摘要：以通（tōng）快(TRUMPF)數控（kòng）切管機、激光切割機、數控（kòng）衝床（chuáng）出現的關（guān）於Profibus．DP報文為例（lì），從非穩定（dìng）性（xìng）故障和穩定性故障2個角度詳細分析了引起數控機床中（zhōng）Profibus．DP網絡故障的原因，並給出相應的診斷方法（fǎ）和處理過程（chéng）。
    
       關鍵詞：數控機床；Profibus．DP；非穩定性故障；穩定性故障；分析與診斷
     
        Profibus—DP是用於自動（dòng）化生產的一（yī）種（zhǒng）開放（fàng）式現場總線．使用Profibus．DP模塊可取代價格昂貴的數字或（huò）模擬（nǐ）信號線，用於分布式控製係統的高速數據傳輸。因此，它在先進的數控機（jī）床中得到了廣泛的應用。全球領先的通（tōng）快(TRUMPF)數控機床就使用了Profibus．DP，用於高速、及時、複（fù）雜的通信任（rèn）務。
   
       根（gēn）據常（cháng）見的故障現象．Profibus．DP網絡故障通常可以分為兩大類：一類是非穩定故障．指發生故障的（de）網絡位置不固定或（huò）故障現象不（bú）持續的偶發故障或（huò）隨（suí）機故障；另一類是穩定故障，其表現是發生故障的時間和網絡位置相（xiàng）對穩定心]。文中以通快數（shù）控切管機(TruLaser Tube 5000)、激光切（qiē）割機（jī）(Trulaser3030Lean Edition)、數控衝(Trupunch2020)3種機床出現的關於Profibus．DP報文為例，從非穩定性故障和（hé）穩定性（xìng）故障2個角度詳細闡述（shù）了如（rú）何（hé）快速地診斷和排除Profibus．DP網絡的故障。
   
       1、 幹擾故（gù）障
   
       1．1故障現象
   
       數控切管機(TruLaser Tube 5000)切割管材過程中，在沒有非法操作的前提下（xià），機床不定（dìng）期地出現幾次急停故障，且報文中含有（yǒu）Profibus．DP通（tōng）信中斷等內容。
 
       1．2故（gù）障分析與排（pái）查
   
       由於此故障是不定期發生，屬於Profibus．DP網絡中的非穩定故障。對（duì）於此類故障。它（tā）的主要來源不是某個零部件的損壞．而是來自於外部或內部的幹擾。外（wài）部幹擾可分為電源（yuán）幹擾、設備幹擾、空間幹擾（rǎo）。內部幹擾主要（yào）是分布電容、分布電感引起的耦合感應、電磁（cí）場（chǎng）輻射感應、長線傳輸的波反射、多點接地造（zào）成電位差引起的（de）幹擾[3]。抑製幹擾源、切斷幹擾的傳輸途徑、提高敏感設（shè）備的抗幹擾能力是係統達到電磁兼容的主（zhǔ）要手段，最常用的是濾波、接地、屏蔽3種技術 。
   
      電網的幹擾、頻率的波動將（jiāng）直接影響控製係統（tǒng）的可靠性與穩定性。由於南方（fāng）電網電壓穩定。市電到機床之間接了國產“穀登”牌交流穩（wěn）壓器和德國進口的隔離變壓器。用示（shì）波器分析該數控切管機的電源質量，沒有出現浪（làng）湧、尖峰（fēng）等現（xiàn）象，波形質（zhì）量完好。這就排除了電源對（duì）Pwfibus．DP網絡的幹（gàn）擾（rǎo）。
   
