陳衛(wèi)國 陶慶才 盧錦川 韋瑞錄

（①廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530007;②上汽通用五菱汽車股份有限公司發(fā)動機工廠，廣西柳州 545007）

在汽車制造、包裝和注塑機等工業(yè)領(lǐng)域中，越來越需要高性能、穩(wěn)定可靠的控制信息傳輸系統(tǒng)。在這一需求下，現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展就成為了必然的趨勢。現(xiàn)場總線有節(jié)省硬件數(shù)量與投資、節(jié)省安裝費用、節(jié)省維護開銷、用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)、提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性等優(yōu)點，在眾多現(xiàn)場總線類型中Pr ofibus總線系統(tǒng)成為目前最成功的現(xiàn)場總線之一［1］。整個Profibus總線系統(tǒng)又包含 Profibus－DP、Profibus－PA、Profibus－FMS三個系統(tǒng)，而這三個系統(tǒng)又是兼容的也就是說可以在一個Profibus總線系統(tǒng)中同時使用［2］。本文將在介紹Profibus－DP的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其通信方式的基礎(chǔ)上，分析Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)的常見故障原因及診斷方法。

1 Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)通信方式

1.1 Profibus－DP 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一個Profibus－DP系統(tǒng)主要包括:站點數(shù)目、站點地址、站與站之間信息傳遞的格式及信號的傳輸線纜，適用于自動控制系統(tǒng)和設(shè)備級分散I/O之間通信［3］。其中站類型分為DP主站和DP從站，DP主站與DP從站間的通信原理基于主從原理，主站與從站之間周期的交換用戶數(shù)據(jù)，當(dāng)一個DP主站擁有令牌（Token）時它才有權(quán)限訪問網(wǎng)絡(luò)上的任何一個DP從站和任何一個DP主站，而DP從站任何時候都不能擁有令牌（Token）。這種總線通信方式可以實現(xiàn):（1）純主－主系統(tǒng)（多主站）;（2）純主－從系統(tǒng)（單主站），在該方式下主站根據(jù)網(wǎng)絡(luò)所設(shè)定的傳輸速度周期發(fā)送信息給從站或者由從站獲取信息;（3）上面兩種方式的結(jié)合，總線上有多個主站，而各個主站又與各自的從站構(gòu)成相互獨立的子系統(tǒng)［4］。

在上汽通用五菱的發(fā)動機工廠，滾道和設(shè)備上的Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)主要以純主－從（單主站）方式為主，如圖1所示。在該圖中，類1DP主站是中央控制器，它周期地與分散的DP從站交換信息，并對總線通信進行控制和管理。在主從交換信息的過程中，診斷信息是非常重要的部分。

1.2 Profibus－DP 網(wǎng)絡(luò)線路的連接

為了更好地說明Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)線路在實際連接中應(yīng)注意的主要問題，我們首先說明一些信號傳輸理論。假設(shè)有兩根無限長的導(dǎo)線組成最簡單的回路，如果我們在這兩根導(dǎo)線的開頭之間加一個電壓源，這時在這兩根導(dǎo)線上就有電流流過并輸出電壓，由于導(dǎo)線對于電信號有一定的阻抗，因此當(dāng)一個電信號在導(dǎo)線中傳輸時，離信號源近的輸出總比離信號源遠的輸出早。當(dāng)然在實際中并沒有無限長的線纜，在這里我們用圖例來說明電信號的延遲理論，在一個電路中我們把電信號從信號源輸出到導(dǎo)線終端輸出的傳輸時間設(shè)為T，信號源的內(nèi)電阻為Rsrc，電路中信號傳輸線纜的電阻為Z0，終端電阻為R，并且Rsrc=R=Z0，Vout為離信號源近端的輸出，V1為導(dǎo)線中間點的輸出，V2為電信號在導(dǎo)線終端的輸出［4］，如圖2所示。

