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數控機床中Profibus．DP網絡故障的分析與診斷

2016-11-24 來源：東莞職業（yè）技術學院電子工程（chéng）係（xì）作者：劉水平（píng）1，楊壽智2

摘要：以（yǐ）通快(TRUMPF)數控切管機（jī）、激光切割機、數控衝床出現的關（guān）於Profibus．DP報文為例，從非穩定性故（gù）障和穩（wěn）定性故障2個角度詳細分析了引（yǐn）起數控機床中Profibus．DP網絡故障的原因，並給出相應的診斷方法和處（chù）理過程。

關（guān）鍵詞：數控機床；Profibus．DP；非穩定性故障；穩定性（xìng）故障；分析與診斷

Profibus—DP是用於自（zì）動（dòng）化生產的一種開放式現場總線．使用（yòng）Profibus．DP模塊可取代價格昂貴的數字或模（mó）擬（nǐ）信號線，用於分（fèn）布式控（kòng）製係統的高速數據傳輸?。因此，它在先進的數控機床中（zhōng）得到了廣泛的應用。全球領先的通快(TRUMPF)數控機床就使用了Profibus．DP，用於高速、及時（shí）、複雜的通信任務。根據常見的故障現象．Profibus．DP網絡故障（zhàng）通（tōng）常可以分為兩大（dà）類：一類是非穩（wěn）定故障．指發生（shēng）故障的網絡位置不固定或故障現象不持（chí）續的偶發故（gù）障或隨機故障；另一類是穩定故（gù）障（zhàng），其表現（xiàn）是發（fā）生故障的時間和網絡位（wèi）置相對穩定心]。文中以通快數控切管機(TruLaser Tube 5000)、激光切割(Trulaser3030Lean Edition)、數控衝床(Trupunch2020)3種機床出現的關於Profibus．DP報文為例（lì），從非（fēi）穩定性故障和穩定性故障2個角度詳（xiáng）細（xì）闡述（shù）了（le）如何快速地診斷和排除Profibus．DP網絡（luò）的故障（zhàng）。

1 .幹擾故障

1．1故障現象

數（shù）控切管機(TruLaser Tube 5000)切割管材過程中，在沒有非法操作（zuò）的前提下，機床不定期地出現幾次急停故障，且報文中含有Profibus．DP通信中斷（duàn）等內容。

1．2故障分析與排查（chá）

由（yóu）於此故障是不（bú）定期發生，屬於Profibus．DP網絡中的非穩定故（gù）障。對於此類故障（zhàng）。它的主要來源不是某（mǒu）個（gè）零部件的損壞．而是來自於外部或內部的幹擾。外部幹擾可分為電源幹擾、設備（bèi）幹擾、空間（jiān）幹（gàn）擾。內部幹擾主要是分布電容、分布（bù）電感引起的耦合感應、電磁場輻射感應、長線（xiàn）傳輸的波反射、多點接地造成電位差引起的幹擾[3]。抑製（zhì）幹擾源、切斷幹擾的傳輸途徑（jìng）、提高敏感設備的抗幹擾能力是係統達到電磁兼容的主要手段，最常用的是（shì）濾波、接地、屏蔽（bì）3種技術。

電網的幹擾、頻率的波動將直接（jiē）影響控製（zhì）係統的可靠性與穩定性（xìng）。由（yóu）於南方電網電壓穩定。市（shì）電（diàn）到機床之間接了國（guó）產“穀登”牌（pái）交流穩（wěn）壓器（qì）和德國進口的隔（gé）離變壓器。用（yòng）示波器分析該數控切管機的電源質量（liàng），沒有出現浪湧（yǒng）、尖峰等現象，波形質量完好。這就排除了（le）電源對Pwfibus．DP網絡的幹（gàn）擾。

