数控机床中Profibus．DP网络故障的分析与诊断
2016-11-24 来源：东莞职业技术学院电子工程系 作者：刘水平1，杨寿智2
摘要：以通快(TRUMPF)数控切管机、激光切割机、数控冲床出现的关于Profibus．DP报文为例，从非稳定性故障和稳定性故障2个角度详细分析了引起数控机床中Profibus．DP网络故障的原因，并给出相应的诊断方法和处理过程。
关键词：数控机床；Profibus．DP；非稳定性故障；稳定性故障；分析与诊断
Profibus—DP是用于自动化生产的一种开放式现场总线．使用Profibus．DP模块可取代价格昂贵的数字或模拟信号线，用于分布式控制系统的高速数据传输?。因此，它在先进的数控机床中得到了广泛的应用。全球领先的通快(TRUMPF)数控机床就使用了Profibus．DP，用于高速、及时、复杂的通信任务。根据常见的故障现象．Profibus．DP网络故障通常可以分为两大类：一类是非稳定故障．指发生故障的网络位置不固定或故障现象不持续的偶发故障或随机故障；另一类是稳定故障，其表现是发生故障的时间和网络位置相对稳定心]。文中以通快数控切管机(TruLaser Tube 5000)、激光切割(Trulaser3030Lean Edition)、数控冲床(Trupunch2020)3种机床出现的关于Profibus．DP报文为例，从非稳定性故障和稳定性故障2个角度详细阐述了如何快速地诊断和排除Profibus．DP网络的故障。
1 .干扰故障
1．1故障现象
数控切管机(TruLaser Tube 5000)切割管材过程中，在没有非法操作的前提下，机床不定期地出现几次急停故障，且报文中含有Profibus．DP通信中断等内容。
1．2故障分析与排查
由于此故障是不定期发生，属于Profibus．DP网络中的非稳定故障。对于此类故障。它的主要来源不是某个零部件的损坏．而是来自于外部或内部的干扰。外部干扰可分为电源干扰、设备干扰、空间干扰。内部干扰主要是分布电容、分布电感引起的耦合感应、电磁场辐射感应、长线传输的波反射、多点接地造成电位差引起的干扰[3]。抑制干扰源、切断干扰的传输途径、提高敏感设备的抗干扰能力是系统达到电磁兼容的主要手段，最常用的是滤波、接地、屏蔽3种技术。
电网的干扰、频率的波动将直接影响控制系统的可靠性与稳定性。由于南方电网电压稳定。市电到机床之间接了国产“谷登”牌交流稳压器和德国进口的隔离变压器。用示波器分析该数控切管机的电源质量，没有出现浪涌、尖峰等现象，波形质量完好。这就排除了电源对Pwfibus．DP网络的干扰。
接着检查接地系统。根据接地理论，低频电路(频率小于1 MHz)应单点接地，其目的是避免形成地回路，地回路产生的电流会引入到信号回路内形成干扰[3]。此机床工作接地采用的是“单点接地”：电柜、主机身、上下料机构采用埋人地下的相互并联的6根黄铜棒作接地极。其直径均为1．9 cm。长为3 m，用万用表测量其接地电阻小于4 n，符合该机床关于接地的装机准备要求。重新连接Profibus．DP电缆与电柜的屏蔽卡子，检查Profibus．DP电缆屏蔽层没有出现损坏。这表明接地和屏蔽符合设备的工作条件。上晚班时关闭车间内的其他设备，整个车间只开1台切管机。但还是会偶尔出现Profibus．DP急停报文，这意味着Profibus．DP网络的干扰并非是外部设备干扰引起的。
彻查了外部干扰源对机床的影响，排除了外部干扰后，接着从内部干扰着手。信号在长线中传输除了会受到外界干扰和引起信号延迟外。还可能会产生波反射现象。当信号在长线中传输时，由于传输线的分布电容和分布电感的影响，信号会在传输线内部产生正向前进的电压波和电流波[5]。由于此数控切管机占地长约17．5 m．宽约7．5 m，整个Profibus电缆的长度大约有35 m以上。Profibus．DP网络采用的是总线型拓扑结构，当信号在总线上传输时，随着距离的增加，信号会逐渐减弱。此切管机用符合RS．485标准的屏蔽双绞电缆进行通信。Profibus．DP的物理层(第1层)实现对称的数据传输，传输速率为12Mb／s。理论上规定最大电缆长度为100 m，但实际上远小于这个长度。数据传输率越高，总线通信就越不稳定哺]。放大器用于实时(加强)信号，以精确复制原始信号，它连接同一总线的两部分，解决通信信号在通信线上由于电气损耗而造成的衰减。当信号变弱而不变形时可以使用放大器c7】。为此，在总线中间加了1个西门子生产的信号放大器，如图1所示，有效地保证了信号传输质量，提高了系统运行的稳定性．再也没有出现此类因干扰导致Profibus．DP通信不稳定而引起的机床急停故障。
