Diagnostika fyzickej vrstvy zbernice Profibus-DP

 

 

 

Profibus je celosvetovo rozšírená a osved­čená priemyselná komunikačná zbernica, kto­rá umožňuje komunikáciu zariadení od rôz­nych výrobcov. Napriek jej overenej spo­ľahlivosti môže pri dlhodobom používaní v prevádzkových podmienkach nastať po­stupné zhoršovanie parametrov komuniká­cie až po jej úplné prerušenie so závažnými dôsledkami na výrobu. Týmto problémom, ako aj prípadným chybám obsluhy pri inšta­lácii a konfigurácii zbernice je možné pred­chádzať vhodnými diagnostickými nástrojmi a metódami.

 

Profibus má pravidlá a odporúčania, kto­ré eliminujú možnosť vzniku problémov. Pri projektovaní a inštalácii je potrebné do zber­nice pripájať iba testované alebo certifikované zariadenia, káble s odporúčanými vlastnosťa­mi (typ A), odporúčané konektory, opakova­če, ukončovacie členy (terminátory) a dodr­žiavať líniovú topológiu zbernice. Na všetky tieto komponenty vplýva okolité prostredie teplotnými cyklami, vibráciami, náhodnými deformáciami alebo čiastočným mechanic­kým poškodením. Ďalej má na vznik prob­lémov vplyv prirodzené starnutie materiálu, oxidácia konektorov, účinky chemických látok v prostredí a všadeprítomné elektromag­netické rušenie. Úlohou diagnostiky je dete­kovať chybu, zistiť, o aký typ poruchy ide, a lokalizovať ju v rámci daného segmentu zbernice Profibus. Na to sú potrebné diagnos­tické metódy a postupy, vhodné diagnostické nástroje a rovnako vyškolení experti.

 

Profibus používa rôzne fyzické vrstvy pre prenos signálov podľa štandardu IEC 61158. Uvedené experimenty sa týkajú výlučne zber­nice Profibus-DP založenej na RS-485.

 

RS-485 je veľmi často používaná fyzická vrstva prenosových sietí, ktorá používa tie­nenú skrútenú dvojlinku a dovoľuje dosiah­nuť prenosovú rýchlosť 9,6 kb/s až 12 Mb/s. V jednom segmente môže byť pripojených maximálne 32 zariadení v líniovej štruktú­re (obr. 1). Od použitej prenosovej rýchlos­ti závisí maximálna vzdialenosť zariadení v jednom segmente [2]. Oba konce každého segmentu musia mať aktívne ukončenie tzv. ukončovacím členom (terminátor) s trvalým napájaním, viď obr. 1. Obyčajne sú termináto­ry integrované do konektorov a dajú sa zapnúť alebo vypnúť ručným vypínačom. Tienenie kábla musí byť uzemnené na oboch stranách.

 

Pri použití opakovačov (repeater) je mož­né zvýšiť počet zariadení až na 126, pritom opakovač nemá adresu, ale počíta sa do počtu zariadení daného segmentu. Je dovolené použiť maximálne deväť opakovačov. Parametre odporúčaného kábla typu A sú v [2].

 

Profibus-DP používa asynchrónnu komuni­káciu s kódovaním NRZ (Non Return to Zero) a symetrické napäťové impulzy, ktoré sú špeci­fikované podobne ako v RS-485, len napäťový rozdiel medzi vodičmi A a B je nominálne 5 V.

 

Usporiadanie experimentálnej siete Pro­fibus-DP je na obr. 2. Testovaná sieť typu zbernica pozostáva z piatich zariadení master triedy 1 – stanice M (päť PLC typu Simatic S7-300), zo šiestich slave – staníc S (dva komunikačné prevodníky, dva bloky vzdia­lených IO, dva meniče frekvencie), dvoch ukončovacích členov (terminátory – T) a ge­nerátora porúch označeného error. V testova­nej sieti počas experimentu boli pasívne pri­pojené inžinierske stanice kartou CP 5611 (päť PC). Tieto PC nie sú na obr. 2 vyznače­né, pretože počas experimentu nekomuniko­vali, ale svojim pripojením pasívne ovplyvňovali fyzickú vrstvu Profibusu-DP. Celkový

 

počet pripojených zariadení je teda šestnásť, z toho jedenásť aktívne komunikuje prenoso­vou rýchlosťou 1,5 Mb/s. Komunikačné sig­nály boli merané postupne v piatich meracích bodoch testerom PB-T3 pripojeným na sta­nice s adresami Profibus 2, 22, 32, 56 a 53.