接著檢查接地係統。根據接地理論，低頻電路(頻率小於1 MHz)應單點接地，其（qí）目的是避免形成地回路，地（dì）回（huí）路產（chǎn）生的電流會引入到信號（hào）回路內形成幹擾[3]。此機床工作接地采用的是“單點接地（dì）”：電櫃、主機身、上下料（liào）機構采用埋人地下的相互並聯的6根黃（huáng）銅棒作接地極。其直徑均為1．9 cm。長為3 m，用萬用表測量其接地電阻小於4 n，符合該機床關於接（jiē）地的裝機準備要（yào）求。重新（xīn）連接Profibus．DP電纜與電櫃（guì）的屏蔽卡子（zǐ），檢查Profibus．DP電纜屏蔽層沒有出現（xiàn）損壞。這表明接地和屏蔽符合設（shè）備的工作條件（jiàn）。上晚班時關閉車間內的其他設備，整個車間隻開1台切管機。但還是會偶（ǒu）爾出現Profibus．DP急停報文，這意味著Profibus．DP網絡的幹擾（rǎo）並非是外部設備幹擾引起的。

徹查了外部幹擾源對機床的影響，排除了（le）外（wài）部幹擾後，接著（zhe）從內部幹擾著手。信號在長線中傳輸除了會受到外界幹擾和引起信號延遲外。還可能會產生波反射現象。當信號在長線中傳輸時，由於傳輸線（xiàn）的分（fèn）布電容（róng）和分布電感的影（yǐng）響，信號會在傳輸線內部產生正向前進（jìn）的（de）電（diàn）壓波和電（diàn）流波[5]。由（yóu）於此數控切管機占地長（zhǎng）約17．5 m．寬約7．5 m，整個Profibus電纜的（de）長度大約有35 m以上。Profibus．DP網絡采用的（de）是總線型拓撲結構，當信號在總線（xiàn）上傳輸時，隨著（zhe）距離的增加，信號會逐（zhú）漸減弱。此切管機用符合RS．485標準的屏蔽雙絞電纜進行通信。Profibus．DP的物理層(第1層)實現對稱的數據傳輸，傳輸速率為12Mb／s。理論上（shàng）規定最大電纜長度為100 m，但實際上遠小於這個長度（dù）。數據（jù）傳輸率越高，總線（xiàn）通信就越不（bú）穩定哺]。放大器用（yòng）於實（shí）時(加強)信號，以精確複製原始信號，它連接同一總線的兩部分，解決通信信號在通信線上由於電氣損耗而造成的衰減。當信號（hào）變弱而不變形時可以使用放大器c7】。為此，在（zài）總線中（zhōng）間加了1個西門子生產的信號放大器，如圖1所示，有效地保證了信號傳輸質量，提高了係統運行的穩定性．再也沒有出現（xiàn）此類因幹擾導致Profibus．DP通（tōng）信不穩定而引起的機床急停故障。

圖（tú）1西門子信號放大器（qì）

由外部或內（nèi）部幹擾引起的非穩定性故（gù）障具有很大的隱蔽性，需要依次從外部或內部幹擾源逐一排除，方能找到引起Profibus．DP通信不穩（wěn）定的根（gēn）源，然後對症下藥。

2.主從站及通信電纜故障

2．1故障現象

激光切割機(Trulaser3030 Lean Edition機型)在切割過程中發（fā）生以下故障：

80101066：The Profibus slave station with the ad．dress 31 is faulty(地址為31的Profibus從站有誤)。80101087：AS．i Linker：Configuration elTor in Asi—Circuit M3 Slave 11A(AS．i連接（jiē）器：在Asi．M3回路裏從（cóng）站地址為11A的配置有誤)。80101046：Prnfibus master system 2 has a malfunc—tion(Profibus主回路2有一個故障)。07 190040：The laser warning lamp on the machine isdefective!(機床上的激光報警燈壞（huài）了)。