由圖2可以看出，雖然由于導(dǎo)線的阻抗，圖2中Vout、V1、V2達到Vsrc/2的時間點不同，但在該種情況下這3個點的輸出都是穩(wěn)定的。我們接著分析另外兩種情況，第一種是圖2中的電路終端短路，如圖3所示。由圖3可以看出，當(dāng)一個電路的導(dǎo)線終端短路時，在時間T之前，Vout、V1都是Vsrc/2，當(dāng)信號的傳輸時間超過T時，在短路點有一個極性（負(fù)極）相反的電壓源，這個極性相反的電壓源會向和+I傳輸方向相反的方向輸出電流，其結(jié)果是一步一步地破壞掉V2、V1、Vout使它們最后為接近于零輸出。另一種情況是電路終端開路，如圖4所示。由圖4可以看出，當(dāng)一個電路的導(dǎo)線終端開路時，在時間T之前，Vout、V1都是Vsrc/2，當(dāng)信號的傳輸時間超過T時，在開路點信號無法繼續(xù)向前傳播，而不得不反射回來，其結(jié)果是在原有信號的基礎(chǔ)上進行正向疊加，使得電路上的輸出電壓增高，也破壞了原有的正常值。

Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)線路是基于RS485通信原理建立起來的［6］，其信號的傳輸也是通過兩根導(dǎo)線來實現(xiàn)的，根據(jù)我們上面介紹的電信號在導(dǎo)線中的傳輸理論，為了去除信號在線路終端的反射，必須在Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)的兩個終端子站上加終端電阻，如圖5所示。終端電阻的計算如公式為

這個值也是一個Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)通信線纜阻抗的上限。在Profibus國際組織頒布的第一個Profibus接線標(biāo)準(zhǔn)中，另一種Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)通信線纜阻抗的上限是120 Ω，其終端電阻中的R2為150 Ω，因此如果這兩種線纜混合起來使用也會引起信號的反射作用。

1.3 Profibus－DP 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸［7］

Profibus－DP的網(wǎng)絡(luò)信息由報文幀傳遞，報文幀又由幀字符組合而成，而每一個幀字符由11個bit（位）組成。如圖6所示。根據(jù)不同的組合方式及幀字符數(shù)量的差別，報文幀又分為SD1、SD2、SD4和SC類型。其中SD2類型為最常見的幀類型，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

DP子站的數(shù)據(jù)信息就存儲在圖7的中的DATA_UNIT中，這些數(shù)據(jù)信息主要分為參數(shù)信息、配置信息、診斷信息三類。本文主要分析診斷信息。診斷信息的長度為6～244個字節(jié)，該信息主要包括標(biāo)準(zhǔn)診斷、設(shè)備相關(guān)診斷、模塊相關(guān)診斷和通道相關(guān)診斷，后三者又稱為擴展診斷，根據(jù)設(shè)備的不同是可選的，而標(biāo)準(zhǔn)診斷則是必須的。標(biāo)準(zhǔn)診斷信息的長度是固定的6個字節(jié)，涉及主站地址、設(shè)備的ID號等。設(shè)備相關(guān)診斷信息，涉及設(shè)備的溫度、工作電壓等，模塊相關(guān)診斷涉及子站的故障模塊信息等，通道相關(guān)診斷涉及到某一個輸入輸出點。這些診斷信息在數(shù)據(jù)信息區(qū)中的排列方式如圖8所示。由于設(shè)備相關(guān)診斷、模塊相關(guān)診斷和通道相關(guān)診斷的診斷數(shù)據(jù)是由設(shè)備供應(yīng)商來提供的，在此我們只分析標(biāo)準(zhǔn)診斷的診斷數(shù)據(jù)定義格式，如圖9～14所示。

2 Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)通信的故障原因和診斷

在一個Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)中，有各種不同的因素引起其網(wǎng)絡(luò)通信的故障。這些因素可能是網(wǎng)絡(luò)線路過長、外界的電磁干擾、信號線路故障等。在本文1.2和1.3節(jié)中我們分析了Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)的接線和其通信報文，接下來我們主要基于這兩部分對Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)的故障進行分析。

2.1 Profibus－DP 網(wǎng)絡(luò)故障的因素

在實際應(yīng)用中，Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)故障的主要原因是:

①在把信號線纜接到9針接頭時，錯接信號線A和信號線B。

②多接了終端電阻，這里要重點指出的是在一個Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)中有且只有兩個終端電阻。

③通信電纜上的屏蔽層沒有接地。

④在一個子站中的I/O模塊之間，用錯誤的線纜連接。

⑤Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)上某一個子站的配置錯誤。

如果在建立一個Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)時，能夠注意這些細節(jié)，那么Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性是非常高的。

