Princip diagnostiky sítí PROFIBUS

V tomto článku naleznete základní informace o principech diagnostiky a monitorování průmyslových sítí typu PROFIBUS

Typy sítí PROFIBUS

PROFIBUS DP (Decentralized Peripherals) slouží k připojení senzorů a akčních členů k řídícímu systému. Jedná se o nejčastěji nasazovaný typ sítě PROFIBUS. Datová propustnost je až 12 Mbit/s při použití kroucené dvojlinky (možné je také použití optických kabelů). Topologie sítí PROFIBUS DP je zpravidla liniová, i když existují speciální repeatery, které umožňují tvorbu odboček a složitějších topologií. Každý segment sítě PROFIBUS DP musí být ukončen terminátorem (resistorem, který zabraňuje odrazu signálu na konci vodiče). Komunikace je typu MASTER-SLAVE, což znamená, že komunikaci iniciuje zařízení MASTER (zpravidla PLC) a zařízení SLAVE odpovídají. Zařízení typu SLAVE mezi sebou přímo nekomunikují, komunikaci vždy musí zprostředkovat zařízení typu MASTER. Komunikace je typu HALF-DUPLEX, tzn. že v jednom okamžiku může probíhat komunikace na síti mezi MASTER a SLAVE pouze jedním směrem.
PROFIBUS PA (Process Automation) používá rozšířenou normu Profibus DP a je určen pro řízení pomalých procesů zvláště ve výbušném prostředí (Ex-zóna 0 a 1), neboť odpovídá jiskrové bezpečnosti. Aby bylo možné síť využívat v tomto prostředí, je použita i speciální fyzická vrstva – proudová smyčka podle standardu IEC 1158-2 komunikující stálou rychlostí 31,25 Kibit/s.

Na úrovni fyzické vrstvy PROFIBUS se používají různé typy vedení, ale jednoznačně nejrozšířenější je RS 485. Maximální přenosová rychlost RS 485 je 12 Mbit/s. Zařízení jsou propojena sběrnicovou topologií pomocí kabelu typu A (stíněná kroucená dvojlinka). Na jeden segment sběrnice může být připojeno maximálně 32 zařízení, pomocí opakovačů (repeater) pak lze propojit až 126 zařízení. Pomocí převodníků je možné převádět elektrický signál na signál optický. Optické kabely jsou vhodné pro přenosy dat na větší vzdálenosti a nejsou ovlivněny EMC rušením.

PROFIBUS DP

Se sítěmi typu PROFIBUS DP se v automatizační praxi setkáváme nejčastěji. Komunikace probíhá zpravidla kabeláží ve formě kroucené dvojlinky se stíněním (metalický oplet kabelu). Přenos signálu je realizován diferenciální (rozdílovou) signalizací. Nejedná se tedy o změnu napětí vůči společné zemi, ale o zaslání dvou signálů s opačnou polarizací dvěma samostatnými vodiči (A, B).

Výsledný signál = signál B minus signál A

Největší výhodou tohoto typu přenosu signálu je fakt, že jsou-li oba tyto vodiče rušeny symetricky (oba přibližně stejně), výsledný signál je čistý, neboť se obě rušení ve vodičích A a B navzájem odečetla.

Rozdíl napětí mezi vodiči A a B by měl být minimálně 4V a maximálně 7V. Signál A a B je měřen vůči zemi (DGND). Rozdíl v amplitudách signálu A a B by neměl být větší než 0,5V. Klidová hladina napětí by měla být cca 1V.

Ideální forma PROFIBUS signálu

PROFIBUS waveform — *Vzorová forma PROFIBUS signálu za ideálních podmínek*

Reálná forma PROFIBUS signálu

profibus osciloscope signal — *Skutečný PROFIBUS signál změřený v praxi (osciloskop)*

Nejčastější příčiny problémů v sítích PROFIBUS DP

80% problémů

chyba v instalaci/kabeláži
zkrat v kabelu/přerušená linka
zkrat v konektoru
špatně připojený konektor
špatné ukončení segmentů (odpory)
chyba v napájení ukončovacích prvků segmentu
odpojená zařízení na lince (neukončené odbočky)
špatné uzemnění
příliš dlouhé kabely (útlum signálu)
příliš krátké kabely (odrazy signálu)
problém stínění/elektromagnetické rušení
špatná topologie sítě (odbočky, …)

