Profibus网络故障诊断技术总结 |
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在工业控制中，Profibus-DP网络为使用最广泛的现场总线网络，其网络技术在各种文献中已经有较多阐述[1][2][3]，这儿就不再累述。由于采用了串行通讯模式，Profibus-DP网络出现故障后，尤其是非稳定故障后，其故障点和故障的表现常常不在同一位置，很难用传统的万用表等手段来诊断和排除。本文结合作者多年的网络诊断经验，将比较全面地介绍Profibus-DP网络故障的现象、常见原因、测试方法等内容。由于稳定故障较易排除，因此，本文的重点是介绍非稳定故障的诊断和排除技术。 1 故障现象Profibus-DP网络出现故障后，有两大类可能的现象。一类是故障部位在时间上、网络位置上相对稳定，此类故障为稳定故障。另外一类故障部位不固定，或者故障现象不能持续，此类故障为非稳定故障（或者偶发故障、随机故障）。 对于稳定故障，各站点的报警指示灯基本上能给出比较明确的指示，且不随时间变化。从网络硬件配置的在线状态上，能得到更加全局的故障点指示。 对于非稳定故障，常见的现象有以下几种（不一定会同时出现）： 报错站点不固定。或者某站点一段时期比较稳定，但是已经排除该站点的故障可能。站点偶尔报错。用网络诊断软件观察网络状态，可能出现一些异常情况，也可能网络状态非常稳定。采取常规的排障措施后，状态无明显变化。出现其他奇怪现象。 2 常见故障原因Profibus-DP为高速、弱信号的通讯，且常用于复杂电磁环境的下，因此，网络对于通讯部件、通讯介质、电磁防护等都有比较高的要求，这些方面如果出现问题，则很容易引起网络故障。下面将对可能造成网络故障的原因分别进行简要阐述。 2.1 环境类原因首先，是网络线经过的柜体不等电势。在通讯介质为双绞线时，其屏蔽层应该与经过的每个柜体可靠接触，如果柜体间不等电势，则双绞线的屏蔽层上就会有电流经过，对于通讯信号造成一定的干扰。 其次，周围电磁干扰过于强烈，超出了通讯网络的抗干扰能力。或者，在通讯线敷设时，没有能够与其他等级的电缆保持充分的距离或者隔离，造成了耦合干扰。 2.2 通讯介质类原因对于双绞线，常见的可能原因： 通讯线芯（A、B线）对地、断路、短路。或者，通讯线芯剥开过长（对于那些不用DP插头连接的情况），未处于屏蔽保护范围内，引入干扰。屏蔽层不连续，包括电缆中间的屏蔽断开，或者屏蔽层在两端未可靠接地。电缆塑料部分破损、老化，包括电缆外皮，或者线芯的外皮。电缆的高频性能下降，这种情况非常难以发现，需要用专门仪器测量。电缆过短或者过长：当网速大于或等于1.5M时，最短电缆1米，否则，会引起叠加干扰。对于不同的网速，单网段的最大长度也有不同限制，具体可参考相关资料。对于光纤，可能的原因是光衰减量增大或者断线。 2.3 接插件类原因对于双绞线，一般通过专用的DP插头进行连接，可能造成网络故障的原因： DP插头未可靠固定，导致插针与通讯接口的接触不可靠。DP插头高频性能恶化。DP插头的终端电阻状态不稳定。快速DP插头与电缆不匹配，例如，快速插头用于多芯软电缆或者线径过小电缆的连接，或者快速插头多次使用，导致了线芯与插头的电接触不可靠。 2.4 通讯接口类原因通讯接口造成网络故障的原因也比较多： 电源不稳定，会导致信号电平不稳定，或者终端电阻状态不稳定。站点驱动能力不足。通讯器件的性能不稳定。小结：可能导致网络故障的原因很多，且存在两种状态，即稳定状态和非稳定状态，由此，就产生了上述的稳定故障和非稳定故障。 3 网络测试方法当一个网络故障出现时，需要通过多种方法去测试网络，判断故障点，常见的方法有4大类（主要针对双绞线网络）： 3.1 物理测量 各站点电源电压测量，查看电压是否在要求的范围内，例如，有些模块要求电压范围为20.4 VDC 到28.8 VDC。如果条件许可，最好能测量电源电压是否存在干扰或者电压的波动。总线电阻测量，由于在网段的两端的AB之间各并联了一个220Ω的电阻，因此，AB之间电阻应该为110Ω左右。注意，如果是不拆线测量，需要关闭所有站点的电源，否则，AB之间的电压会导致无法测量。电缆高频性能的测量，需要利用例如BT200这样的工具，在拆开电缆的情况下测量。 3.2 逻辑判断 怀疑部分的替代，例如：将怀疑的部分网络电缆、DP插头、通讯接口等用备件，或者已经证明没有问题的网络线、DP插头、通讯接口进行替代，以便进行验证。怀疑站点跳过法，最简单的办法是拔掉该站点的插头，查看其他站点的故障状态是否变化，就可以判断出该通讯接口是否正常。另外，也可以用网络线直接连接该站点的上下站点，查看其他站点的故障状态是否变化，借此，判断出跳过的网络线、DP插头、站点是否正常。 3.3 分段测试 二分法是最经典的分段测试方法，具体操作方法参见参考文献[4]。需要提醒几点，一、对于节点比较多的网络故障，不要陷入第一个故障节点，要尽早尝试二分法；二、一定要搞清楚网络的拓扑结构，确保DP插头的进线更靠近主站；三、某些类型的插头在终端电阻拨到ON时，并不切掉出线。为了确保验证的可靠，最好是将出线连同屏蔽一起拆除。分区隔离法，可以用网络中继器、光电模块、总线集线器等器件将网络进行分段隔离，以便缩小故障范围。 3.4 网络诊断仪目前，市面上已经出现了比较多的网络诊断仪，其基本功能有两个：电文分析和示波器功能。在此基础上，衍生出来电文记录、柱状图显示、波形记录、拓扑图分析、主站替代等功能，使得网络状态更直观[5]。但是，如果想利用这些功能来成功地进行网络诊断，则需要比较深厚的网络知识和长期的经验积累，对于一般技术人员来说，是个不小的挑战。 4 总结对于稳定故障，可以利用各通讯接口的LED指示灯和二分法，很方便地判断出故障点。但是，对于非稳定故障，首先要检查电缆长度、短节线总长度、接线、电缆敷设、屏蔽等是否规范。在无法排除故障的情况下，再根据场合的不同，选用第3节中所讲的多种网络方法。在排除非稳定故障时，要拓扑图清楚，判断思路明确，并要小心测试，避免引入新的故障点。
参考文献 1 SIEMENS，SIMATIC NET PROFIBUS Networks，2000 2 SIEMENS，Communication with SIMATIC，2006 3 孙勇，现场总线通信技术研究，武汉理工大学硕士学位论文，2005 4 舒健，夏燕，基于二分法的Profibus故障快速诊断，自动化应用，2011，5：13-15 5 PROCENTEC，User Manual ProfiTrace 2，2011
往期论文 2021年4月20日 |
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