 

Tester PB-T3 poskytuje prehľad o kvalite signálov na celej zbernici Profibus-DP a rov­nako tak o každom zariadení v sieti Profibus--DP. Neovplyvňuje komunikačné signály, len pasívne monitoruje nakonfigurovanú komu­nikačnú prevádzku na zbernici. Prvou a nut­nou podmienkou teda je, aby stanice v testo­vanom segmente boli nakonfigurované a na­vzájom komunikovali. Vyhodnotenie kvality je založené na niekoľkých presne definova­ných parametroch signálov:

Všetky tieto vlastnosti signálov sú ag­regované do jediného ukazovateľa kvality v rozsahu 0 až 5 000, ktorý je zobrazovaný v podobe stĺpcových grafov, obr. 4 až obr. 7. Akceptovateľná kvalita signálu má úroveň 2 500 až 5 000. Napríklad graf na obr. 4. ze­lenou farbou ukazuje vysokú kvalitu komu­nikácie všetkých jedenástich komunikujú­cich staníc (zobrazených postupne podľa ad­ries), ktorá bola nameraná v meracom bode 2. V inom meracom bode, 22 (obr. 4), graf v strede žltou farbou ukazuje zhoršenú kvalitu signálu u staníc slave s adresami 4, 3, 13, 14.

 

Je teda zrejmé, že pri testovaní zbernice sa rozlišuje tzv. merací bod, t.j. miesto, kde je tes­ter fyzicky pripojený, a meraný zdroj signálu, ktorý je reprezentovaný adresami komuniku­júcich staníc. Pre detekciu a lokalizáciu poru­chy treba minimálne merať v dvoch meracích bodoch. Podľa výsledkov merania a zložitos­ti problému sa pridávajú ďalšie meracie body. Tester identifikuje zdroj signálu analýzou tele­gramu Profibus (frame), ktorý obsahuje adresu zdroja signálu. Tak je možné okrem celkovej kvality signálu pozorovať a hodnotiť aj prie­beh napäťových impulzov relevantného tele­gramu. Tester PB-T3 zisťuje aj strmosť rastúcich a klesa­júcich hrán jednotlivých im­pulzov príslušného telegra­mu. Dobu nárastu a poklesu impulzu vyhodnocuje s roz­líšením jednej šestnástiny bitového intervalu vo vzťa­hu k nastavenej prenosovej rýchlosti, ktorú si tester au­tomaticky vyhodnotí na za­čiatku merania. Priebeh aj hodnotenie strmosti hrán sú spolu s ďalšími informáci­ami integrované v aplikač­nom softvéri, a tak je mož­né analyzovať rôzne problémy „na kábli Pro­fibus“ pomocou obrazovky PC.

 

Poruchy na úrovni fyzickej vrstvy zbernice Profibus boli simulované jednoduchým elek­tronickým obvodom, ktorého zapojenie je na obr. 3. Uvedený obvod bol pripojený na zberni­cu medzi stanicami M 32 a S 56, podľa obr. 2.

 

Spôsob detekcie problémov na zbernici Profibus-DP bude demonštrovaný na štyroch typických poruchách, a to sú: nadbytočné ukončovacie rezistory, nesprávny alebo po­škodený kábel, prerušené vedenie a velký prechodový odpor.

 

Pri inštalácii nových zariadení alebo pri inštalácii siete môže dôjsť k zapojeniu ukon­čovacích rezistorov aj na zariadeniach, ktoré nie sú poslednými zariadeniami na zbernici. Pri takomto type poruchy sa zníži hodnota odporu medzi dátovými vodičmi zbernice, čo bolo pri meraní simulované zapojením re­zistora R1 medzi vodiče A, B (obr. 3). Me­ralo sa v troch meracích bodoch, a to na sta­niciach M 2, M 22 a M 52. Výsledky mera­ní sú na obr. 4.

