數(shù)控機(jī)床中Profibus．DP網(wǎng)絡(luò)故障的分析與診斷
2016-11-24 來(lái)源：東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系 作者：劉水平1，楊壽智2
摘要：以通快(TRUMPF)數(shù)控切管機(jī)、激光切割機(jī)、數(shù)控沖床出現(xiàn)的關(guān)于Profibus．DP報(bào)文為例，從非穩(wěn)定性故障和穩(wěn)定性故障2個(gè)角度詳細(xì)分析了引起數(shù)控機(jī)床中Profibus．DP網(wǎng)絡(luò)故障的原因，并給出相應(yīng)的診斷方法和處理過(guò)程。
關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；Profibus．DP；非穩(wěn)定性故障；穩(wěn)定性故障；分析與診斷
Profibus—DP是用于自動(dòng)化生產(chǎn)的一種開放式現(xiàn)場(chǎng)總線．使用Profibus．DP模塊可取代價(jià)格昂貴的數(shù)字或模擬信號(hào)線，用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸?。因此，它在先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床中得到了廣泛的應(yīng)用。全球領(lǐng)先的通快(TRUMPF)數(shù)控機(jī)床就使用了Profibus．DP，用于高速、及時(shí)、復(fù)雜的通信任務(wù)。根據(jù)常見(jiàn)的故障現(xiàn)象．Profibus．DP網(wǎng)絡(luò)故障通常可以分為兩大類：一類是非穩(wěn)定故障．指發(fā)生故障的網(wǎng)絡(luò)位置不固定或故障現(xiàn)象不持續(xù)的偶發(fā)故障或隨機(jī)故障；另一類是穩(wěn)定故障，其表現(xiàn)是發(fā)生故障的時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)位置相對(duì)穩(wěn)定心]。文中以通快數(shù)控切管機(jī)(TruLaser Tube 5000)、激光切割(Trulaser3030Lean Edition)、數(shù)控沖床(Trupunch2020)3種機(jī)床出現(xiàn)的關(guān)于Profibus．DP報(bào)文為例，從非穩(wěn)定性故障和穩(wěn)定性故障2個(gè)角度詳細(xì)闡述了如何快速地診斷和排除Profibus．DP網(wǎng)絡(luò)的故障。
1 .干擾故障
1．1故障現(xiàn)象
數(shù)控切管機(jī)(TruLaser Tube 5000)切割管材過(guò)程中，在沒(méi)有非法操作的前提下，機(jī)床不定期地出現(xiàn)幾次急停故障，且報(bào)文中含有Profibus．DP通信中斷等內(nèi)容。
1．2故障分析與排查
由于此故障是不定期發(fā)生，屬于Profibus．DP網(wǎng)絡(luò)中的非穩(wěn)定故障。對(duì)于此類故障。它的主要來(lái)源不是某個(gè)零部件的損壞．而是來(lái)自于外部或內(nèi)部的干擾。外部干擾可分為電源干擾、設(shè)備干擾、空間干擾。內(nèi)部干擾主要是分布電容、分布電感引起的耦合感應(yīng)、電磁場(chǎng)輻射感應(yīng)、長(zhǎng)線傳輸?shù)牟ǚ瓷洹⒍帱c(diǎn)接地造成電位差引起的干擾[3]。抑制干擾源、切斷干擾的傳輸途徑、提高敏感設(shè)備的抗干擾能力是系統(tǒng)達(dá)到電磁兼容的主要手段，最常用的是濾波、接地、屏蔽3種技術(shù)。
電網(wǎng)的干擾、頻率的波動(dòng)將直接影響控制系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。由于南方電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。市電到機(jī)床之間接了國(guó)產(chǎn)“谷登”牌交流穩(wěn)壓器和德國(guó)進(jìn)口的隔離變壓器。用示波器分析該數(shù)控切管機(jī)的電源質(zhì)量，沒(méi)有出現(xiàn)浪涌、尖峰等現(xiàn)象，波形質(zhì)量完好。這就排除了電源對(duì)Pwfibus．DP網(wǎng)絡(luò)的干擾。
