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使用手持示波表对 FOUNDATION™ 现场总线装置进行故障排查

2017年8月7日 15:26  CCTIME飞象网  

工业现场总线网络的运行条件与办公和其他商业通信网络相比有很大不同。在工业环境中,外部影响可能会将 PLC、网络控制器和其他支持过程控制的仪器等灵敏电子设备损坏。这些外部工业影响分为两大类:

1) 具有破坏性的环境条件,包括机械振动、很大的温度变化、高湿度以及化学品、粉尘以及其他物质所引起的不良空气质量。这些条件可造成松动或断续连接的接头、导体和接线盒中的腐蚀和/或阻抗的变化。

2) 来自各种来源的电气干扰。断路器在分断高能量电路时会产生瞬变电压。传送带和机械传动装置会将电压很高的静电释放到电子系统中。分支电路上的负载变化会使电源电压产生波动。还有可能有一些其他的电气干扰来源。

两种干扰都可能对终端器、输入部件和电缆等系统部件产生临时或永久性负面影响。结果常常是生产过程所依赖的毫伏信号的中断。因此,避免潜在过程通讯问题的发生,并通过使用示波器对工业数字通信系统进行监视和故障排查来发现现有问题是十分重要的。

下面将集中介绍使用一种专门设计的新型工具(Fluke ScopeMeter® 125 工业手持示波表)对 FOUNDATION Fieldbus 31.25 kb/s (H1) 网络这一特定系统进行的监视。

(注意:Fluke 125手持示波表 不只限于监视现场总线 H1 网络。)

故障排查步骤

当手持示波表对一个现场总线系统进行故障排查时,首先要尝试对系统的最近变化进行记录:最近是否已将一些设备或网络的某些部分断开?在故障发生前不久,是否进行了一些添加或改动?确定哪些部分运行正常,哪些部分运行有问题。记录观察到的结果并与预期结果进行对比。调查是否一些干扰可被追溯到特定事件:电机起动、阀门打开、灯的接通等。下一步,进行测量以深入探查网络,了解网络中正在发生的事情。仔细记录每次测量:测量到了什么?测量的精确位置是什么?测量是在什么条件下进行的?

首先,用手持示波表在干线的两端进行测量并比较结果。下一步,在干线上的一个或多个位置进行测量并比较结果。如果仅有一个设备有问题,则在该设备附近进行测量。如果多个设备有问题,则试着确定是否存在一种问题模式。如果存在一种模式,那么该模式的原因是否明显?

如果最近进行了改动或添加了设备,则也要在这些位置处进行测量。试着确定网络的哪些网段(如果有)有问题以及哪些网段没有问题。

多种测量可帮助找到偏差,从而帮助我们发现问题。这样的测量包括:

• 导体中和导体之间的电容和电阻

• 正确的屏蔽和导体触点

• 流信号电平

• 噪声和信号质量

使用 Fluke 125 ScopeMeter 手持示波表测试工具进行的这些测量将在下面详细讨论。

Fluke 125手持示波表 是一种结构紧凑的便携式示波器和数字式万用表 (DMM) 组合工具,提供了用于对工业总线系统进行故障排查的专门功能。Fluke 125手持示波表 通过电池供电,可进行所谓浮置测量,在这种测量中,仪器的任何点都不处于地电位上。这种功能可确保保持网络的浮置性质,而其他示波器可能会通过其以地为参考的安全触点或电源中的大电容而引入不需要的对地连接。这种连接可能会破坏网络的完整性,很容易将通信阻断。

Fluke 125 手持示波表可将屏幕存储在内置存储器中。正如在本技术应用文章中所介绍的(见后面),可将这些屏幕复制到报告中。所使用的仪表设置也将随屏幕一起存储,仪表还允许向复制的屏幕添加名称。

测试连接

沿一个现场总线网络进行的大多数测量都需要将仪表通道 A(标为“A”)的正输入端和接地参考触点 (“COM”) 与总线的正导线和负导线相连。符合现场总线标准的电缆的最常见颜色标识是正端为橙色,负端为蓝色。