 

Grafy kvality signálu neposkytujú infor­mácie dostatočné na identifikáciu a lokali­záciu poruchy. Preto je nutné vyhodnotiť aj priebehy signálov. Za týmto účelom boli za­znamenané signály staníc M 32 a S 56 v me­racom bode M 52. Z priebehov signálov je zrejmý pokles kľudového napätia zbernice z 1,1 V na menej ako 1 V. Môže to mať dve príčiny. Prvou je nadbytočný ukončovací re­zistor. Druhou príčinou môže byť nepripoje­nie napájacieho napätia na niektorý z ukončo­vacích členov. Poruchu je možné lokalizovať vyhodnotením strmosti hrán signálov. Preto­že hrany signálu stanice M 32 sú oveľa širšie ako hrany signálu zo stanice S 56, je možné usudzovať, že v tomto prípade porucha nastá­va na stanici S 56 alebo v jej blízkosti.

 

Ďalší typ poruchy je simulovaný zapoje­ním prídavného kondenzátora medzi vodiče vedenia A, B. V praxi môže táto situácia na­stať pri použití nesprávneho typu kábla (so zvýšenou kapacitou medzi vodičmi) alebo pri mechanickom namáhaní kábla, t.j. pri jeho ohýbaní alebo stlačení. Výsledky me­rania v troch meracích bodoch (M 2, M 22, M 52) sú na obr. 5.

 

Z grafov kvality signálu je možné určiť približné miesto poruchy, ktorým je pravý ko­niec zbernice (pravý koniec zbernice je repre­zentovaný stanicou M 52). Tento predpoklad potvrdzuje priebeh signálu stanice M 2 zazna­menaný v meracom bode M 2 (viď ľavý os­cilogram na obr. 5). Na priebehu sú zreteľné odrazy s oneskorením 520,8 ns, z ktorých je možné lokalizovať miesto poruchy na zákla­de vzťahu (1). Táto metóda je použiteľná len vtedy, ak je zdroj signálu zároveň meracím bodom. Výpočtom stanovené miesto odrazu je vzdialené 59,9 m od meracieho bodu a to je v dobrej zhode so skutočnou vzdialenosťou, viď obr. 5 a obr. 2.

 

l_err = 1/2 v_sigt_d     (1)

 

kde

l_err je vzdialenosť meracieho bodu od miesta odrazu signálu (m),

v_sig rýchlosť šírenia signálu vodičom (v_sig = 230,106 m/s),

t_d čas, ktorý sa skladá z času potrebného na prenos signálu zo zdroja k miestu odrazu a naspäť k meraciemu bodu (s).

 

Odrazy zaznamenané v meracom bode M 52 majú vyššiu amplitúdu a oveľa menšie oneskorenie (viď pravý oscilogram na obr. 5). Príčinu poruchy je možné zistiť podľa tvaru odrazov, ktoré poukazujú na zvýšenú kapa­citu vo vedení.

 

Vplyvom mechanického poškodenia vodi­čov zbernice môže dôjsť k prerušeniu vodičov vedenia. Výsledkom je úplné prerušenie ko­munikácie medzi oddelenými časťami zber­nice a odrazy vznikajúce v mieste prerušenia. Porucha je simulovaná prepnutím prepínačov Pr 3, Pr 4 tak, aby boli prerušené dátové vo­diče zbernice A, B (obr. 3). Výsledky mera­nia v troch meracích bodoch (M 2, M 32, M 52) sú na obr. 6.

 

Pri lokalizácii poruchy je nutné vychádzať z grafov zaznamenaných minimálne na oboch koncoch zbernice. Pretože tester PB-T3 pri vyhodnocovaní kvality signálu berie do úva­hy len správy prenášané v rámci komuniká­cie master-slave, môže sa stať, že v grafoch nie sú zobrazené stanice, ktoré sú pripoje­né na danú časť zbernice. Príkladom je sta­nica S 56, ktorá je podriadená stanici M 32. V dôsledku prerušenia vodičov zbernice me­dzi stanicami M 32 a S 56 nie je medzi nimi možná cyklická komunikácia. Pri vyhodno­covaní kvality signálu v meracom bode M 52 neprijíma stanica S 56 žiadnu výzvu od stanice typu master (M 32). V takom prípade je potrebné vykonať ďalšie merania na stani­ciach, ktoré neboli v predchádzajúcich mera­niach detekované. Na obr. 6 je za týmto úče­lom zobrazený priebeh signálu stanice M 52 meraného na stanici S 56.