      接著檢查接地係統。根據接地（dì）理論，低頻（pín）電路(頻率小於1 MHz)應（yīng）單點接地，其目的是（shì）避（bì）免形成地回路，地回路產生（shēng）的電流會引入（rù）到信號回路內形成幹擾[3]。此機床工作接地采用的是“單點接地”：電（diàn）櫃、主機身、上（shàng）下料機構（gòu）采用埋人地（dì）下的相（xiàng）互並聯的6根黃銅（tóng）棒作接地極。其直徑均為1．9 cm。長為（wéi）3 m，用萬用表測量其接地電阻小於4 n，符合該機床關於接（jiē）地的裝機準備要求。重新連接Profibus．DP電纜與電櫃的屏蔽卡子，檢查Profibus．DP電纜屏蔽層沒有出（chū）現損（sǔn）壞。這表明接地和屏（píng）蔽符合（hé）設備（bèi）的工作（zuò）條（tiáo）件。上晚班時關（guān）閉車間內的其他設備，整（zhěng）個車間隻開1台切管機。但還是會偶爾出現Profibus．DP急停報文，這意味著Profibus．DP網絡的幹擾並（bìng）非是外部設備幹擾（rǎo）引起的。
   
       徹查了外部幹擾（rǎo）源對機床（chuáng）的影響，排除了外部幹擾（rǎo）後，接著從內部幹擾著手。信號在長線中（zhōng）傳輸除了（le）會受到外界幹擾和引起信號延（yán）遲外（wài）。還（hái）可能會產生反射現象。當信號在長線（xiàn）中（zhōng）傳輸時，由（yóu）於傳輸線的分布電容和分布電（diàn）感的影響，信號（hào）會（huì）在傳輸線內（nèi）部產生正向前進的電壓波和電流波[5]。由於此數控切管機占地（dì）長約17．5 m．寬約7．5 m，整個Profibus電纜的長度大約有35 m以上。Profibus．DP網絡采用的是總線（xiàn）型拓撲結構，當信號在總線上傳輸時，隨（suí）著距離（lí）的增加，信號會逐漸減弱。此切管機用（yòng）符合RS．485標準的屏蔽雙絞電（diàn）纜進行通信（xìn）。Profibus．DP的物理層(第1層)實現對稱的數據傳輸，傳輸速率為12Mb／s。理論上規定最大電纜（lǎn）長度為100 m，但實際上遠小於這個長度。數據傳輸率越高，總線通信（xìn）就越不穩（wěn）定哺]。放大器用於實時(加強)信號，以精確複製原（yuán）始信（xìn）號，它連接同一總線的（de）兩部分，解決通信信號在通信線上由於電氣損耗而造成的衰減。當信號變弱而不（bú）變形時可以使用放大器 。為此，在總線中間加了1個西（xī）門子生產的信號放大器，如圖（tú）1所示，有效地保證了信號傳輸質量，提高了（le）係統運行的穩定性．再也沒有出現此類因幹擾導致Profibus．DP通信不穩定而引起的機床急停故障。
 
 

       圖1西門子（zǐ）信號放大器
   
       由外部或內部幹擾引起（qǐ）的非穩定性故障具有（yǒu）很大的隱蔽性，需要依次從（cóng）外（wài）部或內部幹擾源逐（zhú）一排除，方（fāng）能找到引起Profibus．DP通信不（bú）穩定的根源，然（rán）後對症下藥。
   
       2、主（zhǔ）從站及通信電纜故障
   
       2．1 故障現象
   
       激（jī）光切割機(Trulaser3030 Lean Edition機型)在切割（gē）過程中發生以下故障：80101066：The Profibus slave station with the ad．dress 31 is faulty(地址為31Profibus從站（zhàn）有誤)。80101087：AS．i Linker：Configuration elTor in Asi—Circuit M3 Slave 11A(AS．i連接（jiē）器：在（zài）Asi．M3回路（lù）裏從站（zhàn）地址為11A的配置（zhì）有誤)。80101046：Prnfibus master system 2 has a malfunc—tion(Profibus主回路2有一個故障)。07 190040：The laser warning lamp on the machine isdefective!(機床上的激光（guāng）報警燈壞（huài）了)。
 
