西门子CP1542-5通信故障案例解析

◎ 刘少山

（中储粮（盘锦）物流有限公司，辽宁 盘锦 124000）

Profibus-DP是工业自动化中最常用的网络之一。PROFIBUS是一个用在自动化技术的现场总线标准，在1987年由德国西门子公司等14家公司及5个研究机构所推动，PROFIBUS是Process Field Bus的简称，Profibus代表“过程现场总线”，DP代表“分布式设备”。

中储粮（盘锦）物流有限公司装船机整机采用PROFIBUS-DP工业通信，PLC控制系统采用西门子1500系列模块装配工艺，如图1所示，包含1个主站、2台分布式I/O、2台仪表和1台触摸屏、3台变频器、4个编码器。通信处理器为西门子S7-1500 CP 1542-5 6GK7 542-5FX00-0XE，西门子中继器RS485 6ES7 972-0AA02-0XA0，PLC与IO模块进行通信使用接口模块ET200SP IM155-6DP HF 6ES7155-6BU00-0CN0，Profibus-DP电缆进行传输，以前PLC的I/O模块是集中安排，但现在是通过在主控制器和其I/O模块之间引入DP总线对I/O进行离散化，将它们移动到现场区域机箱中，因此使用Profibus-DP不是连接每个传感器执行器或其他设施，可以在现场区域的这些设施旁边安装一组“远程I/O”，然后使用单个RS-485电缆将数据传输到PLC，这可以大大降低布线成本，最重要的是这里的数据传输方法是“数字化”，工业环境的干扰对数据影响较少。

图1 网络拓扑图

1 故障现象

装船机在一次作业的过程中遭遇到雷击，出现通信故障整机不能动作，控制合无法合闸，从外观上看不出设备有任何故障，这给技术人员排查故障造成极大的困扰，现将整个故障排查过程做案例分析，以便日后遇到类似问题能够迅速排查到故障点。

2 通信原理

2.1 DP协议结构

DP定义了物理层、数据连路程和用户接口，3～7层未加描述，这种结构是为了确保数据快速有效进行。

DP中的物理层和数据链路层与FMS中的定义完全相同，二者采用了相同的传输技术（光纤或者RS485传输），并统一总线控制协议报文格式。直接数据链路反映为用户接口与数据链路层之间的信息交换提供了方便。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同的DP行规。

2.2 传输技术

全部设备均与总线连接，每个分段上最多可接32个站，如图2所示，每段的头和尾各有一个总线终端电阻，为确保操作运行不发生误差，两个总线终端电阻必须一直有电源，当分段站超过32个时，必须使用中继器，用以连接各总断线，串联的中继器一般不超过4个，电缆的最大长度取决于传输速度，一旦设备投入运行，全部设备均需选用同一传输速度。

图2 总线连接示意图

为在高电磁辐射环境下获得良好的抗干扰性能，可以使用带屏蔽的数据传输电缆，屏蔽电缆两端的屏蔽编织箔必须与地线连接，并通过尽可能大面积的屏蔽接线来覆盖，此外在铺设过程中建议把数据线和动力线隔离。

在一个Profibus系统中最大连接126个站，总线系统分为若干段，每个分段最多可连接32个站，每段的头尾都需要一个永久有源的总线连接器，标准的总线连接器用一个开关来控制终端电阻，两个总线的终端必须一直有电源。如果总线上超过32个站点，各总线分段之间用中继器连接。中继器是连接网络线路的一种装置，常用于两个网络节点之间物理信号的双向转发工作。中继器主要完成物理层的功能，负责在两个节点的物理层上按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度。由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。中继器就是为解决这一问题而设计的，它完成物理线路的连接，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同。

2.3 数据协议

Profibus总线存取协议包括主站之间的令牌传递方式和主站与从站之间的主从传递方式，每个八位二进制数（1字节）按11位的顺序被传输，最小的有效位（LSB）被第一个发送，最大的有效位（MSB）被最后发送，每个八位二进制数都补充3位，即开始、终止和奇偶校验位，此编码原理称非归零码NRZ。

令牌传递程序保证了每个主站在一个确定的时间内得到令牌，如图3所示，令牌只在主站之间通信时使用。主从方式允许主站在得到这些存取令牌时可与从站通信，每个主站均可向从站发送或索取信息。当某主站得到令牌后，该主站可在一定的时间内执行主站的工作，在这段时间内它可依照主从关系表与所有从站通信，也可依照主主关系表与其他主站通信。

图3 令牌逻辑通信图

一类主站主要完成通信控制与管理，例如PLC、PC或者可做控制器等，当一类主站取得令牌时，在规定的信息周期内可依据通信关系表进行主-从或主-主通信，可周期性的通过循环和非循环与分散的从站交换信息。

二类主站主要指操作员工作站，是可进行编程、组态、诊断的设备。如编程器、操作面板等，主要用于系统组态、调试和监控目的，他们可以通过非循环与一类主站和从站交换数据。

DP从站是指DP协议的智能现场仪表和智能型I/O设备，它们没有总线控制权，仅对接收到的信息给与确认或者当主站发送请求时向主站发送信息。

DP从站是更接近于底层的现场设备，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或其他输入信号，常见的DP从站包括分散型的I/O、驱动器、传感器、执行机构等现场设备。

