Profibus-DP总线技术在某特种玻璃生产线中的应用

朱恒成,王 程,童 敏

(轻工业自动化研究所,杭州 310015)

朱恒成,王 程,童 敏

(轻工业自动化研究所,杭州 310015)

该文介绍了Profibus-DP通讯的特性,阐述了Profibus-DP现场总线在某特种玻璃生产线的应用以及Profibus-DP通讯在现场容易出现的故障分析及诊断处理的方法。

Profibus-DP; 玻璃生产线; 通讯; 诊断信息

某特种玻璃因其良好的节能性,透光性,已经成为节能玻璃的主流。如何提高该玻璃生产线的产量和镀膜质量成为各生产厂家的关注核心,同时也对该特种玻璃生产线控制系统提出更高的要求。其中基于现场总线技术的FCS,相对于DCS具有更好的信息处理效率、更高的控制精度、更可靠的安全性,已被越来越多的厂家所采用。因此,该文针对某特种玻璃生产线控制系统结合现场调试,探讨分析了Profibus-DP现场总线技术,分析了其在某特种玻璃生产线中的实现方法以及故障诊断和处理方法。

1 Profibus-DP现场总线协议及通信原理

现场总线技术的开发建立起不依赖任何厂商的开放式控制系统,并建立统一的工厂底层信息网络,实现了不同厂商的不同设备在遵守同一总线标准的情况下即插即用。目前国际上现场总线技术标准种类繁多, Profibus就是其中最具影响的标准之一。Profibus认证严格,标准开放,有众多厂商支持,在2006年成为我国现场总线标准。Profibus根据不同的应用特点分为Profibus-PA、Profibus-DP和Profibus-FMS。其中Profibus-DP具有高速传送、价格低廉的特点,主要用于分散设备间的数据传送,能够有效满足某特种玻璃生产线中设备分布散,控制速度和精度较高的要求。

Profibus-DP只使用了ISO/OSI模型其中的第一层、第二层,结构精简,其物理层采用RS 485连接方式,通信介质采用屏蔽双绞线或光缆,通信距离从100～1 200 m,传送速率可由9.6 kbps至12 Mbps。系统中最多站点数为127个,当一条网络中的站点个数多于32个时,需要使用中继器相连接,使用中继器可以实现树型和星型总线结构。Profibus使用混合的总线存取控制机制来实现通信,Profibus通信可分为主主通信和主从通信。主站间的通信采用逻辑令牌传递方式,拥有令牌的主站在确定的时间窗口内拥有总线控制权,决定系统的通信。主从通信主站采用主从原理以轮循方式与从站通信,同时采用循环或非循环报文实现主主通信。

2 控制网络实现方法

2.1 控制系统

该生产线控制系统主要分为五个部分。根据每个部分的现场过程控制设备和需要监控的I/O点数,结合设备工艺分析,对工艺要求的控制点和控制要素进行分析。在生产线控制系统中采用两个西门子S7CPU作为主站,从站包括西门子远程从站ET200M、ET200S、智能从站S7PLC,西门子传动设备、智能电源等多主从DP网络拓扑系统。控制系统网络示意图如图1所示。

2.2 硬件组态

该特种玻璃生产线控制系统共有6条DP网络系统,由于包含众多不同厂商的软硬件,在硬件组态时利用GSD文件完成开放式组态,设备数据库文件(GSD)描述了Profibus设备的功能、特性及总线参数。使用基于GSD的组态工具可将不同厂商生产的设备集成到一个总线系统中,不同的厂商为其DP设备提供有相应的DP网络配置及GSD组态工具。

在硬件组态时所有从站的DP地址不能重复,并且必须与硬件上拨码开关上的地址值保持一致。部分硬件没有拨码开关完全依靠组态软件设定地址。每条Profibus-DP网络的通讯速率的设定根据实际通讯的距离和设备的控制要求设定不同值。一般情况下通讯距离在200 m以内可以设定1.5 Mbps的通讯速率;通讯距离在400 m以内,速率选择在500 kbps;通讯距离在1 000 m以内,速率选择在9.6-187.5 kbps;否则容易出现掉站、不通等不稳定现象。

DP网络物理层通过RS485接头连接,每条网络需要2个终端电阻。终端电阻是为了消除在通信电缆中的信号反射。在通信过程中,有两种原因导致信号反射:阻抗不连续和阻抗不匹配。终端电阻接在传输总线的两端,其阻值要求匹配传输电缆的阻抗特性,短距离传输时,一般100 m以下不需要接终端电阻。

该生产线中,因部分网络站点个数超过32,须使用DP Coupler。在使用DP Coupler时两个Profibus网络的数据通信区必须要完全相同(包括长度和数据类型),否则模块将会报通讯故障;如果DP/DP Coupler交互的数据大于4 bytes,应该使用“Consistent”,并且调用SFC14、SFC15模块。对于DP/DP Coupler连接的两个网段,通讯速率可以不同,因此DP/DP Coupler非常适用于不同通讯速率的两个Profibus-DP主站系统之间的数据通讯。

3 故障分析探讨

3.1 故障描述处理

在设备的调试及运行过程中,由于种种原因会出现DP网络断线、短路、丢站、通信中断等各种的问题。工程师需要选择合适的方法,快速地对DP系统进行诊断、分析,准确地定位故障点,找出产生故障的原因,恢复系统运行。