接著檢查接地系統(tǒng)。根據(jù)接地理論，低頻電路(頻率小于1 MHz)應(yīng)單點(diǎn)接地，其目的是避免形成地回路，地回路產(chǎn)生的電流會(huì)引入到信號(hào)回路內(nèi)形成干擾[3]。此機(jī)床工作接地采用的是“單點(diǎn)接地”：電柜、主機(jī)身、上下料機(jī)構(gòu)采用埋人地下的相互并聯(lián)的6根黃銅棒作接地極。其直徑均為1．9 cm。長(zhǎng)為3 m，用萬(wàn)用表測(cè)量其接地電阻小于4 n，符合該機(jī)床關(guān)于接地的裝機(jī)準(zhǔn)備要求。重新連接Profibus．DP電纜與電柜的屏蔽卡子，檢查Profibus．DP電纜屏蔽層沒(méi)有出現(xiàn)損壞。這表明接地和屏蔽符合設(shè)備的工作條件。上晚班時(shí)關(guān)閉車間內(nèi)的其他設(shè)備，整個(gè)車間只開1臺(tái)切管機(jī)。但還是會(huì)偶爾出現(xiàn)Profibus．DP急停報(bào)文，這意味著Profibus．DP網(wǎng)絡(luò)的干擾并非是外部設(shè)備干擾引起的。
徹查了外部干擾源對(duì)機(jī)床的影響，排除了外部干擾后，接著從內(nèi)部干擾著手。信號(hào)在長(zhǎng)線中傳輸除了會(huì)受到外界干擾和引起信號(hào)延遲外。還可能會(huì)產(chǎn)生波反射現(xiàn)象。當(dāng)信號(hào)在長(zhǎng)線中傳輸時(shí)，由于傳輸線的分布電容和分布電感的影響，信號(hào)會(huì)在傳輸線內(nèi)部產(chǎn)生正向前進(jìn)的電壓波和電流波[5]。由于此數(shù)控切管機(jī)占地長(zhǎng)約17．5 m．寬約7．5 m，整個(gè)Profibus電纜的長(zhǎng)度大約有35 m以上。Profibus．DP網(wǎng)絡(luò)采用的是總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)信號(hào)在總線上傳輸時(shí)，隨著距離的增加，信號(hào)會(huì)逐漸減弱。此切管機(jī)用符合RS．485標(biāo)準(zhǔn)的屏蔽雙絞電纜進(jìn)行通信。Profibus．DP的物理層(第1層)實(shí)現(xiàn)對(duì)稱的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率為12Mb／s。理論上規(guī)定最大電纜長(zhǎng)度為100 m，但實(shí)際上遠(yuǎn)小于這個(gè)長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)傳輸率越高，總線通信就越不穩(wěn)定哺]。放大器用于實(shí)時(shí)(加強(qiáng))信號(hào)，以精確復(fù)制原始信號(hào)，它連接同一總線的兩部分，解決通信信號(hào)在通信線上由于電氣損耗而造成的衰減。當(dāng)信號(hào)變?nèi)醵蛔冃螘r(shí)可以使用放大器c7】。為此，在總線中間加了1個(gè)西門子生產(chǎn)的信號(hào)放大器，如圖1所示，有效地保證了信號(hào)傳輸質(zhì)量，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性．再也沒(méi)有出現(xiàn)此類因干擾導(dǎo)致Profibus．DP通信不穩(wěn)定而引起的機(jī)床急停故障。
圖1西門子信號(hào)放大器
由外部或內(nèi)部干擾引起的非穩(wěn)定性故障具有很大的隱蔽性，需要依次從外部或內(nèi)部干擾源逐一排除，方能找到引起Profibus．DP通信不穩(wěn)定的根源，然后對(duì)癥下藥。
2.主從站及通信電纜故障
2．1故障現(xiàn)象
激光切割機(jī)(Trulaser3030 Lean Edition機(jī)型)在切割過(guò)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連接器：在Asi．M3回路里從站地址為11A的配置有誤)。80101046：Prnfibus master system 2 has a malfunc—tion(Profibus主回路2有一個(gè)故障)。07 190040：The laser warning lamp on the machine isdefective!(機(jī)床上的激光報(bào)警燈壞了)。
2．2故障分析與排查