有时,手持示波表进行故障排查需要测量某条导线的对地电压。对于这种测量,可将屏蔽端作为接地参考触点。但是,电缆的屏蔽端不应与设备位置处的机箱或接地端相连。

请记住,现场总线的结构采用浮置接地。因此,两条导线都不应在系统中的任何一点与接地端相连。如果一次检查发现了接地连接,则可将其视为可能的网络故障来源。根据现场总线基金会的布线与安装技术规范,只能将电缆屏蔽端在控制室侧的一段干线中接地一次。

在分支与干线相连的位置或在设备的接线端子处,很容易接触到干线的导线。在现场总线网络中通常使用的接线盒采用螺钉型端子。(参见图 1)。在接线盒处进行测量时,不必对电缆结构进行任何改变。并且,很多接线盒上的示意图和伴随文字都清晰无误地标明了导线。

图 1:带有接线图的一个典型 FOUNDATION 现场总线接线盒。

端子上的螺钉是与 STL120 屏蔽测试线探针和 TL75 参考导线接触的很好位置。STL120 和 TL75 是 Fluke 125 Scopemeter 手持示波表的标准附件。(参见图 2)。

图 2:STL120(红色)和 TL75(黑色)测试线是用于在 FOUNDATION 现场总线上进行测试连接的主要工具。当在总线上遇到严重噪声时,尝试使用带弹簧夹的较短测试线(中间)。所有三种测试线都是 Fluke 125 Scopemeter 手持示波表的标准附件。

当环境中存在严重噪声干扰时,可使用带弹簧夹的一条较短圆形导线(图 2 中间)来降低记录的噪声。使用此测试线时,将弹簧夹夹到负端干线导线上。该较短测试线也是 Fluke 125手持示波表 的标准附件。

进行测试连接的另外一种方法是使用 HC120 钩夹选件(图 3),它可将 STL120 探针钩到电缆的导线上。另外一种连接方法是使用 TP88 探针(图 4),它可用于探测导线入口处的螺钉端子。这些长而细的针很容易接触到因布满导线而使用标准测试探针难于接触的点。

电缆检查

当网络停止运行而问题又难于发现时,常常要从检查电缆开始。问题可能来自潮湿或不良空气使电气接头受到腐蚀。或者,也可能是由于振动引起接头断续接触。

图 3:HC120 钩夹

图 4:TP88 探针

对新装置进行检查时,在安装分支线和设备之前,有必要对干线电缆进行测试。为了避免干线电缆成为现有网络的问题来源或新网络中的潜在问题来源,需要进行一些简单测量。可以使用结合到 Fluke 125 手持示波表中的数字式万用表来测量电缆的电阻和电容。如果存在问题,则使用这些测量功能可检测到它们。

1.       手持示波表检查干线电缆的第一步是测量各条导线与屏蔽端之间的电容。两个值(导线 A 对屏蔽端和导线 B 对屏蔽端)应大约相同,因为干线被认为是完全对称的。在进行这些测量时,将电容值与所用电缆类型的数据进行比较,并将干线的长度考虑在内。(本技术应用文章的附录中提供了厂商电缆技术规格的一个例子。)

当 Fluke 125 手持示波表是最佳测试仪表时,测试时需将 TL75 测试线连接到控制室中的屏蔽连接器,并将 STL120 的正端分别与导线 A 和 B 相连。根据干线的长度,电容读数稳定下来可能要用几秒钟时间。读数稳定后,将其记录下来。

2.     下一步,通过将 TL75 连接到一条导线、将 STL120 的正端连接到另一条导线的触点,来测量两条导线(A 和 B)之间的电容。记录结果。

没有获得三个电容中任意一个电容的读数可能表明该部分电路中发生了短路或断线。不稳定读数可能表示接线盒中存在一个较弱的连接,它与干线的某一段只存在断续接触。

如果电容符合预期值,则在导线 A 与 B 之间的干线末端制造一个短路,然后在控制室一侧来测量这些导线之间的电阻。这种测量应产生一个代表干线整个长度上铜导线总电阻的读数。将该读数与电缆的技术规格进行比较,可揭示出干线上是否存在不良接头。请记住,电缆技术规格可能给出单条导线的电阻,但此测试也测量返回路径的电阻。