图1西门子信号放大器
由外部或内部干扰引起的非稳定性故障具有很大的隐蔽性，需要依次从外部或内部干扰源逐一排除，方能找到引起Profibus．DP通信不稳定的根源，然后对症下药。
2.主从站及通信电缆故障
2．1故障现象
激光切割机(Trulaser3030 Lean Edition机型)在切割过程中发生以下故障：
80101066：The Profibus slave station with the ad．dress 31 is faulty(地址为31的Profibus从站有误)。80101087：AS．i Linker：Configuration elTor in Asi—Circuit M3 Slave 11A(AS．i连接器：在Asi．M3回路里从站地址为11A的配置有误)。80101046：Prnfibus master system 2 has a malfunc—tion(Profibus主回路2有一个故障)。07 190040：The laser warning lamp on the machine isdefective!(机床上的激光报警灯坏了)。
2．2故障分析与排查
Profibus．DP允许在PLC控制器和分散的自动化组件以及分散的外围设备(如AS．i Bus)之间进行快速的数据交换。Trulaser3030 Lean Edition的PrnfibusDP配置采用的是典型的单主站结构，如图2所示：以840D Solution Line为主站，有2个Profibus．DP回路(DPI，DP2)，其中DPI回路有Control Line(切割头高度控制系统)、TASC4(激光控制系统)，DP2回路有3个Safety Gateway(带安全监管的网关)、FoucsLine(自动调节镜片焦点系统)与Control Panel(控制面板)。Safety Gateway是带Safety Monitor功能的Gateway。Gateway作为Profibus．DP从站的同时。又是AS．i回路的主站，通过Gateway上的显示器，可实现Profibus—DP的地址修改、从站状态诊断等功能。每个Profibus．DP从站都有自己的地址。要么由软件定义，要么由硬件拨码开关决定。DP主站与DP从站间的通信基于主一从原理：主站知道所有从站的地址。主站在特定的时间间隔内向从站地址发送数据．并以数据的形式等待响应。也就是说，只有当主站请求时总线上的DP从站才可能活动。DP从站被DP主站按轮询表依次访问。DP主站与DP从站间的用户数据连续地交换。而并不考虑用户数据的内容[8]。
AS．i Bus是基于Profibus下一层的总线系统，它将基层的输入输出逻辑关系以通信方式传输至AS．i主站，再通过Prdibus传输至PLC进行逻辑处理；由主站(Master)发出“请求” (Request)，从(Slave)做出“响应”(Response)。由图2可以知道：在DP2回路里．地址为3l的Prnfibus从站正是其中的一个Safety Gateway，它也是AS．i Bus的主站，而在AS．i的M3回路里从站地址为11A的正是激光报警灯。由这4条报文可以推测AS．i回路从站地址为11A的激光报警灯与Profibus回路从站地址为3l的SafetyGateway通信不畅通：激光报警灯没有对Safety Gate．way的“请求”做出“响应”。
