Sieć Profibus DP - szybka i skuteczna diagnostyka

Na sukces sieci Profibus złożyło się bardzo wiele czynników:

• sieć Profibus jest otwarta oraz uniwersalna dla producentów i użytkowników,
• umożliwia integrację wielu systemów automatyki dzięki powszechności jej zastosowania,
• pozwala zredukować koszty związane z okablowaniem instalacji rozproszonych,
• dzięki licznym profilom komunikacyjnym oferuje możliwości zastosowania w różnych aplikacjach przemysłowych.

Rys. 1. Podgląd statusu sieci Profibus on-line

Rys. 2. Podgląd rozszerzonej diagnostyki stacji DP Slave

Profibus DP dzięki swojej funkcjonalności i otwartości wspiera komunikację pomiędzy urządzeniami różnych producentów. Początkowo protokół sieci dostępny był w wersji DP-V0, umożliwiając cykliczną wymianę danych oraz diagnostykę stacji i modułów, z czasem pojawiły się rozszerzenia DP-V1 oraz DP-V2, wprowadzając nowe możliwości, m.in. acykliczną wymianę danych (DP-V1) czy tryb izochroniczny (DP-V2).

TYPOWE PROBLEMY WYSTĘPUJĄCE W SIECI PROFIBUS DP

Do najczęściej spotykanych przyczyn problemów w sieci Profibus DP powodujących trwały lub okresowy brak komunikacji można zaliczyć:

• nieprawidłowe wykonanie instalacji sieci Profibus - m.in. ułożenie kabli niezgodnie z zaleceniami (np. niezachowanie wymaganych odległości od kabli siłowych), niewłaściwa instalacja i podłączenie konektorów, zmniejszenie odporności na zakłócenia poprzez przerwanie lub nieprawidłowe podłączenie ekranu kabla, użycie komponentów niezgodnych ze specyfikacją,
• zbyt duża liczba urządzeń w sieci/segmencie,
• przekroczenie dopuszczalnej długości kabla w sieci/ segmencie przy danej prędkości sieci,
• brak lub nieprawidłowa terminacja na zakończeniach linii/segmentu powodująca pogorszenie jakości sygnału elektrycznego w sieci Profibus DP, szczególnie przy większych prędkościach,
• uszkodzenia kabla (np. przerwa lub zwarcie jednej z linii danych lub ekranu),
• uszkodzenie mechaniczne światłowodu w przypadku wykorzystania jako warstwy fizycznej kabli światłowodowych.

ZWIĘKSZANIE NIEZAWODNOŚCI I OKRESOWA KONTROLA SIECI PROFIBUS DP

Ważnych aspektem już na etapie projektowania sieci komunikacyjnej jest uwzględnienie wszystkich zaleceń związanych z prawidłowym przygotowaniem i wykonaniem sieci Profibus. Podczas fazy projektu należy rozważyć, jaka będzie struktura sieci, jakie będą maksymalne dopuszczalne odległości pomiędzy węzłami sieci przy ustalonej prędkości, czy istnieje potrzeba dzielenia sieci na segmenty w przypadku dużej liczby urządzeń, czy przewidziano złącza umożliwiające podpięcie urządzeń diagnostycznych, itp.

Rys. 3. Podgląd zawartości bufora diagnostycznego stacji DP master

Rys. 4. Informacje diagnostyczne odczytane z repeatera diagnostycznego za pomocą pakietu SIMATIC Manager

Kolejnym ważnym krokiem jest prawidłowe wykonanie sieci - m.in. używanie komponentów od renomowanych dostawców, ułożenie kabli oraz montaż złączy zgodnie z zaleceniami. Uwzględnienie wszystkich tych aspektów pozwala uniknąć długotrwałych i kosztownych przestojów wynikających z awarii sieci Profibus. Ponieważ żadne urządzenie ani sieć nie jest doskonała, nie należy tutaj zapominać o okresowym przeglądzie i kontroli całej sieci zarówno przy użyciu standardowych narzędzi, jak i przy wykorzystaniu dedykowanych urządzeń takich jak testery sieci.

DIAGNOSTYKA SIECI PRZY WYKORZYSTANIU OPROGRAMOWANIA INŻYNIERSKIEGO

Dzięki wieloletniemu procesowi dopracowywania sieć Profibus DP cechuje się dużą stabilnością i niezawodnością. Do konfiguracji i zarządzania siecią Profibus wykorzystywane są dostępne programy inżynierskie, w przypadku firmy Siemens oprogramowanie Step7 wchodzące w skład pakietu SIMATIC Manager (dla systemów SIMATIC S7) oraz oprogramowanie COM Profibus (dla starszych systemów SIMATIC S5). Narzędzia te umożliwiają również uzyskanie informacji o statusie komunikacji z konkretną stacją DP Slave. Przykład podglądu statusu komunikacji w oprogramowaniu Step 7 przedstawiono na rysunku 1.