3.       下一步,取消干线末端处的短路,并测量导线 A 和屏蔽端之间以及导线 B 与屏蔽端之间的电阻。读数应该较高,在几兆欧范围内。较低的数值表明与屏蔽端之间发生短路。短路可能由表面看似不重要的一些因素引起,如编制层上一条很细的导线与螺钉端子的附近位置接触;或者可能是由于电缆有缺陷或接线盒中存在水分。

一旦您确信干线的所有电阻和电容值都符合预期以及电缆技术规格,则对分支线路进行检查。在新装置上,这种检查应在初次连接和测试了每条分支线路之后进行。在检查完每条分支线路之后,重复前面的测试,以发现和纠正整个系统中的错误。如果所有检查都顺利完成,就可安全地将网络加电。

电源电压

每个网络设备都需要适当的电源电压。不正确的直流电源会引起各种个样的错误,这些错误有时是连续的,有时是间歇的。

不正确的电压可能会使设备无法一致地处理数据,频繁断开和重新连接,并且可能根本不对控制器产生响应。

由于电源电压通过可能很长的主网络进行分配,因此在系统中将会产生电压降。每个现场总线设备所用的绝对最小直流电压为 9 V,但最好提供更高的电压。绝对最大电源电压为 32 V。

Fluke 125 ScopeMeter 手持示波表测试工具可测量电源电压,并自动将其与一个上限值和一个下限值进行比较。默认情况下,这些限值被设定为 5.5 V 和 35.0 V。不过,用户可在前面的屏幕菜单上来设置其他限值。对于现场总线系统,选择 9 V 作为最小值、选择 32 V 作为最大值通常可顺利完成工作。

图 5:显示总线状况测试结果的 Fluke 125手持示波表 屏幕。

使用过程中,Fluke 125手持示波表 将通过图标来指示测量的电压是否在限值范围内: = 正常;X = 不正常。另外,当读数落在某个限值的一个特定百分数范围内时,图标可能会变为一个警告符号 (!)。

图 5 是对一个 H1 现场总线系统进行实际总线状况测试的屏幕。如果仪表识别出正在进行进行通讯,则活动性指示灯就会闪烁。

第一行显示了偏置电压。“√”(OK) 表示直流电源电压 (27.7 V) 在限值范围内:9.0 V 和 32.0 V 之间。

Fluke 125 手持示波表与标准数字式万用表的不同之处在于,它可显示最靠近测量是否有超出预设限值的危险。换言之,在负载发生变化时,仪表将显示最靠近下限值或上限值的一个值。

要将保持功能复位,按 Hold/Run(保持/运行)键两次,以保持和重新开始测量。此操作会启动一个新的测量循环,所有结果字段中的值将被清除。

可将该仪表作为一个标准数字式万用表或标准示波器使用。随后,它就可以记录瞬时电压,以便识别出电源中的异常。另外,仪表还可以记录总线上的电源电压变化。可完成这种记录的功能是 TrendPlot™,在仪表的用户手册中对它进行了详细介绍。

图 5 中第 4 行上的沙漏图标表示,在复制屏幕画面的那一刻正在进行一个上升时间测量。该图标的旁边是上一次测量的结果以及此上升时间用来进行比较的限值。在此应用中,高达 8 µs 被视为是可以接受的。正在进行的时间跨度上某个限值的电压读数。该仪表具有一个保持功能,可帮助安装和维护人员确定电源.