        2．2  故障分析與排（pái）查
   
       Profibus．DP允許（xǔ）在PLC控製器（qì）和分散的自動（dòng）化組件（jiàn）以及（jí）分散的外圍設備（bèi）(如AS．i Bus)之間進行快速的數據交換。Trulaser3030 Lean Edition的PrnfibusDP配置采用的是典型的單主（zhǔ）站結構，如圖2所示：以840D Solution Line為主站，有2個Profibus．DP回路(DPI，DP2)，其中DPI回路有Control Line(切割頭高度控製係統)、TASC4(激（jī）光控製係統)，DP2回路有3個Safety Gateway(帶安全監管的網（wǎng）關)、FoucsLine(自動調節鏡片焦點係統)與Control Panel(控製麵（miàn）板)。Safety Gateway是帶Safety Monitor功能的Gateway。Gateway作為Profibus．DP從站的同時。又是AS．i回路的主站，通過Gateway上的顯示器，可實（shí）現Profibus—DP的地址（zhǐ）修改、從站狀態診斷等功能。每個Profibus．DP從站都有自己的地址。要麽由軟件定義，要麽由硬件撥碼開關決定。DP主（zhǔ）站與DP從站間的通信基於主一從原理：主站（zhàn）知道（dào）所有從站的地址。主站在特定的時間間（jiān）隔（gé）內向從站地址（zhǐ）發送數（shù）據．並以（yǐ）數據的形式等（děng）待響應。也（yě）就是說，隻有當主站請求時總線上的DP從站才可（kě）能活動。DP從站被DP主站按輪詢表依次訪問（wèn）。DP主站與DP從站間的用戶數據連續地交換。而並不考慮用戶數據的內（nèi）容 。
 
       AS．i Bus是基於Profibus下（xià）一層的總線係統，它將基層（céng）的輸入輸出邏輯關係以通信方式傳輸至AS．i主站，再通過Prdibus傳輸至PLC進行邏輯處理；由主站(Master)發出“請求” (Request)，從站(Slave)做出“響應”(Response)。由（yóu）圖（tú）2可以（yǐ）知道：在DP2回路裏．地址為3l的Prnfibus從站正是其中的一個Safety Gateway，它也（yě）是AS．i Bus的主站，而在AS．i的（de）M3回路裏從（cóng）站地址為11A的正是激光報（bào）警燈（dēng）。由這4條報文可以推測AS．i回路從站地址為11A的激光報警燈與Profibus回（huí）路從站地址為3l的SafetyGateway通信不暢通：激光（guāng）報警燈沒（méi）有對Safety Gate．way的“請求”做（zuò）出“響應”。
   
       首先處理Safety Gateway的報（bào）文。根據服務手冊，如圖3所示，操作如下：(1)直接按Gateway的（de）OK鍵，選（xuǎn）擇Quick Setup。(2)進入（rù）Quick Setup後，再次直接按OK，又（yòu）進入（rù）另一（yī）個子目錄。(3)選擇store+run。(4)斷電重啟機床。經過這樣處理後，前3條報文已經消除，但仍然還有（yǒu）“07190040：Thelaser warning lamp on the machine is defective!”出現。接著解決從站激光報警燈的（de）報文：更換激光（guāng）報警（jǐng）燈．報文仍然存在，這說明線路有問題。檢（jiǎn）查AS．i電纜，發現電櫃到激光報警燈中有個接口鬆（sōng）動了，接觸不良。重新插好接頭（tóu），該報文消除。
   

  
       圖2激光切割機(Trulaser3030 Lean Edition)Profibus．DP拓撲（pū）結構圖 
  

       
    
          圖3 Safety Gateway(安全監管網（wǎng）關)
   
       該類報（bào）文屬於穩定性故障，首（shǒu）先要觀察每個站點的LED狀態(如PLC、TASC、Gateway、Asi．busSlave等)正常與否（fǒu）；其次，根據機床Profibus—DP拓撲結構及各站點的邏輯關係圖，再結合報文鎖定故障（zhàng）點；最後，根據電路圖及（jí）服務手冊排除（chú）是主站故（gù）障還是（shì）從站故障（zhàng）或者Profibus、As．i電纜（lǎn）給老鼠咬斷還是接口鬆動．抑或Profibus．DP地址設置有誤。
 
       3、 Profibus．DP終端電阻（zǔ）引起（qǐ）的故障
   
      3．1 故障現象
    
       通快數控衝床(Trupunch2020)移機後出現PLC(85 102902)的報文：Binary data exchange on Profibuswith H&L interrupted。它的意思是Profibus與H＆L(衝杆控製係統)的二進製數據交換被中斷。
 