2.4 测量方式

把DP线两端的DP头的终端电阻都拨到ON上，在其中一段用万用表量DP头3号引脚和8号引脚之间的电阻，正常测量值是110 Ω左右。如图4所示，把测量段的终端电阻拨到OFF上，远程的不动，这时的正常测量值是220 Ω左右。把远端的终端电阻拨到OFF上，测量端的终端电阻拨到ON上，这时正常的测量值也应是220 Ω左右。把两端的终端电阻都拨到OFF上，这时应该是开路，量不出电阻。假如总线上不止一个DP接头，可以只测两端，中间DP头的终端电阻，始终处在OFF上就可以，不通的话可以分段测量，但是最好把DP头的出线拆掉来测量，排除干扰因素。

图4 安装示意图

3 故障排查

3.1 硬件回路

组织人员对柜内空开、断路器、接触器、避雷器、浪涌保护器以及变频器等电器元件进行检查，过程中未发现有开关跳闸、限位失灵、短路等情况；动力电源总断路器可以合闸，控制接触器无法进行合闸，排查过后判定动力线路和控制回路未受损伤。

3.2 在线监控

将调试软件和PLC进行在线连接监测设备状态，这里调试软件采用西门子博图V13_SP1_UPD9，在使用该软件时应注意软件版本，升级软件可将旧版本程序打开，打开程序后源程序自动升级；旧版版本软件则无法再将新版程序打开。

设备连接前首先设置好IP地址，IP地址前3个八位位组和调试电脑一致，第3个位组要与电脑IP区别开；子网掩码要与电脑一致。

启动程序点击在线监测，发现程序中设备间通信中断，如图5所示，打开设备网络组态，查看硬件回路通信，仅有高、低压柜两仪表可以实现正常通信，其他通信都处于断开状态，分析判定通信故障。

图5 网络组态图

需要说明一下，变频器在监控控制界面显示通信不在线，原因是因通信故障不能控制合闸，致使变频器无法带电，没有电源则无法实现通信。电源柜仪表、高压仪表、上部电气室、司机室以及编码器则采用的是独立电源，未显示在线的设备则需要深入检查。

3.3 通信固件检查

若大面通信中断导致其他通道通信关闭，则中心枢纽RS485中继器模块损坏的可能性最大，检查中继器工况，分别对通道、阻值进行校验，测量值均在正常范围内，判定中继器模块未受损。

既然中枢模块未损坏，那么就是其他通道损坏造成通信干扰中断。于是技术人员按以下通道分别进行测试：①下部电气室→中继器→上部电气室分站→俯仰变频器→旋转变频器→司机室分站→触摸屏。②下部电气室→中继器→大车编码器→俯仰编码器→旋转编码器→溜管编码器。③下部电气室→中继器→低压仪表→大车变频器→高压仪表。

状态显示只有①通道无法进行通信；②③通道通信回路正常，并且①通道的接通会造成②通道的阻断；判定①通道故障。对①通道进行故障排查，万用表切换至欧姆档，测量该通道电阻值，数值显示82 Ω，正常情况下两端终点电阻在ON状态为220 Ω，并联后为110 Ω，显示异常则需要对两端的终端电阻单独测试，触摸屏终端电阻为164 Ω，更换新的插头后电阻正常。模块重新上电，但通信状态仍然显示中断。

电缆连接没有问题，分站的模块通信损坏也有可能造成通信的中断。技术人员开始排查分站后面的输入量、输出量、模拟量模块，发现上部电气房模块中有一半的Diag诊断指示灯不闪烁，检查后重新组装，诊断指示灯闪烁正常；通信检测依旧故障但编码器回路已恢复，如图6所示。

图6 网络组态图

考虑到下部机房距离上部机房较远，电缆捆扎在一起，产生通信干扰的可能性比较大，技术人员沿其他路径重新敷设了一根通信线缆，单独通信上部电气房分站：下部电气室→上部电气房分站，电脑显示通信失败。

3.4 点对点通信

（1）下部电气室→俯仰变频器进行单独通信，强制控制合使变频器带电，变频器上通信状态显示通信正常，但监控软件显示通信失败；于是在软件中加设速度控制量，变频器中无速度变量反馈；变频器断电重新上电，控制面板速度变量与软件设定值相匹配，然后调整速度变量值，但变频器中速度变量维持不变，断电重启后变频器才会有变化。

（2）下部电气室→司机室分站进行单独通信，两端终端电阻切换至ON状态时，监测软件显示通信失败；技术人员将其中一个终端电阻切换至OFF状态，显示通信成功。

通过上述现象分析，该通信模式已经违背PROFIBUS-DP通信规律，可判定下部电气房主站通信处理器出了问题。如图7所示，将通信处理器更换后通信恢复正常，测试整机动作正常。

图7 网络组态图

4 结语

通过此次事件充分认识到通信故障对整个设备控制的重要性，当遇到通信不畅时首先对上位机的硬件配置进行检查，检查其是否与现场设备一致，再检查DP接头是否存在松动以及损坏。如果通信时不时地丢失最常见的就是通信干扰，当出现这一类的情况往往需要从设备、接线、DP线长度、节点数等多环节进行逐一查找故障源；通信处理器有选择性地执行指令在故障处理过程中确实极为罕见。随着现场总线技术普及应用和推广，未来这种控制方式在技能培训中应作为重点，让更多的人掌握才能在问题处理过程中赢得时间上的胜利。