2．2故障分析與排（pái）查

Profibus．DP允許在PLC控製器和分散的自動化（huà）組件以及分散的外圍設備(如（rú）AS．i Bus)之間進行快速的數據交（jiāo）換。Trulaser3030 Lean Edition的PrnfibusDP配置采用的是典型的單主站結構（gòu），如圖2所示：以840D Solution Line為主站，有2個Profibus．DP回路(DPI，DP2)，其中DPI回（huí）路有Control Line(切割頭高度控（kòng）製係統（tǒng）)、TASC4(激光控製係統)，DP2回（huí）路有3個Safety Gateway(帶安全監管的網關)、FoucsLine(自動調（diào）節鏡片焦點（diǎn）係（xì）統)與Control Panel(控製麵板)。Safety Gateway是帶Safety Monitor功能的Gateway。Gateway作為Profibus．DP從站的同時。又是AS．i回路（lù）的（de）主站，通過Gateway上的（de）顯示器（qì），可實現Profibus—DP的地址修改、從站狀態診斷等功能。每個Profibus．DP從站都有自己的地址。要麽由軟件定義，要（yào）麽由硬件撥碼開關決定。DP主站與DP從站間的通（tōng）信基於（yú）主一從原理：主站知（zhī）道所有從站的地址。主站在特（tè）定（dìng）的時間間隔內向從站地址發送數據（jù）．並以數據的形式等（děng）待響應。也就是說，隻有當主站請求時總線上的DP從站才可能活動。DP從站被DP主站按輪（lún）詢（xún）表依次訪問。DP主（zhǔ）站與DP從站間的用戶數據連續地交換。而並不考慮用戶數據的內容[8]。

AS．i Bus是基（jī）於Profibus下一層（céng）的總線係統，它將基層的輸入輸出邏輯關係以通信方式傳（chuán）輸至（zhì）AS．i主站，再（zài）通過Prdibus傳輸至PLC進行邏（luó）輯（jí）處理；由（yóu）主站(Master)發出“請求” (Request)，從(Slave)做出“響（xiǎng）應”(Response)。由（yóu）圖2可（kě）以知道：在DP2回路裏．地址為3l的Prnfibus從站正是其中的一個Safety Gateway，它也（yě）是AS．i Bus的主站，而在AS．i的M3回路裏從站地址為11A的正是激光報警燈（dēng）。由這4條報文可（kě）以推（tuī）測AS．i回路從站地址為11A的（de）激光報警（jǐng）燈與Profibus回路從站地址為3l的SafetyGateway通信不暢通：激光報警燈沒有對Safety Gate．way的“請（qǐng）求”做出“響應”。

首先處理Safety Gateway的報文。根據服務手冊【9】，如圖3所示，操作（zuò）如下：(1)直（zhí）接按Gateway的OK鍵，選擇（zé）Quick Setup。(2)進入Quick Setup後，再次（cì）直接按OK，又進入另一個（gè）子目錄。(3)選擇store+run。(4)斷電重啟機床。經（jīng）過這樣處理（lǐ）後，前3條報文已經消除，但仍然還有“07190040：Thelaser warning lamp on the machine is defective!”出現（xiàn）。接著解決從站激光報警燈的報文：更換（huàn）激（jī）光報警燈．報文仍然存在，這說明線路有問題。檢（jiǎn）查AS．i電纜，發現電櫃到激光報（bào）警燈中有個接口鬆動了，接觸不良。重新插好接頭，該報文消除。

圖2激光（guāng）切割機(Trulaser3030 Lean Edition)Profibus．DP拓撲結構圖（tú）‘9

圖3 Safety Gateway(安全監管網關)

該類報文（wén）屬於穩（wěn）定性故障，首先要（yào）觀察每個站點的LED狀態(如PLC、TASC、Gateway、Asi．busSlave等)正常與否；其（qí）次，根據機床Profibus—DP拓撲結構及各站（zhàn）點的邏輯關係圖，再結合報文鎖定故障點；最（zuì）後，根據電路圖及服務手冊排除是主站故障還是從站故障或者Profibus、As．i電纜給（gěi）老鼠（shǔ）咬斷（duàn）還是接口鬆動．抑或Profibus．DP地址設置有誤。

