基于Profibus－DP网络的故障分析及诊断

陈卫国 陶庆才 卢锦川 韦瑞录

（①广西机电职业技术学院，广西南宁530007;②上汽通用五菱汽车股份有限公司发动机工厂，广西柳州 545007）

在汽车制造、包装和注塑机等工业领域中，越来越需要高性能、稳定可靠的控制信息传输系统。在这一需求下，现场总线技术的发展就成为了必然的趋势。现场总线有节省硬件数量与投资、节省安装费用、节省维护开销、用户具有高度的系统集成主动权、提高系统的准确性与可靠性等优点，在众多现场总线类型中Pr ofibus总线系统成为目前最成功的现场总线之一［1］。整个Profibus总线系统又包含 Profibus－DP、Profibus－PA、Profibus－FMS三个系统，而这三个系统又是兼容的也就是说可以在一个Profibus总线系统中同时使用［2］。本文将在介绍Profibus－DP的系统结构及其通信方式的基础上，分析Profibus－DP网络的常见故障原因及诊断方法。

1 Profibus－DP网络通信方式

1.1 Profibus－DP 的系统结构

一个Profibus－DP系统主要包括:站点数目、站点地址、站与站之间信息传递的格式及信号的传输线缆，适用于自动控制系统和设备级分散I/O之间通信［3］。其中站类型分为DP主站和DP从站，DP主站与DP从站间的通信原理基于主从原理，主站与从站之间周期的交换用户数据，当一个DP主站拥有令牌（Token）时它才有权限访问网络上的任何一个DP从站和任何一个DP主站，而DP从站任何时候都不能拥有令牌（Token）。这种总线通信方式可以实现:（1）纯主－主系统（多主站）;（2）纯主－从系统（单主站），在该方式下主站根据网络所设定的传输速度周期发送信息给从站或者由从站获取信息;（3）上面两种方式的结合，总线上有多个主站，而各个主站又与各自的从站构成相互独立的子系统［4］。

在上汽通用五菱的发动机工厂，滚道和设备上的Profibus－DP网络主要以纯主－从（单主站）方式为主，如图1所示。在该图中，类1DP主站是中央控制器，它周期地与分散的DP从站交换信息，并对总线通信进行控制和管理。在主从交换信息的过程中，诊断信息是非常重要的部分。

1.2 Profibus－DP 网络线路的连接

为了更好地说明Profibus－DP网络线路在实际连接中应注意的主要问题，我们首先说明一些信号传输理论。假设有两根无限长的导线组成最简单的回路，如果我们在这两根导线的开头之间加一个电压源，这时在这两根导线上就有电流流过并输出电压，由于导线对于电信号有一定的阻抗，因此当一个电信号在导线中传输时，离信号源近的输出总比离信号源远的输出早。当然在实际中并没有无限长的线缆，在这里我们用图例来说明电信号的延迟理论，在一个电路中我们把电信号从信号源输出到导线终端输出的传输时间设为T，信号源的内电阻为Rsrc，电路中信号传输线缆的电阻为Z0，终端电阻为R，并且Rsrc=R=Z0，Vout为离信号源近端的输出，V1为导线中间点的输出，V2为电信号在导线终端的输出［4］，如图2所示。

由图2可以看出，虽然由于导线的阻抗，图2中Vout、V1、V2达到Vsrc/2的时间点不同，但在该种情况下这3个点的输出都是稳定的。我们接着分析另外两种情况，第一种是图2中的电路终端短路，如图3所示。由图3可以看出，当一个电路的导线终端短路时，在时间T之前，Vout、V1都是Vsrc/2，当信号的传输时间超过T时，在短路点有一个极性（负极）相反的电压源，这个极性相反的电压源会向和+I传输方向相反的方向输出电流，其结果是一步一步地破坏掉V2、V1、Vout使它们最后为接近于零输出。另一种情况是电路终端开路，如图4所示。由图4可以看出，当一个电路的导线终端开路时，在时间T之前，Vout、V1都是Vsrc/2，当信号的传输时间超过T时，在开路点信号无法继续向前传播，而不得不反射回来，其结果是在原有信号的基础上进行正向叠加，使得电路上的输出电压增高，也破坏了原有的正常值。

Profibus－DP网络线路是基于RS485通信原理建立起来的［6］，其信号的传输也是通过两根导线来实现的，根据我们上面介绍的电信号在导线中的传输理论，为了去除信号在线路终端的反射，必须在Profibus－DP网络的两个终端子站上加终端电阻，如图5所示。终端电阻的计算如公式为

这个值也是一个Profibus－DP网络通信线缆阻抗的上限。在Profibus国际组织颁布的第一个Profibus接线标准中，另一种Profibus－DP网络通信线缆阻抗的上限是120 Ω，其终端电阻中的R2为150 Ω，因此如果这两种线缆混合起来使用也会引起信号的反射作用。

1.3 Profibus－DP 网络的数据传输［7］

Profibus－DP的网络信息由报文帧传递，报文帧又由帧字符组合而成，而每一个帧字符由11个bit（位）组成。如图6所示。根据不同的组合方式及帧字符数量的差别，报文帧又分为SD1、SD2、SD4和SC类型。其中SD2类型为最常见的帧类型，其结构如图7所示。

