Artykuł Diagnostyka Profi bus, opublikowany w wydaniu 2/2018 „Utrzymania Ruchu”, dotyczył standardu IEC 61158, kolejnych jego warstw oraz narzędzi diagnostycznych. Przytoczone zostały również przykłady nieprawidłowych połączeń w instalacji oraz wymieniono podstawowe zasady terminowania sieci, jak również przykład metody przeprowadzania analizy oscylogramów. Z racji tego, że zagadnienie diagnostyki sieci jest dość szerokie, w tym artykule uzupełnione zostaną informacje dotyczące podstawowych symptomów uszkodzenia sieci, jakie można zaobserwować w sygnałach, oraz sposoby odczytywania ramki danych, gdy ta jest przedstawiana bez interpretacji.

Analiza oscylogramów

Analiza oscylogramów polega na znalezieniu w sygnałach napięciowych wszelkich odchyłek od standardu. Doświadczenie pokazuje, że problemy związane z działaniem sieci Profibus najczęściej są spowodowane kilkoma czynnikami. Można tu wymienić: zwarcie kanałów A i B, zwarcie kanału do ekranu czy dodatkową rezystancję w sieci (np. spowodowaną przerwą w okablowaniu). W trakcie przeprowadzania analizy sieci należy pamiętać, że nie wszystkie, na pozór poważne, zniekształcenia są symptomem uszkodzenia. Przykładem może tu być rys. 1, który pokazuje przemieszczanie się szpilki wraz ze wzrostem odległości od miejsca wykonywania pomiaru. „Schodki” na rys. 2, które są oznaczone przez numer 2, świadczą o dodatkowej rezystancji w instalacji. W parze z tym symptomem idzie obniżenie napięcia różnicowego. Dodatkowa rezystancja jest również widoczna przez wygładzenie sygnału. Na adresie, w którym nie ma charakterystycznych schodków, nastąpiło uszkodzenie, np. w postaci luźnych styków w styczce (rys. 3 – symptom numer 3). Na tym samym rysunku została zaznaczona również szpilka, która z kolei świadczy o dodatkowej pojemności w układzie. Gdyby były widoczne dwie szpilki, oznaczałoby to dwie dodatkowe pojemności z sieci. Mierząc odległość ∆l, oszacujemy miejsce występowania uszkodzenia. Niektóre urządzenia podają tę odległość wprost, a jeśli korzystamy z oscyloskopu, konieczne jest rozwiązanie równań linii długiej.

Należy pamiętać, że jest to odległość od adresu, na którym wykonujemy pomiar. Dlatego też pomiaru należy dokonywać na obu końcach segmentu. Podłączając się do adresu na środku i mierząc odległość np. 20 m, nie zawsze potrafimy jednoznacznie stwierdzić, czy należy kierować się w lewo od punktu pomiarowego, czy też w prawo. Dodatkowa pojemność często ukazuje się również przez zmianę kąta nachylenia zbocza sygnału.

Mamy wówczas do czynienia z sygnałem o kształcie bardziej przypominającym trapez niż prostokąt. Rys. 4 pokazuje również dość częsty problem – zwarcie kanałów. Na szczęście jest on bardzo jednoznacznie widoczny na oscylogramie, przez co łatwy do zidentyfikowania. Rys. 5 prezentuje z kolei zwarcie do ekranu, które może być mylone z dodatkową rezystancją w układzie. Różnica polega na tym, że w tym przypadku schodki się powtarzają, a przy dodatkowej rezystancji widać tylko jeden schodek, którego położenie na oscylogramie zależy od miejsca wykonywania pomiaru. Zwarcie kanału do masy powoduje, że w sygnale na tym kanale nie obserwujemy „zer” i „jedynek”, tylko poziomą kreskę. Należy pamiętać, że tego typu uszkodzenia nie będziemy widzieć w napięciu różnicowym.