Profibus．DP允許在PLC控制器和分散的自動(dòng)化組件以及分散的外圍設(shè)備(如AS．i Bus)之間進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)交換。Trulaser3030 Lean Edition的PrnfibusDP配置采用的是典型的單主站結(jié)構(gòu)，如圖2所示：以840D Solution Line為主站，有2個(gè)Profibus．DP回路(DPI，DP2)，其中DPI回路有Control Line(切割頭高度控制系統(tǒng))、TASC4(激光控制系統(tǒng))，DP2回路有3個(gè)Safety Gateway(帶安全監(jiān)管的網(wǎng)關(guān))、FoucsLine(自動(dòng)調(diào)節(jié)鏡片焦點(diǎn)系統(tǒng))與Control Panel(控制面板)。Safety Gateway是帶Safety Monitor功能的Gateway。Gateway作為Profibus．DP從站的同時(shí)。又是AS．i回路的主站，通過(guò)Gateway上的顯示器，可實(shí)現(xiàn)Profibus—DP的地址修改、從站狀態(tài)診斷等功能。每個(gè)Profibus．DP從站都有自己的地址。要么由軟件定義，要么由硬件撥碼開關(guān)決定。DP主站與DP從站間的通信基于主一從原理：主站知道所有從站的地址。主站在特定的時(shí)間間隔內(nèi)向從站地址發(fā)送數(shù)據(jù)．并以數(shù)據(jù)的形式等待響應(yīng)。也就是說(shuō)，只有當(dāng)主站請(qǐng)求時(shí)總線上的DP從站才可能活動(dòng)。DP從站被DP主站按輪詢表依次訪問(wèn)。DP主站與DP從站間的用戶數(shù)據(jù)連續(xù)地交換。而并不考慮用戶數(shù)據(jù)的內(nèi)容[8]。
AS．i Bus是基于Profibus下一層的總線系統(tǒng)，它將基層的輸入輸出邏輯關(guān)系以通信方式傳輸至AS．i主站，再通過(guò)Prdibus傳輸至PLC進(jìn)行邏輯處理；由主站(Master)發(fā)出“請(qǐng)求” (Request)，從(Slave)做出“響應(yīng)”(Response)。由圖2可以知道：在DP2回路里．地址為3l的Prnfibus從站正是其中的一個(gè)Safety Gateway，它也是AS．i Bus的主站，而在AS．i的M3回路里從站地址為11A的正是激光報(bào)警燈。由這4條報(bào)文可以推測(cè)AS．i回路從站地址為11A的激光報(bào)警燈與Profibus回路從站地址為3l的SafetyGateway通信不暢通：激光報(bào)警燈沒(méi)有對(duì)Safety Gate．way的“請(qǐng)求”做出“響應(yīng)”。
首先處理Safety Gateway的報(bào)文。根據(jù)服務(wù)手冊(cè)【9】，如圖3所示，操作如下：(1)直接按Gateway的OK鍵，選擇Quick Setup。(2)進(jìn)入Quick Setup后，再次直接按OK，又進(jìn)入另一個(gè)子目錄。(3)選擇store+run。(4)斷電重啟機(jī)床。經(jīng)過(guò)這樣處理后，前3條報(bào)文已經(jīng)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(bào)警燈的報(bào)文：更換激光報(bào)警燈．報(bào)文仍然存在，這說(shuō)明線路有問(wèn)題。檢查AS．i電纜，發(fā)現(xiàn)電柜到激光報(bào)警燈中有個(gè)接口松動(dòng)了，接觸不良。重新插好接頭，該報(bào)文消除。
圖2激光切割機(jī)(Trulaser3030 Lean Edition)Profibus．DP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖‘9
圖3 Safety Gateway(安全監(jiān)管網(wǎng)關(guān))
該類報(bào)文屬于穩(wěn)定性故障，首先要觀察每個(gè)站點(diǎn)的LED狀態(tài)(如PLC、TASC、Gateway、Asi．busSlave等)正常與否；其次，根據(jù)機(jī)床Profibus—DP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及各站點(diǎn)的邏輯關(guān)系圖，再結(jié)合報(bào)文鎖定故障點(diǎn)；最后，根據(jù)電路圖及服務(wù)手冊(cè)排除是主站故障還是從站故障或者Profibus、As．i電纜給老鼠咬斷還是接口松動(dòng)．抑或Profibus．DP地址設(shè)置有誤。
