,RS485在L3 网络回路上的应用可能存在问题。

要验证上述的分析,我们通过操作RS485放大器终端开关,将连接到IS2分支路断开,观察诊断工具的在线软件报文情况,出现DP6/7/8/10/11五个从站掉线,DP9/12/13三个从站的报文重发记录不再出现(见图2②)。由此,基本可以得出结论,RS485在L3网络的设计是有缺陷的。通过上述的分析和排除,我们对L3网络中RS485的线路进行了修改,整改后的网络,通过诊断工具在线软件监控,网络的电平、波形、报文等信息都正常(见图2③)。L3网络整改后,工厂一直运行正常,没有再出现DP9/12/13站通信故障现象。

总结

当今,随着现场总线在分散控制系统的广泛应用,现场总线的设计和产品越来越成熟,通过简单的诊断来预防和诊断总线故障,已经不能满足系统维护要求。所以,稳定可靠的总线网络诊断工具,将会越来越有用武之地,它能及时发现网络中薄弱的地方,节省系统诊断时间,大大提高工厂设备的利用率。

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