3. Profibus．DP終端電阻引起的故障

3．1 故障現象

通快數控衝床(Trupunch2020)移（yí）機後出（chū）現（xiàn）PLC(85 102902)的報文：Binary data exchange on Profibuswith H&L interrupted。它的意思是Profibus與（yǔ）H＆L(衝杆（gǎn）控製（zhì）係統)的二進製（zhì）數據交換（huàn）被中斷。

3．2故障分析與排查

為確保Profibus．DP網（wǎng）絡（luò）主從站間通信穩定：首先，要保證通信電纜的屏蔽和接（jiē）地符合（hé）要求；其次（cì），Profibus．DP總線連接各“站（zhàn）點”時要求各（gè）終端電阻器的A線和（hé）B線的進出方向正確。且2根線不交叉但又連接可靠；最為重要的是，各接點插座上的“拔檔開關”始終嚴格遵循（xún）首末端為“ON”、中間為（wéi）“OFF”的原則。該數控衝床的Profibus．DP拓撲結（jié）構（gòu）如圖（tú）4所（suǒ）示【l0‘。經檢查，Bosch NCK(博世NCK)、Control Panel(控製麵板)、Gateway(網關)、BoschI／O(博世輸入輸出模（mó）塊)、H&L(衝杆控（kòng）製係統)的總線終端電阻器端口位（wèi）置正（zhèng）確：Control Panel、Bosch NCK終端電阻上的“拔檔開關（guān）”為“ON”。其他為“OFF”。於是進（jìn）一步檢查（chá）Profibus．DP總線（xiàn）各（gè）“站（zhàn）點”的終端電阻阻值：拔下連接各主從站的總（zǒng）線終端電阻器．分別測量各主從站終端電阻器中針腳3和8的阻值，如表1所（suǒ）示。其（qí）中H&L終端電阻的實際測量值等於110 Q，根據（jù）圖5，其標準電阻值應該為220 Q，實測值與標準值不吻合，故H&L與Con—trol Panel的通信（xìn）中斷，產生報警。打開H＆L終（zhōng）端電阻器，重新連接A線和（hé）B線，報文仍然存在。於是更（gèng）換（huàn）該總線終端電阻器。再測量總（zǒng）線各主、從站的終端電阻值，其值如表（biǎo）1中的（de）標準（zhǔn）值，複位，報文消除。

表1

不言（yán）而喻，此類故障屬於穩定（dìng）性（xìng）故（gù）障。迄今為止，經（jīng）驗表明：電纜（lǎn）和終（zhōng）端（duān）電阻器的不正確安裝是引起Profibus．DP錯誤的（de）主要原（yuán）因，終端電阻器（qì）的損壞屬於Profibus．DP的一（yī）類常見故障。

4.結論

以（yǐ）3類機床產生的3個故障為例。從非（fēi）穩定性故障和穩定性故障（zhàng）2個角度闡述了Profibus．DP故障的原因和解決方法。對於非穩定性故障的處（chù）理是（shì）個難（nán）點（diǎn），要從抗幹擾的角度來排除故障。逐一排除外部幹擾（rǎo），諸（zhū）如濾波、接（jiē）地、屏蔽是否符合標準，如不符合（hé），需要提高外（wài）部電源質量，加強機床接地，保證接地電阻小於4 Q，以及采取更有力的屏蔽措施，使機床Profibus．DP通信更穩定。其次從內（nèi）部幹擾著手，通信信號是否有衰減。如有衰減，可以增加“信號放大（dà）器”之類的硬件，保證整個Profibus．DP拓撲網絡通信暢通，數據傳輸準（zhǔn）確無誤。對於（yú）穩定性故（gù）障（zhàng），需要根據報文準確定位是主站還是從站。抑或終端電阻還是Profibus．DP、As．i電纜出現（xiàn）了故障。根據每個站點的LED狀態，結合電路（lù）圖和服務手冊（cè）排除主從站的故障．以及用萬用表測量終端電阻阻（zǔ）值是一種排除終端電阻故障行之有效的方法。更換損壞的元器（qì）件及加載（zǎi）相應的軟件(如Gateway更換需要加載軟件)後，這類穩（wěn）定性故障可以（yǐ）迎刃而解。

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