首先处理Safety Gateway的报文。根据服务手册【9】，如图3所示，操作如下：(1)直接按Gateway的OK键，选择Quick Setup。(2)进入Quick Setup后，再次直接按OK，又进入另一个子目录。(3)选择store+run。(4)断电重启机床。经过这样处理后，前3条报文已经消除，但仍然还有“07190040：Thelaser warning lamp on the machine is defective!”出现。接着解决从站激光报警灯的报文：更换激光报警灯．报文仍然存在，这说明线路有问题。检查AS．i电缆，发现电柜到激光报警灯中有个接口松动了，接触不良。重新插好接头，该报文消除。
图2激光切割机(Trulaser3030 Lean Edition)Profibus．DP拓扑结构图‘9
图3 Safety Gateway(安全监管网关)
该类报文属于稳定性故障，首先要观察每个站点的LED状态(如PLC、TASC、Gateway、Asi．busSlave等)正常与否；其次，根据机床Profibus—DP拓扑结构及各站点的逻辑关系图，再结合报文锁定故障点；最后，根据电路图及服务手册排除是主站故障还是从站故障或者Profibus、As．i电缆给老鼠咬断还是接口松动．抑或Profibus．DP地址设置有误。
3. Profibus．DP终端电阻引起的故障
3．1 故障现象
通快数控冲床(Trupunch2020)移机后出现PLC(85 102902)的报文：Binary data exchange on Profibuswith H&L interrupted。它的意思是Profibus与H＆L(冲杆控制系统)的二进制数据交换被中断。
3．2故障分析与排查
为确保Profibus．DP网络主从站间通信稳定：首先，要保证通信电缆的屏蔽和接地符合要求；其次，Profibus．DP总线连接各“站点”时要求各终端电阻器的A线和B线的进出方向正确。且2根线不交叉但又连接可靠；最为重要的是，各接点插座上的“拔档开关”始终严格遵循首末端为“ON”、中间为“OFF”的原则。该数控冲床的Profibus．DP拓扑结构如图4所示【l0‘。经检查，Bosch NCK(博世NCK)、Control Panel(控制面板)、Gateway(网关)、BoschI／O(博世输入输出模块)、H&L(冲杆控制系统)的总线终端电阻器端口位置正确：Control Panel、Bosch NCK终端电阻上的“拔档开关”为“ON”。其他为“OFF”。于是进一步检查Profibus．DP总线各“站点”的终端电阻阻值：拔下连接各主从站的总线终端电阻器．分别测量各主从站终端电阻器中针脚3和8的阻值，如表1所示。其中H&L终端电阻的实际测量值等于110 Q，根据图5，其标准电阻值应该为220 Q，实测值与标准值不吻合，故H&L与Con—trol Panel的通信中断，产生报警。打开H＆L终端电阻器，重新连接A线和B线，报文仍然存在。于是更换该总线终端电阻器。再测量总线各主、从站的终端电阻值，其值如表1中的标准值，复位，报文消除。
表1
不言而喻，此类故障属于稳定性故障。迄今为止，经验表明：电缆和终端电阻器的不正确安装是引起Profibus．DP错误的主要原因，终端电阻器的损坏属于Profibus．DP的一类常见故障。
4.结论
以3类机床产生的3个故障为例。从非稳定性故障和稳定性故障2个角度阐述了Profibus．DP故障的原因和解决方法。对于非稳定性故障的处理是个难点，要从抗干扰的角度来排除故障。逐一排除外部干扰，诸如滤波、接地、屏蔽是否符合标准，如不符合，需要提高外部电源质量，加强机床接地，保证接地电阻小于4 Q，以及采取更有力的屏蔽措施，使机床Profibus．DP通信更稳定。其次从内部干扰着手，通信信号是否有衰减。如有衰减，可以增加“信号放大器”之类的硬件，保证整个Profibus．DP拓扑网络通信畅通，数据传输准确无误。对于稳定性故障，需要根据报文准确定位是主站还是从站。抑或终端电阻还是Profibus．DP、As．i电缆出现了故障。根据每个站点的LED状态，结合电路图和服务手册排除主从站的故障．以及用万用表测量终端电阻阻值是一种排除终端电阻故障行之有效的方法。更换损坏的元器件及加载相应的软件(如Gateway更换需要加载软件)后，这类稳定性故障可以迎刃而解。
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