导致硬件故障的主要原因包括:RS485接头接触不良,屏蔽层接触不稳定;软件中DP站地址与硬件拨码开关不一致;终端电阻开关ON/OFF位置错误;附近干扰源干扰导致;通讯速率与通讯距离不能匹配等。一般的通讯故障都可以通过西门子STEP7硬件组态在线就能直观显示故障发生点。

总线网络通过RS485接头物理连接如图2所示。使用RS485接头时,当开关拨至“ON”时,A1和B1两端和终端电阻相连,在DP网络的终端只能接A1和B1,否则不能连接终端电阻。当开关拨至“OFF”时,终端电阻和数据线断开,A1和A2,B1和B2相连,将DP网络上的设备串接。在DP网络中只使用了RS485接头的3和8两个引脚,因此检测网络接线是否可靠的最好方法就是测量3和8两个引脚之间的电阻。如果网络接线良好,当开关拨至“ON”时,3和8两个引脚之间的电阻为220Ω;当开关拨至“OFF”时,电阻为无穷大。

在调试过程中经常出现掉站,站点不可用等现象。在该特种玻璃生产线中所有阴极都有单独的S7-300控制系统,阴极系统作为智能从站通过DP COURPLER连接到Profibus-DP网络与主站通信。整条网络上的从站都是并联分支结构,每个阴极控制系统都为一个分支,终端接有西门子终端电阻,整条网络通讯长度超过200 m,接线情况比较复杂。由于这种连接方式会导致阻抗增加,导致与总线电缆阻抗不匹配,在调试时使用Step7软件上硬件组态在线时就有个别从站显示“站点不可用”,或者有丢站的情况。使用万用表测量主站端RS485连接器的3和8两个引脚电阻值略大于理论值的220Ω,所以在以1.5 M/s的速率通信时,有丢站的不稳定现象。为保证系统通讯稳定,应将速率改为500 kbps。

在抽真空调试过程中,其中一条总线上的部分泵组子站偶尔出现掉站,通过测量DP网络的电阻,回路检测正常,但是会有一定波动。分析其原因主要是信号源干扰,处理干扰首先检查接地。由于这条总线中DP站点比较多,而不同的接地间存在电位差,容易引起地环路电流,影响网络系统的正常工作。通讯系统要求一端接地,或将各个站点做成一个系统接地,为了保证通讯质量,要求通讯电缆上所有站点处于同一电压等级上。用等势线连接起来的方法可以解决此问题。可以用线缆将站点的地线连接,保证所有Profubus-DP站点屏蔽层可靠接地。

3.2 故障诊断分析

现场调试过程中对于难以通过指示灯或组态在线查找的通讯故障,可以通过STEP7软件在线查看PLC的诊断缓冲区。例如从站未连接则会提示分布式IO同步:incoming event,当总线干扰严重,时断时序,则反复出现该类报警。但此方式无法编程处理,或上报给其他通讯伙伴,仅可用于显示。

使用OB86可以诊断分布式从站的连接故障。一般在OB86_EV_CLASS中可以查到:故障代码B#16 #39表示连接中断,故障代码B#16#38表示连接恢复正常。OB86_MDL_ADDR中包含了DP从站的逻辑地址,OB86_Z23包含了DP从站号、诊断地址等,通过这两个变量可以确定故障发生点。

FB125是一个中断驱动功能块,使用FB125功能块可以用程序来判断系统中通讯的错误,可以诊断总线上站点的各种故障信息,可以检测到从站的组态掉站等故障,并且有详细的报错信息。使用FB125来诊断故障时,必须在OB1、OB82或OB86中调用FB125才能实现这个功能。

在编程时需加入诊断中断组织块(OB82)和机架故障组织块(OB86)模块。S7400CPU在加入通信错误组织块(OB87)后,CPU遇到通信错误时就不会进入STOP模式。这样就能降低通讯故障危险等级,保证生产线正常运转过程中避免因通讯故障造成停机。

4 结 语

Profibus-DP这种通讯方式将现场采集到的检测和控制信息就地处理并及时反馈,以其自身的高效、可靠、使用方便、智能化等特点,保证了生产线控制系统稳定高效地运行。Profibus-DP统一开放的国际标准,保证了多厂商不同软硬件可以兼容使用。将Profibus-DP总线技术的理论基础和现场实际应用相结合,能更好地分析解决应用中出现的故障,以保障系统通讯的稳定性,发挥Profibus网络更多的优势。

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[3] 姜晓林,韩 江,夏 链,等.现场总线与工业以太网的应用分析[J].现代制造工程,2006,28(3):14-16.

[4] 涂 锐.PROFIBUS现场总线技术[J].电子技术与软件工程,2013,20(24):258-259.

Technical Discussion of Profibus-DP on Glass Production Line

ZHU Heng-cheng,WANG Cheng,TONG Min
(Research Institude for Automation of Light Industry,Hangzhou 310015,China)

This article introduces the characteristics of Profibus-DP communication,expounds theProfibus-DP application in a special glass production line,isslues the common fault and diagnosis process in the Profibus-DP communication.

Profibus-DP; glass production line; communication; diagnostic information

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.06.021

2014-08-20.

朱恒成(1989-),助理工程师.E-mail:zhc2073@163.com