Profibus-DP總線技術在某特種玻璃生產線中的應用

朱恒成,王 程,童 敏

(輕工業自動化研究所,杭州 310015)

朱恒成,王 程,童 敏

(輕工業自動化研究所,杭州 310015)

該文介紹了Profibus-DP通訊的特性,闡述了Profibus-DP現場總線在某特種玻璃生產線的應用以及Profibus-DP通訊在現場容易出現的故障分析及診斷處理的方法。

Profibus-DP; 玻璃生產線; 通訊; 診斷信息

某特種玻璃因其良好的節能性,透光性,已經成為節能玻璃的主流。如何提高該玻璃生產線的產量和鍍膜質量成為各生產廠家的關注核心,同時也對該特種玻璃生產線控制系統提出更高的要求。其中基于現場總線技術的FCS,相對于DCS具有更好的信息處理效率、更高的控制精度、更可靠的安全性,已被越來越多的廠家所采用。因此,該文針對某特種玻璃生產線控制系統結合現場調試,探討分析了Profibus-DP現場總線技術,分析了其在某特種玻璃生產線中的實現方法以及故障診斷和處理方法。

1 Profibus-DP現場總線協議及通信原理

現場總線技術的開發建立起不依賴任何廠商的開放式控制系統,并建立統一的工廠底層信息網絡,實現了不同廠商的不同設備在遵守同一總線標準的情況下即插即用。目前國際上現場總線技術標準種類繁多, Profibus就是其中最具影響的標準之一。Profibus認證嚴格,標準開放,有眾多廠商支持,在2006年成為我國現場總線標準。Profibus根據不同的應用特點分為Profibus-PA、Profibus-DP和Profibus-FMS。其中Profibus-DP具有高速傳送、價格低廉的特點,主要用于分散設備間的數據傳送,能夠有效滿足某特種玻璃生產線中設備分布散,控制速度和精度較高的要求。

Profibus-DP只使用了ISO/OSI模型其中的第一層、第二層,結構精簡,其物理層采用RS 485連接方式,通信介質采用屏蔽雙絞線或光纜,通信距離從100～1 200 m,傳送速率可由9.6 kbps至12 Mbps。系統中最多站點數為127個,當一條網絡中的站點個數多于32個時,需要使用中繼器相連接,使用中繼器可以實現樹型和星型總線結構。Profibus使用混合的總線存取控制機制來實現通信,Profibus通信可分為主主通信和主從通信。主站間的通信采用邏輯令牌傳遞方式,擁有令牌的主站在確定的時間窗口內擁有總線控制權,決定系統的通信。主從通信主站采用主從原理以輪循方式與從站通信,同時采用循環或非循環報文實現主主通信。

2 控制網絡實現方法

2.1 控制系統

該生產線控制系統主要分為五個部分。根據每個部分的現場過程控制設備和需要監控的I/O點數,結合設備工藝分析,對工藝要求的控制點和控制要素進行分析。在生產線控制系統中采用兩個西門子S7CPU作為主站,從站包括西門子遠程從站ET200M、ET200S、智能從站S7PLC,西門子傳動設備、智能電源等多主從DP網絡拓撲系統。控制系統網絡示意圖如圖1所示。

2.2 硬件組態

該特種玻璃生產線控制系統共有6條DP網絡系統,由于包含眾多不同廠商的軟硬件,在硬件組態時利用GSD文件完成開放式組態,設備數據庫文件(GSD)描述了Profibus設備的功能、特性及總線參數。使用基于GSD的組態工具可將不同廠商生產的設備集成到一個總線系統中,不同的廠商為其DP設備提供有相應的DP網絡配置及GSD組態工具。

在硬件組態時所有從站的DP地址不能重復,并且必須與硬件上撥碼開關上的地址值保持一致。部分硬件沒有撥碼開關完全依靠組態軟件設定地址。每條Profibus-DP網絡的通訊速率的設定根據實際通訊的距離和設備的控制要求設定不同值。一般情況下通訊距離在200 m以內可以設定1.5 Mbps的通訊速率;通訊距離在400 m以內,速率選擇在500 kbps;通訊距離在1 000 m以內,速率選擇在9.6-187.5 kbps;否則容易出現掉站、不通等不穩定現象。

DP網絡物理層通過RS485接頭連接,每條網絡需要2個終端電阻。終端電阻是為了消除在通信電纜中的信號反射。在通信過程中,有兩種原因導致信號反射:阻抗不連續和阻抗不匹配。終端電阻接在傳輸總線的兩端,其阻值要求匹配傳輸電纜的阻抗特性,短距離傳輸時,一般100 m以下不需要接終端電阻。

該生產線中,因部分網絡站點個數超過32,須使用DP Coupler。在使用DP Coupler時兩個Profibus網絡的數據通信區必須要完全相同(包括長度和數據類型),否則模塊將會報通訊故障;如果DP/DP Coupler交互的數據大于4 bytes,應該使用“Consistent”,并且調用SFC14、SFC15模塊。對于DP/DP Coupler連接的兩個網段,通訊速率可以不同,因此DP/DP Coupler非常適用于不同通訊速率的兩個Profibus-DP主站系統之間的數據通訊。