20% problémů

špatné nastavení stanic (MASTER/SLAVE)
špatné nastavení řídícího systému
chybné nastavení adresování stanic
špatně nastavená rychlost komunikace (bus cycle time)
nekompatibilní software/firmware zařízení

Příčiny deformací/zkreslení průběhu signálu

Příliš dlouhé kabely

Příliš dlouhé kabely deformují náběžnou hranu signálu tak, že se zaoblí. Pro funkční přenos signálu je nutné zajistit aby plná amplituda (výška) signálu naběhla nejpozději do poloviny časového úseku daného signálu.

PROFIBUS cable too long — *Zkreslení náběžné hrany PROFIBUS signálu*

Odbočky/odpojená zařízení (prázdné konektory)

Pokud jsou v PROFIBUS segmentu přítomny odbočky/prázdné konektory, může docházet ke zkreslení signálu (zákmit) a to zejména při vyšších přenosových rychlostech (3 Mbit/s a více). Pro zachování kvality komunikace by zákmit neměl být větší než 0,5V.

stub signal — *Zákmit PROFIBUS signálu způsobený odbočkou*

Chyby ukončení segmentu (PROFIBUS terminator)

Každý segment sítě PROFIBUS musí být na svém počátku a konci správně ukončen ukončovacím členem (terminator). Ukončovací člen by měl být součástí PROFIBUS konektoru, nebo integrován do PROFIBUS zařízení (např. repeateru).

UPOZORNĚNÍ: Ukončovací členy segmentů PROFIBUS jsou aktivní prvky sítě a vyžadují pro svou funkci napájení. Pokud je ukončovací člen napájen z PROFIBUS zařízení a toto zařízení je vypnuto (např. z důvodu servisu), nebude ukončovací člen fungovat správně a může dojít k zarušení komunikace na celém segmentu PROFIBUS sítě.

V principu existují dva typy problémů způsobených ukončovacími členy segmentů sítě PROFIBUS:

A) Na konci segmentu je více aktivních ukončovacích členů
B) Na konci segmentu chybí/není funkční ukončovací člen

A) Na konci segmentu je více aktivních ukončovacích členů

V tomto případě dojde k odrazu cca 1/3 signálu a jeho otočení o 180°. Tento odražený signál pak putuje kabelem zpět a může dojít k jeho interakci s dalším signálem (telegramem). Podle posunu fáze v jaké se signály setkají, dojde k sečtení nebo k odečtení amplitudy signálu.

B) Na konci segmentu chybí/není funkční ukončovací člen

V tomto případě také dojde k odrazu signálu, ale odražený signál není otočen o 180° vůči původnímu signálu. Odražený signál se vrací s plnou amplitudou a může dojít k jeho interakci s dalším signálem (telegramem). Podle posunu fáze v jaké se signály setkají, dojde k sečtení nebo k odečtení amplitudy signálu.

Chyby v připojení stínění a EMC rušení PROFIBUS komunikace

Význam problémů se zarušením komunikačních linek v průmyslovém prostředí s postupující dobou neustále roste. Problematika EMC rušení je velmi složitá, nicméně při dodržení základních pravidel instalace kabeláže PROFINET, je možné mnohým potížím předejít.

Nejjednodušším způsobem jak omezit EMC rušení je správné zapojení stínění komunikačních kabelů. Principem je spojení stínícího opletu PROFIBUS kabeláže s funkčním uzemněním.

shield1 — *Princip vodivého připojení stínění u každého PROFIBUS zařízení*

Důležité je aby odizolování PROFINET kabelu a připojení jeho stínění k zemi bylo prováděno funkčně a důsledně v každém rozvaděči.

shield rozvadec — *Vodivé připojení stínění k zemnící liště v rozvaděči*

Při instalaci PROFIBUS zařízení v lokalitě s předpokladem vysokého výskytu EMC rušení je dobré si uvědomit, že zde existuje možnost vedení PROFIBUS sítě kabely, které jsou proti EMC rušení zcela odolné: optickými kabely.