Rodzaje ramek

Protokół Profibus wyróżnia kilka rodzajów ramek, które można zaobserwować, analizując proces komunikacji między stacjami master i slave. Oczywiste jest, że nadanie adresu stacjom jest konieczne do tego, by mogły być odpytane przez mastera sieci. Nadawanie adresów może odbywać się na kilka sposobów. Producenci urządzeń stosują: przełączniki typu dip-switch, selektory obrotowe (rys. 6 i 7), a także adresowanie za pomocą dedykowanego oprogramowania. Adres 127 jest adresem rozgłoszeniowym (broadcast). Wysłanie danych pod ten adres spowoduje przekazanie ich do wszystkich stacji w sieci. Producenci najczęściej dostarczają urządzenia z adresem 126 (najmniejsze prawdopodobieństwo konfliktu po wpięciu do sieci). Tak więc zakres dostępnych dla urządzeń adresów w sieci to 0-125. Zdarza się jednak, że adres 0 nie jest akceptowany przez niektóre implementacje sieci Profibus, gdyż jest zarezerwowany dla narzędzia serwisowego.

W trakcie komunikacji urządzenia w sieci wymieniają między sobą 3 rodzaje ramek: ramki o stałej długości bez danych (SD1), ramki o zmiennej długości z polem danych (SD2), a także ramki przekazania tokena (SD4), co widać na rys. 8.

Okno to pokazuje ramki z interpretacją oprogramowania Profitrace. Ułatwia to zrozumienie przekazywanych między stacjami informacji. W kolumnie services widzimy funkcję danej ramki. I tak na przykład DL oznacza Data Low, czyli dane prawidłowe, ale o niskim priorytecie, natomiast SDR – Send and Request Data – dwukierunkową wymianę danych pomiędzy stacjami. W kolumnie frame widać wspomniany już typ danej ramki. Rys. 9 prezentuje ramkę SD1 wykorzystywaną do przepytywania adresów, czyli do sprawdzania dostępności stacji w sieci.

Ramka SD2 służy do wymiany danych pomiędzy stacjami w sieci. Rys. 10 pokazuje, że wyróżniamy dwa rodzaje ramek SD2: z polami DSAP i SSAP oraz bez nich. Pola te nie występują, jeżeli nie są przekazywane dane procesowe. Pole FCS to suma kontrolna i wyraża się wzorem:

FCS= DA+SA+FC+DU.

Ramka SD4 (rys. 11) służy do przekazywania tokena. Należy pamiętać, że token przekazują tylko stacje aktywne.

W analizie ramki bardzo ważne jest dobre zrozumienie działania buforów SSAP i DSAP. Standard Profibus dokładnie określa przyporządkowanie numeru SAP do rodzaju danych. Pozwalają one na obsługę przez dane urządzenie dodatkowych protokołów bazujących na warstwie FDL (Fieldbus Data Link – warstwa łącza danych). Rys. 12 opisuje dokładnie funkcje poszczególnych numerów bufora SAP. Jest to bardzo potrzebne w dalszej analizie ramki.

Analiza ramki

Załóżmy, że mamy do przeanalizowania znaczenie danej ramki (rys. 13).

Przyporządkowujemy typ ramki, czyli sprawdzamy, co jest na pierwszym polu. W tym przypadku jest to 68hex, czyli mamy do czynienia z ramką SD2. Skoro jest to ramka SD2, to dwa kolejne pola to długość tej ramki (LE i LEr). W kolejnym miejscu jest zatem powtórzony typ ramki SD2 (68hex). Dalej widać adres odbiorcy oraz adres nadawcy (rys. 14).

Pola adresowe należy głębiej przeanalizować i rozbić je na postać bitową (rys. 15).

Jedynka na pierwszej pozycji celowo została zaznaczona na czerwono, bo jej występowanie w tym miejscu determinuje obecność buforów SAP. Przechodząc do dalszej analizy, sprawdzamy znaczenie wartości w polu SA (rys. 16).

Z interpretacji adresów wynika, że stacja o adresie 2 nadaje do stacji o adresie 32. Na kolejnej pozycji widać 7D, czyli jest to FC (rys. 17). Analiza pola FC daje rezultaty widoczne na rys. 18.

Tak więc stacja o adresie 2 jest typu master, a stacja o adresie 32 jest typu slave. Kolejne dwa pola to bufory DSAP i SSAP (rys. 19).

