一種和溫度有關(guān)的Profibus-DP通信故障分析及解決方法

引言

高架庫作為物流運轉(zhuǎn)中樞,其占地大、接口多、單體設(shè)備和檢測裝置多樣化,且分布范圍廣、各部分間距較長,直接導(dǎo)致了高架庫大型的Profibus-DP通信網(wǎng)絡(luò)具備結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點。本文的高架庫Profibus-DP通信網(wǎng)絡(luò)共有60個子站,架設(shè)通信電纜約500m,覆蓋高架庫兩臺主要的運輸設(shè)備巷道式堆垛機(jī),以及各接口碼頭,還包括了部分延伸的銀道碼頭。按照設(shè)計功能要求,高架庫各子站都安裝有安全I(xiàn)/o模塊,且每個子站必須將所管理部分的安全狀況實時反饋給采用s7-400PLC作為控制單元的主系統(tǒng):主站與各子站間還通過Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)現(xiàn)場檢測儀表、觸摸屏的數(shù)據(jù)通信,以及變頻器的控制反饋等。一旦Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)中斷或者延遲等故障時,將導(dǎo)致全線停機(jī),嚴(yán)重影響現(xiàn)場物流運轉(zhuǎn),并可能造成主要生產(chǎn)設(shè)備大面積停機(jī)的不良后果。由此可見,Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性對于高架庫系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,甚至是主要生產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定運行起到至關(guān)重要的作用。

1技術(shù)方案及原理

高架庫Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。圖中分配地址的站點共有60個,包括的設(shè)備有西門子s7-400PLC、觸摸屏、編碼器、MLG對中裝置、ET200子站以及變頻器等:圖1右下方兩個虛線矩形框包圍的部分表示堆垛機(jī)上的Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),其與主線路的連接依靠無線DP通信裝置完成,保證堆垛機(jī)在移動過程中仍能接收到較為穩(wěn)定的信號:其他各站點全部通過帶屏蔽層的雙絞銅芯Profibus-DP通信電纜相連,個別跨距較大的兩個站點之間通過增加DP信號中繼器對通信信號進(jìn)行放大,目的也是為了保證全線通信順暢。

2和溫度有關(guān)的通信故障現(xiàn)象及其解決方法

2.1故障現(xiàn)象

自2012年起至2014年,每年入夏,廠房內(nèi)部環(huán)境溫度上升時,高架庫Profibus-DP通信網(wǎng)絡(luò)就會出現(xiàn)突然連續(xù)閃斷的現(xiàn)象,發(fā)生閃斷的通信站點隨機(jī)。該故障每次發(fā)生時,持續(xù)時長一般在6～8h。據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計,故障時間一般從中午11:30持續(xù)至晚上19:00一20:00左右,其間如果全線斷電重啟,可以維持設(shè)備穩(wěn)定運行0.5h左右:而當(dāng)廠房環(huán)境溫度逐漸回落之后,通信可以恢復(fù),并且整個夜班期間不會再出現(xiàn)。該故障不是連續(xù)發(fā)生,而是隨機(jī)發(fā)生,有時一周發(fā)生1～2次,有時1個月才發(fā)生1次,而高架庫正常運行期間監(jiān)控通信系統(tǒng)的各項指標(biāo)均無明顯異常。到了時近中秋,整體氣溫回落之后,該故障便不再出現(xiàn),整個冬季直到次年入夏前故障消失。該故障困擾最大、影響最壞,是最為復(fù)雜、最無跡可尋的通信故障。

2.2解決方法

針對該故障,通過查找資料,向Profibus-DP技術(shù)開發(fā)商西門子公司咨詢,均沒有得到合理的解釋,于是采取加強基礎(chǔ)工作,同時假設(shè)并試驗驗證的思路尋求解決方法。