*Převedení metalické PROFIBUS kabeláže na optickou v oblasti silného zarušení*

Využití optické kabeláže je vhodné také pro propojení dvou lokalit s rozdílným elektrickým potenciálem. Při propojení pomocí optické kabeláže jsou totiž obě lokality galvanicky odděleny.

*Oddělení lokalit s rozdílným elektrickým potenciálem pomocí optické kabeláže*

Pro tento účel existují spolehlivé převodníky (RS485-Optika) OPTIrep:

Jak postupovat při diagnostice problémů v sítích PROFIBUS

1 ) Přípojné/měřící body

Pro funkční diagnostiku sítě profibus je nutné zajistit přípojné/měřící body pro připojení diagnostických nástrojů. Tyto přípojné body by měly být k dispozici na začátku a na konci každého PROFIBUS segmentu.

Doporučujeme použít certifikované přípojné/měřící body Indu-Sol PBMA IP20:

2 ) Diagnostika aktuálního stavu sítě

Pro úspěšnou diagnostiku PROFIBUS sítě je nutné zjistit stav klíčových fyzických a logických parametrů za provozu sítě.

Diagnostika fyzických parametrů komunikace se zařízeními na síti:
– amplituda signálů
– strmost signálů
– útlumy signálů
– odrazy signálů
– topologie sítě

Diagnostika logických parametrů komunikace se zařízeními na síti:
– provoz telegramů na síti (statistiky provozu)
– kvalita komunikace
– rychlost komunikace
– ztracené/poškozené telegramy
– stav zařízení na síti

Doporučujeme použít špičkový diagnostický nástroj Indu-Sol PB-Q^ONE:

3 ) Měření PROFIBUS kabeláže

Převážná část problémů vznikajících v sítích PROFIBUS je způsobena problémy s kabeláží a konektory. Je proto velmi důležité provést řádné proměření kabeláže a porovnat naměřené parametry s odpovídajícímí normami. Toto měření fyzických parametrů kabeláže se provádí při odstávce sítě a proměřují se parametry jak se zapnutým tak s vypnutým ukončením segmentu.

Měření fyzických parametrů kabeláže:
– délka kabelu
– impedance kabelu
– funkčnost ukončovacího členu
– přerušení vodičů
– přerušení stínění
– přehození vodičů A-B
– zkrat vodičů A-B
– vhodný typ kabelu
– měření odrazů signálů

Doporučujeme použít měřící přístroj na PROFIBUS kabeláž PROFtest II XL:

4 ) Měření rušení ve stínění PROFIBUS kabeláže

V dnešní době se stále častěji setkáváme s problematikou rušení signálů v průmyslových komunikačních linkách, způsobených například nesprávným vedením těchto linek v kabelových žlabech společně s napájecími kabely frekvenčních měničů, pohonů atd. Měření rušivých proudů ve stínění PROFIBUS kabeláže je jediným spolehlivým způsobem jak odhalit tento typ rušení PROFIBUS komunikace.

Při měření proudů ve stínění PROFINET kabeláže je vhodné měřit v rozsahu 5Hz – 1kHz (specificky se zaměřením na 50/60Hz). Doporučený rozsah měřených proudů je 30 μA až 100 A. Při provozu sítě PROFIBUS jsou za bezpečné považovány proudy ve stínění do 40 mA.

Doporučujeme použít kvalitní měřící kleště Indu-Sol EmCheck LSMZ I:

5 ) Dlouhodobý monitoring a sběr provozních dat sítě PROFIBUS

Pro předcházení výpadkům PROFIBUS sítí je velmi vhodné dlouhodobě sledovat jejich klíčové provozní parametry. Důležité je také použití vhodných nástrojů pro efektivní analýzu nasbíraných provozních dat. Jedná se o klíčové aspekty prediktivní údržby sítí PROFIBUS. Každému provozovateli sítí PROFIBUS musí být jasné, že prostředky investované do monitorování jeho výrobních sítí pomáhají předejít kritickým výpadků dříve než k nim dojde. Finanční návratnost takového přístupu k prediktivní údržbě PROFIBUS sítí, na kterých často běží velké výrobní celky, je proto v praxi velmi rychlá.

Doporučujeme použít špičkový monitorovací a diagnostický přístroj Indu-Sol PROFIBUS-INspektor® NT:

Máte dotazy? Chcete cenovou nabídku? Kontaktujte nás!