 

Pri inštalácii siete alebo pridávaní nových zariadení môže dôjsť ku odpojeniu alebo ne­zapojeniu ukončovacieho rezistora na posled­nom zariadení na zbernici. Pri takomto type poruchy koniec zbernice nie je impedančne prispôsobený a na vedení vznikajú typické odrazy signálov. Úroveň kvality bola meraná v troch meracích bodoch, a to na staniciach M 2, M 22 a M 52. Z grafov na obr. 7 je zrej­mé, že komunikácia úplne zaniká na strane chýbajúceho ukončenia zbernice. Problém s chýbajúcim ukončovacím členom (terminá­torom) treba pri diagnostike vylúčiť ako prvý, ešte pred hľadaním ostaných porúch.

 

Pre úplnosť boli zaznamenané priebehy signálov zo stanice M 52, ktorá je na vzdia­lenom opačnom konci od simulovaného prob­lému a má správne ukončenie. Na oscilosko­pických priebehoch v oboch meracích bodoch M 22 aj M 52 je vidieť odrazy na vedení v po­dobe prekmitov a podkmitov. Ako je nazna­čené na obr. 7, oneskorenie odrazeného im­pulzu súvisí podľa vzťahu (1) s jeho vzdiale­nosťou od ľavého konca zbernice. V prípade meracieho bodu M 22 je to približne 38 m (333 ns) a v prípade M 52 64,5 m (562 ns), t.j. celková dĺžka zbernice.

 

Uvoľňovaním kontaktov na konektoroch a ich oxidáciou môže dôjsť ku zväčšeniu pre­chodového odporu v dátových vodičoch zber­nice. Porucha spôsobí zmenu úrovní signá­lov. Táto situácia je simulovaná zaradením rezistora R 2 do série s dátovým vodičom B (obr. 3). Merania boli vykonané v troch me­racích bodoch: M 2, M 22 a M 52. Výsledky meraní sú na obr. 8.

 

Z grafov kvality signálu staníc je možné lokalizovať poruchu – v tomto prípade me­dzi stanicami M 32 a S 56. Dôvod pre ten­to záver je nasledujúci. Stanica M 2 prijíma signály s vysokou kvalitou zo staníc s adre­sami 2 až 32, ale naproti tomu prijíma sig­nály s nízkou kvalitou zo staníc s adresami 56 až 52. Pri meraní na stanici M 52 je situ­ácia opačná. Stanica M 52 prijíma kvalitný signál zo staníc s adresami 56 až 52 a nekva­litný signál staníc 2 až 32. Príčina poruchy je znateľná z priebehov signálov. Vysoká str­mosť hrán nepoukazuje na problém s kapaci­tou vedenia. Avšak odrazy a útlm signálu uka­zujú zmenu parametrov vedenia – konkrétne rezistor zaradený do série s jedným vodičom vedenia, čo sa prejavuje nesymetrickým útlmom signálu.

 

 