DP子站的数据信息就存储在图7的中的DATA_UNIT中，这些数据信息主要分为参数信息、配置信息、诊断信息三类。本文主要分析诊断信息。诊断信息的长度为6～244个字节，该信息主要包括标准诊断、设备相关诊断、模块相关诊断和通道相关诊断，后三者又称为扩展诊断，根据设备的不同是可选的，而标准诊断则是必须的。标准诊断信息的长度是固定的6个字节，涉及主站地址、设备的ID号等。设备相关诊断信息，涉及设备的温度、工作电压等，模块相关诊断涉及子站的故障模块信息等，通道相关诊断涉及到某一个输入输出点。这些诊断信息在数据信息区中的排列方式如图8所示。由于设备相关诊断、模块相关诊断和通道相关诊断的诊断数据是由设备供应商来提供的，在此我们只分析标准诊断的诊断数据定义格式，如图9～14所示。

2 Profibus－DP网络通信的故障原因和诊断

在一个Profibus－DP网络中，有各种不同的因素引起其网络通信的故障。这些因素可能是网络线路过长、外界的电磁干扰、信号线路故障等。在本文1.2和1.3节中我们分析了Profibus－DP网络的接线和其通信报文，接下来我们主要基于这两部分对Profibus－DP网络的故障进行分析。

2.1 Profibus－DP 网络故障的因素

在实际应用中，Profibus－DP网络故障的主要原因是:

①在把信号线缆接到9针接头时，错接信号线A和信号线B。

②多接了终端电阻，这里要重点指出的是在一个Profibus－DP网络中有且只有两个终端电阻。

③通信电缆上的屏蔽层没有接地。

④在一个子站中的I/O模块之间，用错误的线缆连接。

⑤Profibus－DP网络上某一个子站的配置错误。

如果在建立一个Profibus－DP网络时，能够注意这些细节，那么Profibus－DP网络通信的稳定性是非常高的。

2.2 Profibus－DP 网络故障的诊断

根据前面的介绍，在诊断一个Profibus－DP网络时，我们可以从其信号的波形和诊断报文来判定是网络中的站点故障还是网络线路的故障。

2.2.1 诊断信号线上的波形

由于Profibus－DP网络信号的传输就是信号线A和信号线B，因此我们可以用示波器来分别捕捉信号线A和信号线B上的波形，而Profibus－DP网络的信号信息是以A与B上的电压差来表示的。根据这个原理，在分析波形时，我们要重点分析A与B上的电压差。在这里我们使用Profibus分析仪——Profitrace来做分析。用户只需要点击Profitrace软件界面上Live list中的某一个子站，就可以看到A与B电压差的波形［8］。如图15是正常情况下A与B电压差的波形。

当Profibus－DP网络的终端电阻缺失时，根据前面1.2节的分析，这时网络中就会有反射干扰信号的出现，该干扰信号会在原来正常值的基础上进行正向叠加，使整个信号的输出值增加，如图16所示。

当Profibus－DP网络的信号线出现短路时，根据前面1.2节的分析，这时网络的反射干扰会把原来正常信号的值拉低，如图17所示。图中两个箭头之间的波形就是网络信号短路时，反射信号把原来正常信号的值拉低的表现。

2.2.2 分析诊断报文

根据前面1.3节中对诊断报文的分析，只要能够获得Profibus－DP网络上主站和子站之间的诊断报文，依据诊断报文中诊断信息定义的格式，就能清楚地知道故障站点的故障状态。如图18所示我们获取一个Profibus－DP网络上子站5的诊断信息，并按照诊断信息定义的格式对其内容进行了说明。

由图18可知，通过诊断报文的读取能够对具体故障子站的通信状态有一个基本的了解。至于更详细的诊断信息也就是扩展的诊断信息，例如，子站具体模块故障、子站具体模块中的具体通道故障等信息，则由具体设备的供应商通过文件设置来扩展，因此，这也给我们今后在使用具有Profibus－DP通信接口的设备或者零部件时指明了一点，就是要求供应商提供Profibus－DP网络的扩展诊断功能。

3 结语

在实际的生产现场中Profibus－DP网络的稳定性非常高，但是如果其网络线路缺少终端、短路或者受到干扰，严重时就会导致整个网络的瘫痪，在有些情况下由于网络上某个子站参数配置或者硬件的问题，往往是该子站单独出现故障不会影响到其他的子站和主站之间的通信。本文针对Profibus－DP网络的网络线路和数据传输进行了研究，并基于这两点用Profibus－DP分析仪对故障网络的信号和报文进行了分析，并用实际获取的波形和诊断报文证明了诊断的有效性。

［1］于浩洋.PROFIBUS现场总线概述［J］.自动化与仪表，2002（2）:18－21.

［2］张志学，肖志怀，李朝晖.PROFIBUS总线技术介绍［J］.电站系统工程，2001，17（5）:318－320.

［3］刘美俊.PROFIBUS总线技术［J］.机床电器，2005（3）:5－8.

［4］徐文辉.PROFIBUS现场总线技术概述［J］.航空电子技术，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