3 故障分析探討

3.1 故障描述處理

在設備的調試及運行過程中,由于種種原因會出現DP網絡斷線、短路、丟站、通信中斷等各種的問題。工程師需要選擇合適的方法,快速地對DP系統進行診斷、分析,準確地定位故障點,找出產生故障的原因,恢復系統運行。

導致硬件故障的主要原因包括:RS485接頭接觸不良,屏蔽層接觸不穩定;軟件中DP站地址與硬件撥碼開關不一致;終端電阻開關ON/OFF位置錯誤;附近干擾源干擾導致;通訊速率與通訊距離不能匹配等。一般的通訊故障都可以通過西門子STEP7硬件組態在線就能直觀顯示故障發生點。

總線網絡通過RS485接頭物理連接如圖2所示。使用RS485接頭時,當開關撥至“ON”時,A1和B1兩端和終端電阻相連,在DP網絡的終端只能接A1和B1,否則不能連接終端電阻。當開關撥至“OFF”時,終端電阻和數據線斷開,A1和A2,B1和B2相連,將DP網絡上的設備串接。在DP網絡中只使用了RS485接頭的3和8兩個引腳,因此檢測網絡接線是否可靠的最好方法就是測量3和8兩個引腳之間的電阻。如果網絡接線良好,當開關撥至“ON”時,3和8兩個引腳之間的電阻為220Ω;當開關撥至“OFF”時,電阻為無窮大。

在調試過程中經常出現掉站,站點不可用等現象。在該特種玻璃生產線中所有陰極都有單獨的S7-300控制系統,陰極系統作為智能從站通過DP COURPLER連接到Profibus-DP網絡與主站通信。整條網絡上的從站都是并聯分支結構,每個陰極控制系統都為一個分支,終端接有西門子終端電阻,整條網絡通訊長度超過200 m,接線情況比較復雜。由于這種連接方式會導致阻抗增加,導致與總線電纜阻抗不匹配,在調試時使用Step7軟件上硬件組態在線時就有個別從站顯示“站點不可用”,或者有丟站的情況。使用萬用表測量主站端RS485連接器的3和8兩個引腳電阻值略大于理論值的220Ω,所以在以1.5 M/s的速率通信時,有丟站的不穩定現象。為保證系統通訊穩定,應將速率改為500 kbps。

在抽真空調試過程中,其中一條總線上的部分泵組子站偶爾出現掉站,通過測量DP網絡的電阻,回路檢測正常,但是會有一定波動。分析其原因主要是信號源干擾,處理干擾首先檢查接地。由于這條總線中DP站點比較多,而不同的接地間存在電位差,容易引起地環路電流,影響網絡系統的正常工作。通訊系統要求一端接地,或將各個站點做成一個系統接地,為了保證通訊質量,要求通訊電纜上所有站點處于同一電壓等級上。用等勢線連接起來的方法可以解決此問題。可以用線纜將站點的地線連接,保證所有Profubus-DP站點屏蔽層可靠接地。

3.2 故障診斷分析

現場調試過程中對于難以通過指示燈或組態在線查找的通訊故障,可以通過STEP7軟件在線查看PLC的診斷緩沖區。例如從站未連接則會提示分布式IO同步:incoming event,當總線干擾嚴重,時斷時序,則反復出現該類報警。但此方式無法編程處理,或上報給其他通訊伙伴,僅可用于顯示。

使用OB86可以診斷分布式從站的連接故障。一般在OB86_EV_CLASS中可以查到:故障代碼B#16 #39表示連接中斷,故障代碼B#16#38表示連接恢復正常。OB86_MDL_ADDR中包含了DP從站的邏輯地址,OB86_Z23包含了DP從站號、診斷地址等,通過這兩個變量可以確定故障發生點。

FB125是一個中斷驅動功能塊,使用FB125功能塊可以用程序來判斷系統中通訊的錯誤,可以診斷總線上站點的各種故障信息,可以檢測到從站的組態掉站等故障,并且有詳細的報錯信息。使用FB125來診斷故障時,必須在OB1、OB82或OB86中調用FB125才能實現這個功能。

在編程時需加入診斷中斷組織塊(OB82)和機架故障組織塊(OB86)模塊。S7400CPU在加入通信錯誤組織塊(OB87)后,CPU遇到通信錯誤時就不會進入STOP模式。這樣就能降低通訊故障危險等級,保證生產線正常運轉過程中避免因通訊故障造成停機。

4 結 語

Profibus-DP這種通訊方式將現場采集到的檢測和控制信息就地處理并及時反饋,以其自身的高效、可靠、使用方便、智能化等特點,保證了生產線控制系統穩定高效地運行。Profibus-DP統一開放的國際標準,保證了多廠商不同軟硬件可以兼容使用。將Profibus-DP總線技術的理論基礎和現場實際應用相結合,能更好地分析解決應用中出現的故障,以保障系統通訊的穩定性,發揮Profibus網絡更多的優勢。

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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-),助理工程師.E-mail:zhc2073@163.com