西門子CP1542-5通信故障案例解析

◎ 劉少山

（中儲糧（盤錦）物流有限公司，遼寧 盤錦 124000）

Profibus-DP是工業自動化中最常用的網絡之一。PROFIBUS是一個用在自動化技術的現場總線標準，在1987年由德國西門子公司等14家公司及5個研究機構所推動，PROFIBUS是Process Field Bus的簡稱，Profibus代表“過程現場總線”，DP代表“分布式設備”。

中儲糧（盤錦）物流有限公司裝船機整機采用PROFIBUS-DP工業通信，PLC控制系統采用西門子1500系列模塊裝配工藝，如圖1所示，包含1個主站、2臺分布式I/O、2臺儀表和1臺觸摸屏、3臺變頻器、4個編碼器。通信處理器為西門子S7-1500 CP 1542-5 6GK7 542-5FX00-0XE，西門子中繼器RS485 6ES7 972-0AA02-0XA0，PLC與IO模塊進行通信使用接口模塊ET200SP IM155-6DP HF 6ES7155-6BU00-0CN0，Profibus-DP電纜進行傳輸，以前PLC的I/O模塊是集中安排，但現在是通過在主控制器和其I/O模塊之間引入DP總線對I/O進行離散化，將它們移動到現場區域機箱中，因此使用Profibus-DP不是連接每個傳感器執行器或其他設施，可以在現場區域的這些設施旁邊安裝一組“遠程I/O”，然后使用單個RS-485電纜將數據傳輸到PLC，這可以大大降低布線成本，最重要的是這里的數據傳輸方法是“數字化”，工業環境的干擾對數據影響較少。

圖1 網絡拓撲圖

1 故障現象

裝船機在一次作業的過程中遭遇到雷擊，出現通信故障整機不能動作，控制合無法合閘，從外觀上看不出設備有任何故障，這給技術人員排查故障造成極大的困擾，現將整個故障排查過程做案例分析，以便日后遇到類似問題能夠迅速排查到故障點。

2 通信原理

2.1 DP協議結構

DP定義了物理層、數據連路程和用戶接口，3～7層未加描述，這種結構是為了確保數據快速有效進行。

DP中的物理層和數據鏈路層與FMS中的定義完全相同，二者采用了相同的傳輸技術（光纖或者RS485傳輸），并統一總線控制協議報文格式。直接數據鏈路反映為用戶接口與數據鏈路層之間的信息交換提供了方便。用戶接口規定了用戶及系統以及不同設備可調用的應用功能，并詳細說明了各種不同的DP行規。

2.2 傳輸技術

全部設備均與總線連接，每個分段上最多可接32個站，如圖2所示，每段的頭和尾各有一個總線終端電阻，為確保操作運行不發生誤差，兩個總線終端電阻必須一直有電源，當分段站超過32個時，必須使用中繼器，用以連接各總斷線，串聯的中繼器一般不超過4個，電纜的最大長度取決于傳輸速度，一旦設備投入運行，全部設備均需選用同一傳輸速度。

圖2 總線連接示意圖

為在高電磁輻射環境下獲得良好的抗干擾性能，可以使用帶屏蔽的數據傳輸電纜，屏蔽電纜兩端的屏蔽編織箔必須與地線連接，并通過盡可能大面積的屏蔽接線來覆蓋，此外在鋪設過程中建議把數據線和動力線隔離。

在一個Profibus系統中最大連接126個站，總線系統分為若干段，每個分段最多可連接32個站，每段的頭尾都需要一個永久有源的總線連接器，標準的總線連接器用一個開關來控制終端電阻，兩個總線的終端必須一直有電源。如果總線上超過32個站點，各總線分段之間用中繼器連接。中繼器是連接網絡線路的一種裝置，常用于兩個網絡節點之間物理信號的雙向轉發工作。中繼器主要完成物理層的功能，負責在兩個節點的物理層上按位傳遞信息，完成信號的復制、調整和放大功能，以此來延長網絡的長度。由于存在損耗，在線路上傳輸的信號功率會逐漸衰減，衰減到一定程度時將造成信號失真，因此會導致接收錯誤。中繼器就是為解決這一問題而設計的，它完成物理線路的連接，對衰減的信號進行放大，保持與原數據相同。