V predchádzajúcich častiach sú prezento­vané diagnostické experimenty pre vybrané problémy, ktoré sa môžu vyskytnúť v systé­moch so zbernicou Profibus. Príznaky výsled­kov meraní simulovaných porúch sú sumari­zované v tab. 1. Niektoré poruchy sa preja­vujú typickými príznakmi, vďaka ktorým je možná ich jednoznačná identifikácia. Napríklad zníženie odporu medzi dátovými vodič­mi zbernice sa prejavuje poklesom kľudového napätia zbernice (obr. 4), čo nenastáva pri os­tatných poruchách. Podobne zvýšená kapaci­ta vedenia sa prejavuje odrazmi signálu s ty­pickým pílovitým priebehom (obr. 5). Takisto zvýšený prechodový odpor na konektore ale­bo inej časti vedenia spôsobí pokles kladnej alebo zápornej úrovne signálu (obr. 8). Poru­chy, pri ktorých dochádza k rozpojeniu ve­denia, ako je prerušenie vedenia alebo nepri­pojený ukončovací člen, sú identifikovateľné jedine na základe tvaru odrazov signálu a lo­kalizovať ich je nutné na základe vyhodnote­nia kvality signálu staníc v rôznych meracích bodoch. Ak nie je pripojený ukončovací člen, v mieste, kde má byť pripojený, je detekova­ný signál s najnižšou kvalitou alebo výpadok cyklickej komunikácie medzi zariadeniami master a slave (timeout). Tieto vybrané expe­rimenty demonštrujú len časť komunikačných problémov na zbernici Profibus. K uvede­ným problémom je možné pridať ďalšie, ako je nepripojenie napájacieho napätia na niek­torý z ukončovacích členov, úplne chýbajúci ukončovací člen, postupný pokles kvality sig­nálu spôsobený veľkou impedanciou vedenia (s rozloženými parametrami), príliš veľa sta­níc na zbernici, príliš veľká prenosová rých­losť pre použitú dĺžku kábla, nízke napätie budiča zbernice niektorej zo staníc (stanica bez certifikácie). Ďalšie problémy môžu byť kombináciou týchto porúch na úrovni fyzickej vrstvy. Môžu byť tiež kombinované s ne­správnou konfiguráciou niektorých staníc. Pre diagnostiku protokolu vyšších vrstiev sa po­užívajú iné diagnostické nástroje.

 

Profibus je rozšírený štandardný protokol pre číslicovú komunikáciu v rozmanitých priemyselných úlohách. Jeho spoľahlivosť je jedným z kľúčových faktorov pre nepretržitú produkciu alebo trvalú prevádzkyschopnosť strojov. Správna funkcia systémov s Profibu­som je podmienená hardvérovými faktormi a konfiguráciou komunikačných rozhraní za­riadení. Profylaktické vyhodnocovanie kvality prenosu signálu je však možné len s použitím špeciálnych nástrojov. Každá porucha má včasné varovné signály v podobe zníže­nia kvality signálov, čo je možné preventív­ne monitorovať diagnostickými nástrojmi pre fyzickú vrstvu alebo nástrojmi pre kontrolu protokolu. Tieto nástroje zvyšujú produkti­vitu výroby vďaka periodickej preventívnej diagnostike, alebo môžu byť koncipované pre trvalé monitorovanie kvality komuniká­cie s okamžitou signalizáciou problémov na zbernici, a tak sa vyhnúť vážnejším poruchám ešte skôr, ako nastanú. Diagnostické nástroje by mali používať kvalifikovaní používatelia, ktorí dokážu správne interpretovať namerané údaje a určiť príčinu porúch. Článok je príspevkom k rozšíreniu poznatkov o metódach diagnostiky porúch na úrovni fyzickej vrstvy priemyselného protokolu Profibus-DP.

[1] PNO: PROFIBUS Technology and Application. PROFIBUS Nutzerorganisation e. V., Germany, 2002.

[2] Softing: PROFIBUS tester 3, User Manual. Softing AG, Germany, 2005.

[3] FOLTIN, M. – MURGAŠ, J.: Sieťové riadenie procesov – formulácia a trendy. In: EE časopis pre elektrotechniku a energetiku, 2007, roč. 13, mimoriadne číslo, s. 292–295, ISSN 1335-2547.

[4] ŽDÁNSKY, J. – HRBČEK, J. – ZELENKA, J.: Trends in Control Area of PLC Reliability and Safety Parameters. Advances in Electri­cal and Electronic Engineering, vol. 7/2008, p. 239–242, ISSN 1336-1376.

[5] PNO: PROFIBUS Installation Guideline for Cabling and Assembly. PROFIBUS Nutzerorga­nisation e. V., Germany, 2006. Dostupné na www.profibus.com/downloads/, cit. 25. 3. 2011.

katedra řídicí techniky FEL ČVUT v Praze

 

 

Obr. 1. Vzájomné prepojenie zariadení v komunikačnom segmente zbernice Profibus-DP