3. Profibus．DP終端電阻引起的故障
3．1 故障現(xiàn)象
通快數(shù)控沖床(Trupunch2020)移機(jī)后出現(xiàn)PLC(85 102902)的報(bào)文：Binary data exchange on Profibuswith H&L interrupted。它的意思是Profibus與H＆L(沖桿控制系統(tǒng))的二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換被中斷。
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(wěn)定：首先，要保證通信電纜的屏蔽和接地符合要求；其次，Profibus．DP總線連接各“站點(diǎn)”時(shí)要求各終端電阻器的A線和B線的進(jìn)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(diǎn)插座上的“拔檔開關(guān)”始終嚴(yán)格遵循首末端為“ON”、中間為“OFF”的原則。該數(shù)控沖床的Profibus．DP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示【l0‘。經(jīng)檢查，Bosch NCK(博世NCK)、Control Panel(控制面板)、Gateway(網(wǎng)關(guān))、BoschI／O(博世輸入輸出模塊)、H&L(沖桿控制系統(tǒng))的總線終端電阻器端口位置正確：Control Panel、Bosch NCK終端電阻上的“拔檔開關(guān)”為“ON”。其他為“OFF”。于是進(jìn)一步檢查Profibus．DP總線各“站點(diǎn)”的終端電阻阻值：拔下連接各主從站的總線終端電阻器．分別測(cè)量各主從站終端電阻器中針腳3和8的阻值，如表1所示。其中H&L終端電阻的實(shí)際測(cè)量值等于110 Q，根據(jù)圖5，其標(biāo)準(zhǔn)電阻值應(yīng)該為220 Q，實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值不吻合，故H&L與Con—trol Panel的通信中斷，產(chǎn)生報(bào)警。打開H＆L終端電阻器，重新連接A線和B線，報(bào)文仍然存在。于是更換該總線終端電阻器。再測(cè)量總線各主、從站的終端電阻值，其值如表1中的標(biāo)準(zhǔn)值，復(fù)位，報(bào)文消除。
表1
不言而喻，此類故障屬于穩(wěn)定性故障。迄今為止，經(jīng)驗(yàn)表明：電纜和終端電阻器的不正確安裝是引起Profibus．DP錯(cuò)誤的主要原因，終端電阻器的損壞屬于Profibus．DP的一類常見(jiàn)故障。
4.結(jié)論
以3類機(jī)床產(chǎn)生的3個(gè)故障為例。從非穩(wěn)定性故障和穩(wěn)定性故障2個(gè)角度闡述了Profibus．DP故障的原因和解決方法。對(duì)于非穩(wěn)定性故障的處理是個(gè)難點(diǎn)，要從抗干擾的角度來(lái)排除故障。逐一排除外部干擾，諸如濾波、接地、屏蔽是否符合標(biāo)準(zhǔn)，如不符合，需要提高外部電源質(zhì)量，加強(qiáng)機(jī)床接地，保證接地電阻小于4 Q，以及采取更有力的屏蔽措施，使機(jī)床Profibus．DP通信更穩(wěn)定。其次從內(nèi)部干擾著手，通信信號(hào)是否有衰減。如有衰減，可以增加“信號(hào)放大器”之類的硬件，保證整個(gè)Profibus．DP拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)通信暢通，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確無(wú)誤。對(duì)于穩(wěn)定性故障，需要根據(jù)報(bào)文準(zhǔn)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(jù)每個(gè)站點(diǎn)的LED狀態(tài)，結(jié)合電路圖和服務(wù)手冊(cè)排除主從站的故障．以及用萬(wàn)用表測(cè)量終端電阻阻值是一種排除終端電阻故障行之有效的方法。更換損壞的元器件及加載相應(yīng)的軟件(如Gateway更換需要加載軟件)后，這類穩(wěn)定性故障可以迎刃而解。
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