(1）首先,對全線DP接頭進(jìn)行更換,重新接線,嚴(yán)格按照規(guī)范處理電纜屏蔽,完成后利用示波器抽樣檢測DP信號波形,均為正常方波:接著分段更換DP電纜,保證各段電纜完好:在更換電纜的過程中,嚴(yán)禁線路盤曲或者將DP通信電纜與動力電纜混合在相同的橋架內(nèi):考慮到Profibus-DP通信網(wǎng)絡(luò)存在3個線路終端,給線路終端也安裝了有源終端電阻,消除可能由終端電阻問題引起的線路信號反射問題。

(2）在2012一2013年間,按照第一點措施進(jìn)行改進(jìn)后,故障依然在2013年夏季出現(xiàn)。本文的高架庫Profibus-DP通信波特率為1500kbit/s,只有當(dāng)兩個通信站點之間安裝的通信電纜長度大于200m時,才需要安裝Rs485信號中繼器。為排除距離導(dǎo)致的信號衰減問題,將全線凡是通信段大于50m部分的DP電纜全部一分為二,加裝中繼器。上述改造后,2013年夏季,故障出現(xiàn)次數(shù)大大降低,現(xiàn)場跟蹤共發(fā)生不到10次,但該故障仍未得到徹底解決。

(3）2014年夏季,經(jīng)過一年的分析整理,將目標(biāo)鎖定在信號干擾問題上。采用具有較厚的金屬編織層的液壓專用金屬軟管代替普通金屬軟管,對高架庫全線上所有與大功率動力電纜相鄰或者相近的DP通信電纜進(jìn)行套管處理,處理完成后故障消失。整個2014年夏季未再出現(xiàn)該故障,經(jīng)跟蹤觀察一年,2015年入夏以來也未再發(fā)生該故障,判定該故障得到徹底解決。

3故障處理原則

通過近三年來對高架庫Profibus-DP通信故障的處理,筆者對Profibus-DP通信故障的處理原則進(jìn)行了如下總結(jié):

(1）先一般后特殊。對于Profibus-DP故障現(xiàn)象較為單一且固定的,可以優(yōu)先采取二分法進(jìn)行判斷:而對于故障現(xiàn)象復(fù)雜多變,沒有確定現(xiàn)象的,則應(yīng)進(jìn)行專項分析。

(2）先硬件后電纜。在分析Profibus-DP通信故障時,往往先檢查DP接頭、通信裝置接口等硬件的好壞:如果已經(jīng)確認(rèn)硬件正常,那么可以考慮通過測量相應(yīng)故障段的DP電纜阻值等手段來檢測電纜質(zhì)量,或者在方便操作的情況下直接更換電纜測試。

(3）先基礎(chǔ)后專項。在排查Profibus-DP通信故障過程中,應(yīng)該重視檢查DP接頭接線、DP電纜安裝是否規(guī)范等基礎(chǔ)工作,有時復(fù)雜的故障現(xiàn)象往往是由簡單的失誤造成的:在基礎(chǔ)排查完成后,如果故障仍然存在,就應(yīng)該選擇故障特征最為明顯的方向進(jìn)行專項分析。

(4）先宏觀后微觀。尤其在遇到Profibus-DP通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)閃斷、數(shù)據(jù)丟失或者其他一些無規(guī)律的復(fù)雜故障時,首先應(yīng)該從宏觀上排查硬件狀態(tài)、電纜質(zhì)量、安裝規(guī)范等具有比較明確的判斷標(biāo)準(zhǔn)的部分:如果故障依舊存在,就要轉(zhuǎn)而考慮信號傳輸強度或者信號干擾等微觀層面的問題,這些問題往往沒有一個明確的表征指向,也不可能花費大量的人力物力進(jìn)行專業(yè)檢測,主要通過試驗法排除。

4結(jié)語

本文所述的故障現(xiàn)象,由于故障發(fā)生在特殊時間,復(fù)雜多變,且全國范圍內(nèi)沒有找到可參考的范例,多次咨詢西門子專業(yè)技術(shù)人員,也沒有得到有效的處理建議,所以前后耗時三年才將該故障徹底解決?；仡^分析,可以判定該故障其實是由兩個因素共同作用導(dǎo)致,即溫度和信號干擾。

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