工业总线Profibus网络故障诊断分析

2020-09-03 03:43宫涛

钢管 2020年3期

宫涛

（天津钢管制造有限公司，天津 300301）

当今的制造业对工业以太网及现场总线网络的使用已经非常广泛。企业用户利用网络进行数据传输，为工业的自动化和智能化提供必要的解决方案。无论是在生产、工艺和交通控制技术及楼宇自动化方面，高效的网络故障诊断及解决方案可以保证数据可靠地传输。因此，在恶劣的工业环境条件下，为了提高网络的安全性、实时性及冗余性等，就必须采用实用且有针对性的故障诊断技术。

1 Profibus现场总线介绍

现场总线的概念于1984年正式提出。现场总线的出现不仅简化了控制系统结构，还使得整个控制系统的设计、安装、投运、检修维护都大大简化。近十多年来，也在工业控制领域得到了迅速发展，并且在工业自动化系统中得到了广泛应用［1］，但现场总线技术至今还没有统一标准。很多公司也推出其各自的现场总线技术，但彼此的开放性和互操作性还难以统一［2］。在环境较恶劣的工业生产企业中常使用Profibus现场总线网络［3-4］。天津钢管制造有限公司Φ460 mm连轧管机组主要使用的网络技术是Profibus现场网络技术。该连轧管生产现场设备为Siemens（西门子）的S7系列PLC（可编程逻辑控制器），主站采用 Siemens的S7-400系列PLC，从站采用ET 200M系列，通过Profibus现场总线网络进行整体连接。上位机方面采用TCP/IP协议，通过WINCC（视窗控制中心）与PLC进行沟通，以满足用户需求［5］。现场使用过程中，发现Profibus现场总线网络存在一定问题，一旦一个站点发生故障，其他站点也会报警，同时报警的站点有可能不是故障发生的站点，需要采取一定的技术手段分析处理［6］。

2 Profibus网络故障的主要诊断方法

Profibus网络故障的诊断方法主要有4种：使用设备上的LED（发光二极管）和STEP7（编程软件）进行故障诊断，使用程序块进行故障诊断，使用通信处理器进行诊断，使用专用硬件诊断网络故障。在生产中，主要使用STEP7软件对故障进行判断及具有诊断功能的中继器（简称诊断中继器）对故障点进行精确定位［7］。

2.1使用设备上的STEP7诊断故障

STEP7是西门子公司的编程软件，但其功能已经超越了编程软件的范畴，STEP7用于对整个控制系统进行组态、编程和监控。Siemens具备诊断信息存储功能，能够保存最近发生的故障，最多300条故障信息［8］。Φ460 mm连轧管机组运用STEP7软件进行故障诊断。

图1所示是该连轧管机组生产现场的网络故障信息。图1（a）所示包括CPU型号、版本号、CPU所在机架号及槽号。图1（b）所示显示故障发生站点、Profibus网络段号、诊断代码、故障原因；其中，时间表明这是故障存储中最早发生故障的记录。图1（c）所示包括输入/输出故障情况、中断调用、调用优先级及地址等。

（1）单站故障。

故障情况：穿孔毛管小车横移二号编码器出现掉站现象，通过查看报警信息，发现此站点在4 h内掉站两次，且瞬间恢复，检查发现此站点编码器屏蔽线有故障，处理后正常。

故障处理措施：如频繁出现某一站点掉站报警，通过STEP7和CPU报警信息可以查看该站点地址，通过地址找到实际站点，此类故障通常是由于此站点故障引起［9］。由于DP（高清晰音视频流传输接口）采用令牌指令进行传输，如果某一站点报警提示故障，无法读数，要检查拓扑结构中此站点与前一站点之间的连接情况，也就是网线插头、端子、屏蔽等问题，而且还要检查此站点组态地址的前一站点的设备情况，如网卡是否损坏及编码器工作是否正常等［10］。

（2）多站故障。

图1 网络故障信息

故障情况：穿孔传动柜网络报警，多个变频器出现频繁掉站现象，之后检查第一站进线DP插头，发现插头损坏，更换后正常。

故障处理措施：如出现多个站点不规律报警，通过CPU报警信息查看地址，分析相关原因，检查报警站点地址与拓扑结构，一般情况是所有报警设备的前一站点。因此，对于多个站点报警，尽可能地通过拓扑结构进行分析，发现问题的根源并进行解决，必要时可以通过测试终端电阻开关来进行检查［11］。

