一种和温度有关的Profibus-DP通信故障分析及解决方法

引言

高架库作为物流运转中枢,其占地大、接口多、单体设备和检测装置多样化,且分布范围广、各部分间距较长,直接导致了高架库大型的Profibus-DP通信网络具备结构复杂的特点。本文的高架库Profibus-DP通信网络共有60个子站,架设通信电缆约500m,覆盖高架库两台主要的运输设备巷道式堆垛机,以及各接口码头,还包括了部分延伸的银道码头。按照设计功能要求,高架库各子站都安装有安全I/o模块,且每个子站必须将所管理部分的安全状况实时反馈给采用s7-400PLC作为控制单元的主系统:主站与各子站间还通过Profibus-DP网络实现现场检测仪表、触摸屏的数据通信,以及变频器的控制反馈等。一旦Profibus-DP网络出现中断或者延迟等故障时,将导致全线停机,严重影响现场物流运转,并可能造成主要生产设备大面积停机的不良后果。由此可见,Profibus-DP网络的稳定性对于高架库系统的稳定运行,甚至是主要生产设备的稳定运行起到至关重要的作用。

1技术方案及原理

高架库Profibus-DP网络结构示意如图1所示。图中分配地址的站点共有60个,包括的设备有西门子s7-400PLC、触摸屏、编码器、MLG对中装置、ET200子站以及变频器等:图1右下方两个虚线矩形框包围的部分表示堆垛机上的Profibus-DP网络架构,其与主线路的连接依靠无线DP通信装置完成,保证堆垛机在移动过程中仍能接收到较为稳定的信号:其他各站点全部通过带屏蔽层的双绞铜芯Profibus-DP通信电缆相连,个别跨距较大的两个站点之间通过增加DP信号中继器对通信信号进行放大,目的也是为了保证全线通信顺畅。

2和温度有关的通信故障现象及其解决方法

2.1故障现象

自2012年起至2014年,每年入夏,厂房内部环境温度上升时,高架库Profibus-DP通信网络就会出现突然连续闪断的现象,发生闪断的通信站点随机。该故障每次发生时,持续时长一般在6～8h。据现场统计,故障时间一般从中午11:30持续至晚上19:00一20:00左右,其间如果全线断电重启,可以维持设备稳定运行0.5h左右:而当厂房环境温度逐渐回落之后,通信可以恢复,并且整个夜班期间不会再出现。该故障不是连续发生,而是随机发生,有时一周发生1～2次,有时1个月才发生1次,而高架库正常运行期间监控通信系统的各项指标均无明显异常。到了时近中秋,整体气温回落之后,该故障便不再出现,整个冬季直到次年入夏前故障消失。该故障困扰最大、影响最坏,是最为复杂、最无迹可寻的通信故障。

2.2解决方法

针对该故障,通过查找资料,向Profibus-DP技术开发商西门子公司咨询,均没有得到合理的解释,于是采取加强基础工作,同时假设并试验验证的思路寻求解决方法。

(1）首先,对全线DP接头进行更换,重新接线,严格按照规范处理电缆屏蔽,完成后利用示波器抽样检测DP信号波形,均为正常方波:接着分段更换DP电缆,保证各段电缆完好:在更换电缆的过程中,严禁线路盘曲或者将DP通信电缆与动力电缆混合在相同的桥架内:考虑到Profibus-DP通信网络存在3个线路终端,给线路终端也安装了有源终端电阻,消除可能由终端电阻问题引起的线路信号反射问题。

(2）在2012一2013年间,按照第一点措施进行改进后,故障依然在2013年夏季出现。本文的高架库Profibus-DP通信波特率为1500kbit/s,只有当两个通信站点之间安装的通信电缆长度大于200m时,才需要安装Rs485信号中继器。为排除距离导致的信号衰减问题,将全线凡是通信段大于50m部分的DP电缆全部一分为二,加装中继器。上述改造后,2013年夏季,故障出现次数大大降低,现场跟踪共发生不到10次,但该故障仍未得到彻底解决。

(3）2014年夏季,经过一年的分析整理,将目标锁定在信号干扰问题上。采用具有较厚的金属编织层的液压专用金属软管代替普通金属软管,对高架库全线上所有与大功率动力电缆相邻或者相近的DP通信电缆进行套管处理,处理完成后故障消失。整个2014年夏季未再出现该故障,经跟踪观察一年,2015年入夏以来也未再发生该故障,判定该故障得到彻底解决。

3故障处理原则

通过近三年来对高架库Profibus-DP通信故障的处理,笔者对Profibus-DP通信故障的处理原则进行了如下总结:

(1）先一般后特殊。对于Profibus-DP故障现象较为单一且固定的,可以优先采取二分法进行判断:而对于故障现象复杂多变,没有确定现象的,则应进行专项分析。

(2）先硬件后电缆。在分析Profibus-DP通信故障时,往往先检查DP接头、通信装置接口等硬件的好坏:如果已经确认硬件正常,那么可以考虑通过测量相应故障段的DP电缆阻值等手段来检测电缆质量,或者在方便操作的情况下直接更换电缆测试。

(3）先基础后专项。在排查Profibus-DP通信故障过程中,应该重视检查DP接头接线、DP电缆安装是否规范等基础工作,有时复杂的故障现象往往是由简单的失误造成的:在基础排查完成后,如果故障仍然存在,就应该选择故障特征最为明显的方向进行专项分析。

(4）先宏观后微观。尤其在遇到Profibus-DP通信网络出现闪断、数据丢失或者其他一些无规律的复杂故障时,首先应该从宏观上排查硬件状态、电缆质量、安装规范等具有比较明确的判断标准的部分:如果故障依旧存在,就要转而考虑信号传输强度或者信号干扰等微观层面的问题,这些问题往往没有一个明确的表征指向,也不可能花费大量的人力物力进行专业检测,主要通过试验法排除。

4结语

本文所述的故障现象,由于故障发生在特殊时间,复杂多变,且全国范围内没有找到可参考的范例,多次咨询西门子专业技术人员,也没有得到有效的处理建议,所以前后耗时三年才将该故障彻底解决。回头分析,可以判定该故障其实是由两个因素共同作用导致,即温度和信号干扰。

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