Wartość 3D oznacza funkcję SetParameters. Zdarza się jednak, że w polu tym pojawia się wartość 3C, co oznacza żądanie od urządzenia danych diagnostycznych. Należy wówczas sprawdzić poprawność działania danej stacji. Kolejne pola zawierają dane. Na pierwszym bajcie widnieje wartość B0 (rys. 20).

W powyższym przypadku nie występuje błąd przekroczonego czasu transmisji (watchdog). W sytuacji jego wystąpienia należałoby sprawdzić poprawność działania stacji o adresie 32. Kolejne dwa pola (03 i 04) zawierają parametr watchdog, który obliczany jest w następujący sposób:

watchdog = 10 ms ∙ 3 ∙ 4 = 120 ms

Wartość 0B na kolejnej pozycji rozpoczyna pole danych (7 kolejnych bajtów) i pozwala na obliczenie czasu oczekiwania zależnego od prędkości sieci:

0Bhex = 11bin,

a zatem:

TSDR= 11 ∙ tbit.

Jeśli założyć, że prędkość sieci ustawiona jest na 500 kbps, to:

tbit = 2 µs, czyli TSDR = 11 ∙ 2 µs = 22 µs.

Wartości 08 i 18 to numery identyfikacyjne stacji, natomiast 00 na końcu stanowi grupę synchronizacji wejść i wyjść. Na rys. 19 celowo pominięto dwie ostatnie pozycje FCS i ED, ponieważ dla celów diagnostyk nie stanowią wartości dodanej.

Tego typu analiza pozwala na przeprowadzenie szczegółowej diagnostyki w sieci Profibus. Początkowo może się wydawać dość toporna i skomplikowana, jednak odczytanie kilku ramek sprawia, że parametry diagnostyczne dostrzega się na pierwszy rzut oka.

Podsumowanie

Pomimo że sieć Profibus jest wypierana przez swojego następcę – Profinet – w przemyśle nadal funkcjonuje wiele urządzeń wykorzystujących standard DP. Migracja układów sterowania do nowszych rozwiązań jest dość kosztowna, przez co służby utrzymania ruchu nadal nie mogą zapomnieć o starszych rozwiązaniach. Z tego też powodu wymagane jest ciągłe podnoszenie umiejętności w zakresie budowy, zasad działania i w końcu analizy sieci Profibus zarówno na poziomie instalacji elektrycznej, jak i samego protokołu.

Rys. 1. Przemieszczanie się szpilki pochodzącej od urządzenia pomiarowego

Rys. 2. Dodatkowa rezystancja
Rys. 3. Dodatkowa rezystancja oraz pojemność w sieci

Rys. 4. Zwarcie A&B
Rys. 5. Zwarcie kanału do ekranu

Rys. 6. Adresowanie modułu za pomocą przełączników dip-switch
Rys. 7. Adresowanie modułu za pomocą selektorów obrotowych

Rys. 8. Komunikacja w sieci Profibus

Rys. 9. Ramka SD1

Rys. 10. Ramka SD2

Rys. 11. Ramka SD1

Rys. 12. Numery bufora SAP

Rys. 13. Przykładowa ramka SD2

Rys. 14. Analiza przykładowej ramki SD2

Rys. 15. Analiza pól adresowych
Rys. 16. Dalsza analiza pól adresowych

Rys. 17. Dalsza analiza ramki

Rys. 18. Analiza pola FC

Rys. 19. Dalsza analiza ramki SD2

Rys. 20. Szczegółowa analiza danych sieci
W związku z wejściem w dniu 25 maja 2018 roku nowych przepisów w zakresie ochrony danych osobowych (RODO), chcemy poinformować Cię o kilku ważnych kwestiach dotyczących bezpieczeństwa przetwarzania Twoich danych osobowych. Prosimy abyś zapoznał się z informacją na temat Administratora danych osobowych, celu i zakresu przetwarzania danych oraz poznał swoje uprawnienia. W tym celu przygotowaliśmy dla Ciebie szczegółową informację dotyczącą przetwarzania danych osobowych.
Wszelkie informacje znajdziesz tutaj.
Zachęcamy również do zapoznania się z naszą nową Polityką Prywatności.
W przypadku pytań zapraszamy do kontaktu z naszym Inspektorem Ochrony Danych Osobowych pod adresem iodo@elamed.pl

Zamknij