使用自带报警信息能够解决很多问题，但报警信息是循环存储的，一旦发生网络故障，后面的信息包括输入/输出点扫面错误会将故障代码掩盖，无法及时查找原因。因此，有必要使用诊断中继器进行设备故障判断［12］。

2.2使用诊断中继器诊断网络故障

使用西门子的诊断中继器可以进行网络诊断和故障定位。与其他普通中继器相比，诊断中继器6ES7 972-0AB01需要占用一个Profibus站地址，其基本功能都是4个通道，其中两个通道与另两个通道信号隔离［13］。

诊断中继器具有故障存储功能，能够存储最近发生的网络故障信息，其与CPU的报警信息区别在于仅存储各个站点故障信息，由于数量少，所以不会被现场大量的输入/输出故障覆盖，同时还能够诊断出故障发生的位置，为一些干扰故障提供指导［14］。

在诊断中继器诊断时，由于诊断过程中会用到时钟信息，因此要进行中继器时间的设定。为了使诊断信息时间与系统时钟一致，一般可以将CPU中的系统时钟作为时钟信息写入到中继器中。但一般CPU的系统时钟也不是当前的时间，因而可以先将CPU的时间设置成当前时间，然后再将CPU中的时间写入到诊断中继器中。这里将涉及到的功能块有：FC3"D_TOD-DT"时间格式转换，SFC 0"SETCLK"CPU设定时间，SFC 1"READ-CLK"读取CPU时间，SFC 58"WR REC"将系统时间写入诊断中继器（RECNUM=3C）。

（1）实例1。诊断中继器在Φ460 mm连轧管机组管坯炉的网络拓扑结构如图2所示，网络信息表如图3所示，网络中断点如4所示，诊断曲线如图5所示。

图2 诊断中继器在Φ460 mm连轧管机组管坯炉网络拓扑结构

图3 网络信息表

图4 网络中断点

图5 诊断曲线

在图2所示黑圈中的站点进行测试，在测试中，显示距离为25.1 m。测试时，将DP接头一端数据传输线（绿线）虚接并最终断开。从图3中可以看出，诊断信息显示B信号错误；从图4中可以看出，故障位置在25.1 m或25.7 m位置（实际电缆长度为25.1～30.7 m）。从图5中看出：虚接时，诊断曲线为波浪线；信号断开，曲线为直线；错位率100%。

（2）实例2。Φ460 mm连轧管机组生产线采用国产中继器对Profibus故障进行诊断与排除。

故障情况：网络不定期出现Profibus通信故障；将主站对调，该条Profibus网络依然出现故障。检查现场布线后发现，Profibus电缆与动力电缆未分开，功能地与保护地是否分开有待确认。通过观察变频器的Profibus接口A、B信号的波形，发现以下问题：所有变频器都通电后，部分Profibus从站的干扰相当严重，而且比较频繁。B-A的波形不是规整的方波，带有尖波。通过降低Profibus波特率，波形有所改善。判断认为，现场的EMC（电磁兼容性）造成故障［15］。

故障处理措施：在电压衰减比较大的节点添加ProfiHub B5中继集线器，测试后波形有明显改善，尤其对B-A的电压峰-峰值作用明显，噪声干扰消失。改善Profibus布线（在施工建设时已完成，后续很难再改）；对于控制柜内的Profibus电缆，应尽量使电缆之间的距离保持相等；在电缆必须交叉的地方，应该成直角。如果间距不足以维持电缆之间所需要的距离，则必须将这些电缆布线在单独的金属支架中。进入控制柜的所有电缆屏蔽在入口点接地。在控制柜的电缆入口处使用螺纹压盖固定。在电缆屏蔽接地之前，避免控制柜外面有任何电缆与Profibus电缆平行。改善接地系统，增加Hub中继器，分段安装ProfiHub B5后，各个站点的B-A电压均正常，波形明显改善，故障排除［16］。

3 结语