Informacje statusowe udostępniane przez stacje Profibus DP umożliwiają użytkownikowi wykrycie i zdiagnozowanie błędów takich jak:

• niedostępność danej stacji w sieci,
• błąd w konfiguracji stacji,
• nieprawidłowa parametryzacja stacji.

Duża grupa urządzeń DP Slave udostępnia również rozszerzone informacje diagnostyczne umożliwiające zdiagnozowanie błędów stacji typu:

• brak lub uszkodzenie jednego z modułów w stacji DP Slave,
• brak zasilania zewnętrznego modułu w obwodach wykonawczych,
• błąd konkretnego modułu stacji DP Slave (np. moduł cyfrowy DO, slot 6, kanał 0, przerwa w obwodzie),
• przerwa w pętli prądowej w obwodzie pomiarowym kanału analogowego.

Rys. 5. Odczyt topologii sieci z  repeatera diagnostycznego za pomocą pakietu SIMATIC Manager

Rys. 6. Kompaktowy tester/analizator Profibus Tester 4 (PB-T4) firmy Softing

Przykład podglądu statusu stacji DP Slave z rozszerzonymi informacjami diagnostycznymi przedstawiono na rysunku 2. W przypadku chwilowej awarii stacji DP Slave oprócz podglądu statusu sieci Profibus online pomocna może być analiza bufora diagnostycznego stacji DP Master, w którym zapisana została czasowa sekwencja zdarzeń. Prawidłowa analiza komunikatów diagnostycznych pozwala na uzyskanie informacji, co działo się w systemie przed wystąpieniem zdarzenia i która stacja zgłosiła błąd jako pierwsza. Przykład podglądu zawartości bufora diagnostycznego stacji DP Master przedstawiono na rysunku 3.

MONITORING SIECI PROFIBUS DP ONLINE - REPEATER DIAGNOSTYCZNY

Oprogramowanie inżynierskie typu Simatic Manager przekazuje informację o dostępności poszczególnych stacji DP Slave sieci, statusie komunikacji oraz ewentualne informacje diagnostyczne. W przypadku wystąpienia awarii (np. zwarcie w kablu lub brak terminacji) uzyskamy jedynie informację o braku komunikacji bez podania miejsca wystąpienia uszkodzenia. W takim przypadku bardzo pomocny może okazać się repeater diagnostyczny (ang. Diagnostic Repeater) monitorujący online sieć Profibus DP podczas jej pracy.

Urządzenie to umożliwia wykrycie błędów takich jak: przerwanie kabla Profibus, zwarcie linii danych czy też brak terminacji, łącznie z podaniem odległości od miejsca wystąpienia uszkodzenia. Informacje te mogą zostać odczytane poprzez urządzenie DP master i wyświetlone (w sposób tekstowy lub graficzny) na podłączonym urządzeniu HMI (panel operatorski lub system SCADA) lub odczytane za pomocą oprogramowania inżynierskiego Simatic Manager.

Przykład informacji diagnostycznej udostępnionej przez Repeater Diagnostyczny przedstawiono na rysunku 4. Z odczytanej informacji wynika, że pomiędzy stacją DP slave o adresie 3 a stacją o adresie 44 wystąpiło zwarcie linii danych do ekranu w odległości 3,5 m od stacji DP slave o adresie 3. Dodatkowo repeater diagnostyczny umożliwia pomiar długości kabla i graficzne przedstawienie topologii sieci Profibus DP (rys. 5).

DIAGNOSTYKA I ANALIZA SIECI PROFIBUS DP Z WYKORZYSTANIEM DEDYKOWANYCH NARZĘDZI

Do diagnostyki i oceny jakości warstwy fizycznej sieci Profibus DP wykorzystywane są dedykowane przenośne testery okablowania (np. BT-200 firmy Siemens) oraz opcjonalnie odpowiedni oscyloskop do wyświetlenia przebiegu sygnału sieci Profibus. Należy tu zaznaczyć, że większość dostępnych na rynku testerów okablowania wymaga wykonania pomiarów przy nieaktywnej jednostce DP master, czego konsekwencją często jest przestój całej linii produkcyjnej.