2.3 數據協議

Profibus總線存取協議包括主站之間的令牌傳遞方式和主站與從站之間的主從傳遞方式，每個八位二進制數（1字節）按11位的順序被傳輸，最小的有效位（LSB）被第一個發送，最大的有效位（MSB）被最后發送，每個八位二進制數都補充3位，即開始、終止和奇偶校驗位，此編碼原理稱非歸零碼NRZ。

令牌傳遞程序保證了每個主站在一個確定的時間內得到令牌，如圖3所示，令牌只在主站之間通信時使用。主從方式允許主站在得到這些存取令牌時可與從站通信，每個主站均可向從站發送或索取信息。當某主站得到令牌后，該主站可在一定的時間內執行主站的工作，在這段時間內它可依照主從關系表與所有從站通信，也可依照主主關系表與其他主站通信。

圖3 令牌邏輯通信圖

一類主站主要完成通信控制與管理，例如PLC、PC或者可做控制器等，當一類主站取得令牌時，在規定的信息周期內可依據通信關系表進行主-從或主-主通信，可周期性的通過循環和非循環與分散的從站交換信息。

二類主站主要指操作員工作站，是可進行編程、組態、診斷的設備。如編程器、操作面板等，主要用于系統組態、調試和監控目的，他們可以通過非循環與一類主站和從站交換數據。

DP從站是指DP協議的智能現場儀表和智能型I/O設備，它們沒有總線控制權，僅對接收到的信息給與確認或者當主站發送請求時向主站發送信息。

DP從站是更接近于底層的現場設備，它們負責執行主站的輸出命令，并向主站提供從現場傳感器采集到的輸入信號或其他輸入信號，常見的DP從站包括分散型的I/O、驅動器、傳感器、執行機構等現場設備。

2.4 測量方式

把DP線兩端的DP頭的終端電阻都撥到ON上，在其中一段用萬用表量DP頭3號引腳和8號引腳之間的電阻，正常測量值是110 Ω左右。如圖4所示，把測量段的終端電阻撥到OFF上，遠程的不動，這時的正常測量值是220 Ω左右。把遠端的終端電阻撥到OFF上，測量端的終端電阻撥到ON上，這時正常的測量值也應是220 Ω左右。把兩端的終端電阻都撥到OFF上，這時應該是開路，量不出電阻。假如總線上不止一個DP接頭，可以只測兩端，中間DP頭的終端電阻，始終處在OFF上就可以，不通的話可以分段測量，但是最好把DP頭的出線拆掉來測量，排除干擾因素。

圖4 安裝示意圖

3 故障排查

3.1 硬件回路

組織人員對柜內空開、斷路器、接觸器、避雷器、浪涌保護器以及變頻器等電器元件進行檢查，過程中未發現有開關跳閘、限位失靈、短路等情況；動力電源總斷路器可以合閘，控制接觸器無法進行合閘，排查過后判定動力線路和控制回路未受損傷。

3.2 在線監控

將調試軟件和PLC進行在線連接監測設備狀態，這里調試軟件采用西門子博圖V13_SP1_UPD9，在使用該軟件時應注意軟件版本，升級軟件可將舊版本程序打開，打開程序后源程序自動升級；舊版版本軟件則無法再將新版程序打開。

設備連接前首先設置好IP地址，IP地址前3個八位位組和調試電腦一致，第3個位組要與電腦IP區別開；子網掩碼要與電腦一致。

啟動程序點擊在線監測，發現程序中設備間通信中斷，如圖5所示，打開設備網絡組態，查看硬件回路通信，僅有高、低壓柜兩儀表可以實現正常通信，其他通信都處于斷開狀態，分析判定通信故障。