       3．2故障分析與排查
 
      為確保Profibus．DP網絡（luò）主從站間通信穩（wěn）定：首先，要保證通（tōng）信電纜的（de）屏蔽和接地符合要（yào）求；其次，Profibus．DP總（zǒng）線連接各（gè）“站點”時要（yào）求各終端電阻器（qì）的A線（xiàn）和B線的進出方（fāng）向正確。且2根線不交叉但又連接可靠；最為重要的是（shì），各（gè）接點插座上的“拔檔（dàng）開關”始終嚴格遵循首（shǒu）末端（duān）為“ON”、中間為“OFF”的原則（zé）。該數控衝床的Profibus．DP拓撲結構如圖4所示（shì） 。經檢查，Bosch NCK(博世NCK)、Control Panel(控製麵板)、Gateway(網關)、BoschI／O(博世輸入（rù）輸出模塊)、H&L(衝杆控製係統)的總線終端電阻器端口位置正確：Control Panel、Bosch NCK終（zhōng）端電（diàn）阻上的“拔檔開關”為“ON”。其他為“OFF”。於是進一步（bù）檢（jiǎn）查Profibus．DP總線各“站點（diǎn）”的終端電阻阻值：拔下連（lián）接各主從站的總線
終端電（diàn）阻器．分別（bié）測（cè）量各主從站終端電阻器中針腳3和8的阻值，如表1所示。其中H&L終端電阻的實際測量值等於110 Q，根據圖5，其（qí）標準電阻值應（yīng）該為220 Q，實測值與標準值不吻合，故H&L與Con—trol Panel的通信中斷，產生報警。打開H＆L終端電阻器，重新連接A線和B線，報文（wén）仍然存（cún）在（zài）。於是更換該總線終端電（diàn）阻器。再測量總（zǒng）線各主、從站的終端電阻值，其值如（rú）表1中的標準（zhǔn）值，複位，報文（wén）消除。
  
  

      
       圖4 Trupuneh2020的Profibus．DP拓撲（pū）結構
 

         表1 Trupuneh2020主從站的終端電阻值
  
      
   

       
       圖5 Profibus．DP的終端電阻測量示意圖（tú）
   
       不（bú）言而喻，此類故障（zhàng）屬於穩定性故障（zhàng）。迄今為止，經驗表明：電纜和終端電阻器的不正確安（ān）裝是引起Profibus．DP錯誤的主要原因，終端電阻器（qì）的損壞屬（shǔ）於Profibus．DP的一類常見故障。
 
 
       4、結論
   
       以3類機床產生的3個故障為例。從非穩定性故障和（hé）穩定性故障2個角度闡述了Profibus．DP故障（zhàng）的原因和解決方法。對於非穩定性故障的處理是個難點，要從抗幹（gàn）擾的角（jiǎo）度來排除（chú）故障。逐一排除外部幹擾，諸如濾波、接地（dì）、屏蔽是否符合標準，如不符合（hé），需要提高外部電源質量，加強（qiáng）機床接地，保證接地電阻小於4 Q，以及采取更有力的屏蔽措施，使機（jī）床Profibus．DP通信更穩定（dìng）。其次從（cóng）內部幹擾（rǎo）著（zhe）手，通信信號是否有衰減。如有衰減，可以（yǐ）增加“信號放大器”之類的硬件，保證整個Profibus．DP拓撲網絡通信暢通，數據傳輸準確（què）無誤。對於穩定性故障，需要根據報（bào）文準確定（dìng）位是主站還是從站。抑（yì）或終端電阻（zǔ）還是（shì）Profibus．DP、As．i電纜出現了故障（zhàng）。根據每個站點的LED狀態，結合電（diàn）路圖和服務手冊排除主從站的（de）故障．以及用萬用表測量終端（duān）電阻阻（zǔ）值是一種排除終端電阻故障行之（zhī）有效的方法。更（gèng）換損壞的元器件及加（jiā）載相應的軟件(如Gateway更換需（xū）要加（jiā）載軟件)後，這類穩（wěn）定性故障可以迎刃而解。