Rys. 7. Wynik podstawowego testu sieci Profibus DP wykonany za pomocą testera PB-T4

Rys. 8. Wynik pomiaru jakości sygnału na poszczególnych stacjach DP w sieci Profibus

Z kolei analiza przebiegu sygnału Profibus uzyskanego za pomocą uniwersalnego oscyloskopu wymaga odpowiedniej wiedzy i doświadczenia. W przypadku problemów na poziomie warstwy komunikacji przydatny może okazać się analizator protokołu, który umożliwia podgląd i rejestrację ramek komunikacyjnych wraz z ich interpretacją. Kolejną grupę narzędzi diagnostycznych stanowią kompaktowe testery sieci Profibus, które umożliwiają w szybki i przejrzysty sposób analizę i diagnostykę zarówno warstwy fizycznej (okablowania), jak i warstwy komunikacji.

Przykładem takiego urządzenia jest przenośny tester Profibus Tester 4 (PB-T4) firmy Soft ing (rys. 6). Tester PB-T4 może pracować w dwóch trybach: jako samodzielne urządzenie (umożliwia przeprowadzenie szybkiego testu sieci) lub w połączeniu z komputerem PC (umożliwia przeprowadzenie bardziej zaawansowanej diagnostyki). Urządzenie to pozwala w krótkim czasie uzyskać podstawowe informacji o stanie sieci Profibus DP podczas normalnej pracy jak również w przypadku awarii, co jest szczególnie ważne dla służb utrzymania ruchu. Przykładowy wynik podstawowego testu przedstawiono na rysunku 7.

Osoba dokonująca diagnostyki w czytelny i intuicyjny sposób otrzymuje wstępną informację, czy w sieci Profibus występują problemy. W przypadku wykrycia problemów w sieci tester udostępnia szereg narzędzi pozwalających na szczegółowe zdiagnozowanie ich przyczyny. Do oceny warstwy fizycznej bardzo przydatny jest pomiar jakości sygnału na poszczególnych stacjach DP, którego wynik przedstawiony jest w postaci bargrafu (rys. 8).

Uzupełnieniem oceny jakości sygnału elektrycznego w sieci Profibus jest podgląd jego przebiegu na wbudowanym w tester oscyloskopie (rys. 9). Funkcjonalność ta umożliwia podgląd i ocenę sygnału na wybranej stacji DP slave, dzięki czemu w prosty sposób można wykryć problemy związane z zakłóceniami, nieprawidłową terminacją czy wzrostem rezystancji połączeń. Kolejnym krokiem w ocenie, czy sieć Profibus pracuje prawidłowo, jest analiza na poziomie warstwy komunikacji pozwalająca na wykrycie i ocenę zdarzeń, które mają miejsce w sieci m.in.:

• powtórzenia transmisji dla poszczególnych stacji DP,
• nieprawidłowy format odpowiedzi stacji DP,
• informacje diagnostyczne zwracane przez stacje DP slave,
• czas cyklu sieci.

Informacje uzyskane z analizatora pozwalają ocenić stabilność sieci Profibus. Przykład analizy ramek komunikatów przedstawiono na rysunku 10. Bardzo często problemy w sieci Profibus korygowane są na poziomie protokołu (powtórzenie zapytania) bez sygnalizowania tej sytuacji w jednostce DP master, w wyniku czego użytkownik nie podejrzewa możliwych kłopotów z siecią. Przeprowadzenie analizy sieci za pomocą testera pozwala wcześnie wykryć możliwe błędy i zapobiec kosztownym awariom i przestojom.

Rys. 9. Podgląd przebiegu sygnału na wybranej stacji DP za pomocą oscyloskopu wbudowanego w tester PB-T4

Rys. 10. Analiza ramek komunikatów w sieci Profibus

PODSUMOWANIE

Na zakończenie należy podkreślić, że na skuteczną diagnozę sieci Profibus DP składają się dwa elementy:

• narzędzia diagnostyczne, jakimi dysponuje diagnosta (m.in. oprogramowanie inżynierskie, dedykowane testery do analizy i diagnostyki sieci Profibus),
• fachowa wiedza umożliwiająca analizę informacji dostarczanych przez urządzenia diagnostyczne.

Połączenie tych dwóch elementów pozwala wdrożyć działania prewencyjne podczas wykonywania nowej lub analizy istniejącej sieci Profibus DP, a w przypadku wystąpienia awarii w szybki sposób ustalić jej przyczynę.

Robert Gałązka
Encon Sp. z o.o.
www.encon.pl