圖5 網絡組態圖

需要說明一下，變頻器在監控控制界面顯示通信不在線，原因是因通信故障不能控制合閘，致使變頻器無法帶電，沒有電源則無法實現通信。電源柜儀表、高壓儀表、上部電氣室、司機室以及編碼器則采用的是獨立電源，未顯示在線的設備則需要深入檢查。

3.3 通信固件檢查

若大面通信中斷導致其他通道通信關閉，則中心樞紐RS485中繼器模塊損壞的可能性最大，檢查中繼器工況，分別對通道、阻值進行校驗，測量值均在正常范圍內，判定中繼器模塊未受損。

既然中樞模塊未損壞，那么就是其他通道損壞造成通信干擾中斷。于是技術人員按以下通道分別進行測試：①下部電氣室→中繼器→上部電氣室分站→俯仰變頻器→旋轉變頻器→司機室分站→觸摸屏。②下部電氣室→中繼器→大車編碼器→俯仰編碼器→旋轉編碼器→溜管編碼器。③下部電氣室→中繼器→低壓儀表→大車變頻器→高壓儀表。

狀態顯示只有①通道無法進行通信；②③通道通信回路正常，并且①通道的接通會造成②通道的阻斷；判定①通道故障。對①通道進行故障排查，萬用表切換至歐姆檔，測量該通道電阻值，數值顯示82 Ω，正常情況下兩端終點電阻在ON狀態為220 Ω，并聯后為110 Ω，顯示異常則需要對兩端的終端電阻單獨測試，觸摸屏終端電阻為164 Ω，更換新的插頭后電阻正常。模塊重新上電，但通信狀態仍然顯示中斷。

電纜連接沒有問題，分站的模塊通信損壞也有可能造成通信的中斷。技術人員開始排查分站后面的輸入量、輸出量、模擬量模塊，發現上部電氣房模塊中有一半的Diag診斷指示燈不閃爍，檢查后重新組裝，診斷指示燈閃爍正常；通信檢測依舊故障但編碼器回路已恢復，如圖6所示。

圖6 網絡組態圖

考慮到下部機房距離上部機房較遠，電纜捆扎在一起，產生通信干擾的可能性比較大，技術人員沿其他路徑重新敷設了一根通信線纜，單獨通信上部電氣房分站：下部電氣室→上部電氣房分站，電腦顯示通信失敗。

3.4 點對點通信

（1）下部電氣室→俯仰變頻器進行單獨通信，強制控制合使變頻器帶電，變頻器上通信狀態顯示通信正常，但監控軟件顯示通信失敗；于是在軟件中加設速度控制量，變頻器中無速度變量反饋；變頻器斷電重新上電，控制面板速度變量與軟件設定值相匹配，然后調整速度變量值，但變頻器中速度變量維持不變，斷電重啟后變頻器才會有變化。

（2）下部電氣室→司機室分站進行單獨通信，兩端終端電阻切換至ON狀態時，監測軟件顯示通信失敗；技術人員將其中一個終端電阻切換至OFF狀態，顯示通信成功。

通過上述現象分析，該通信模式已經違背PROFIBUS-DP通信規律，可判定下部電氣房主站通信處理器出了問題。如圖7所示，將通信處理器更換后通信恢復正常，測試整機動作正常。

圖7 網絡組態圖

4 結語

通過此次事件充分認識到通信故障對整個設備控制的重要性，當遇到通信不暢時首先對上位機的硬件配置進行檢查，檢查其是否與現場設備一致，再檢查DP接頭是否存在松動以及損壞。如果通信時不時地丟失最常見的就是通信干擾，當出現這一類的情況往往需要從設備、接線、DP線長度、節點數等多環節進行逐一查找故障源；通信處理器有選擇性地執行指令在故障處理過程中確實極為罕見。隨著現場總線技術普及應用和推廣，未來這種控制方式在技能培訓中應作為重點，讓更多的人掌握才能在問題處理過程中贏得時間上的勝利。