2.2 Profibus－DP 網(wǎng)絡(luò)故障的診斷

根據(jù)前面的介紹，在診斷一個Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)時，我們可以從其信號的波形和診斷報文來判定是網(wǎng)絡(luò)中的站點故障還是網(wǎng)絡(luò)線路的故障。

2.2.1 診斷信號線上的波形

由于Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)信號的傳輸就是信號線A和信號線B，因此我們可以用示波器來分別捕捉信號線A和信號線B上的波形，而Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)的信號信息是以A與B上的電壓差來表示的。根據(jù)這個原理，在分析波形時，我們要重點分析A與B上的電壓差。在這里我們使用Profibus分析儀——Profitrace來做分析。用戶只需要點擊Profitrace軟件界面上Live list中的某一個子站，就可以看到A與B電壓差的波形［8］。如圖15是正常情況下A與B電壓差的波形。

當(dāng)Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)的終端電阻缺失時，根據(jù)前面1.2節(jié)的分析，這時網(wǎng)絡(luò)中就會有反射干擾信號的出現(xiàn)，該干擾信號會在原來正常值的基礎(chǔ)上進行正向疊加，使整個信號的輸出值增加，如圖16所示。

當(dāng)Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)的信號線出現(xiàn)短路時，根據(jù)前面1.2節(jié)的分析，這時網(wǎng)絡(luò)的反射干擾會把原來正常信號的值拉低，如圖17所示。圖中兩個箭頭之間的波形就是網(wǎng)絡(luò)信號短路時，反射信號把原來正常信號的值拉低的表現(xiàn)。

2.2.2 分析診斷報文

根據(jù)前面1.3節(jié)中對診斷報文的分析，只要能夠獲得Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)上主站和子站之間的診斷報文，依據(jù)診斷報文中診斷信息定義的格式，就能清楚地知道故障站點的故障狀態(tài)。如圖18所示我們獲取一個Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)上子站5的診斷信息，并按照診斷信息定義的格式對其內(nèi)容進行了說明。

由圖18可知，通過診斷報文的讀取能夠?qū)唧w故障子站的通信狀態(tài)有一個基本的了解。至于更詳細的診斷信息也就是擴展的診斷信息，例如，子站具體模塊故障、子站具體模塊中的具體通道故障等信息，則由具體設(shè)備的供應(yīng)商通過文件設(shè)置來擴展，因此，這也給我們今后在使用具有Profibus－DP通信接口的設(shè)備或者零部件時指明了一點，就是要求供應(yīng)商提供Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)的擴展診斷功能。

3 結(jié)語

在實際的生產(chǎn)現(xiàn)場中Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性非常高，但是如果其網(wǎng)絡(luò)線路缺少終端、短路或者受到干擾，嚴(yán)重時就會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，在有些情況下由于網(wǎng)絡(luò)上某個子站參數(shù)配置或者硬件的問題，往往是該子站單獨出現(xiàn)故障不會影響到其他的子站和主站之間的通信。本文針對Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)線路和數(shù)據(jù)傳輸進行了研究，并基于這兩點用Profibus－DP分析儀對故障網(wǎng)絡(luò)的信號和報文進行了分析，并用實際獲取的波形和診斷報文證明了診斷的有效性。

［1］于浩洋.PROFIBUS現(xiàn)場總線概述［J］.自動化與儀表，2002（2）:18－21.

［2］張志學(xué)，肖志懷，李朝暉.PROFIBUS總線技術(shù)介紹［J］.電站系統(tǒng)工程，2001，17（5）:318－320.

［3］劉美俊.PROFIBUS總線技術(shù)［J］.機床電器，2005（3）:5－8.

［4］徐文輝.PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)概述［J］.航空電子技術(shù)，2000（1）:26－32.

［5］Wakerly John F.Digital design principles and practices［M］4th ed.2006 Pearson Education，Inc，ISBN 0－13－186389－4.

［6］EIA 485:Standard for electrical characteristics of generators and receivers for use in balanced digital multipoint systems［S］.Electronic Industries Association，1983.

［7］Profichip.http://www.profichip.com

［8］Profitrace2 manual.http://www.procentec.com