由于基于铜的电阻和欧姆定律而存在不可避免的电压降,因此干线末端附近设备的电源电压要低于离电源较近的设备的电源电压。在总线上的各个连接处进行偏置电压测量可发现中断问题,如不良接头。对干线布局的良好了解有助于故障排查人员发现哪个连接点/分支线存在故障。

在 H1 现场总线系统中,干线上的最大电缆长度为 1900m。对于由 AWG 18(直径 1 mm,或每条导线的截面积为 0.79 mm2)导线制作的双绞线电缆,必须将导线 of 2.26 Ω/100m 的电阻考虑在内,当然,对于一条双线电缆来说,电阻将变为 4.52 Ω/100m,在干线的最大长度上两条导线的总电阻将达到 86 Ω。

如果只在干线末端连接了一个吸收 25 mA 的设备,则该设备本身会在干线电缆上引起 2.2 V 的电压降。沿线路连接有多个设备时,因电源电流消耗而产生的电压降会在一些设备上表现出良好电压和不良电压的差别。

表 1(图 6 的后面)列出了针对图 6 中的网络计算出的电源电压,该图显示了带有有限个设备的一条全长度干线。在新网络的设计阶段,应进行相似的计算以确定电缆类型和所需的电源。

图 6:计算因连接的设备和它们离电源的距离所产生的电压降。

表 1:针对图 6 中的进行的供电电压计算。

对于现有系统,如果装置档案中包含一些“现成的数据”,其中包括设计数据和关于系统的物理布局和电缆长度方面的信息,则应将这些数据保留在手边,以作为故障排查过程中的辅助工具。任何与现成数据的偏差都是电缆及接头质量的第一种指示,会帮助故障排查人员找到故障连接的位置。

由于电流(负载)波动是不可避免的,因此在选择电源和电压时,系统设计人员应将电源的满负载输出电压作为基础,同时考虑电源调节装置中的电压降。

信号电平信号电平作为交流波形的峰-峰值幅度进行测量。它与网络干线的阻抗直接相关,任何与标称阻抗的偏差都会影响信号电平大小。

不正确阻抗的一个常见原因是使用了过少或过多的网络终端器。每个干线网段的终端器多于或少于 2 个都会因阻抗以及反射和失真等原因而导致不正确的信号幅度。

第三个终端器会引起大约 3 dB (-30 %) 的信号衰减。终端器缺失或断开会导致幅度超过标称值高达 60 %。

较长的电缆也会使信号衰减。在 H1 现场总线系统中常用的电缆会将信号衰减大约 0.3 Db/100m,或在 1900m 干线的总长度上衰减 5.7 dB。5.7 db 的衰减值意味着对于在电缆一端注入的每伏特信号,在电缆的另外一端不会得到超过 520 mV 的信号。

任何设备上的标称输出信号幅度为 800 mVpp 至 900 mVpp。(其中“pp”代表“peak-to-peak”,即峰-峰值)。在网络上的某个距离处,幅度可能会降低高达 50 % 而不会有任何出错危险。

可将 Fluke 125手持示波表 配置为测量峰-峰幅度值,或测量与偏置电压相比的低电平或高电平偏移。就像在前面所介绍的直流电压测量那样,Fluke 125 手持示波表将实际读数与预设限值进行比较,并同实际读数一起在屏幕上显示,从而清晰指示出读数是好还是差。

最常见的测量是峰-峰幅度测量。参见图 7。仪表用户可将读数读数与内置的默认电平值进行比较,也可以输入一个用户定义电平。当将限值设置为默认值以外的一个值时,文本显示屏上会显示一个星号 (*),如图 7 中“Vbias”行所示。

在进行故障排查时,在网络的各个点处检查信号电平,以确定电平值是否合理。寻找幅度偏差的模式。例如,某个接线盒一侧处的突然变化是一种“严重警告”,表明存在硬件故障。

如果某个设备看上去带来了问题,则在接线盒的各侧进行测量:进入的干线、离开的干线和分支线。此处不应存在信号电平或电源电压上的差别。

另外,在分支线的设备端获取一个读数,并将此读数与在接线盒处记录的读数进行比较。在发送模式中,设备应生成 800 mVpp 至 900 mVpp 范围内的一个信号。高于 1000 mVpp 的信号表明干线网段的端接不正确。

通常,根据与发送器之间的距离,250 mV 至 950 mV 范围内的信号是可以接受的。低于 250 mVpp 的信号可能会引起现场总线设备中出现错误,需要进一步检查。

图 7:用于改变试验限值的设置屏

信号质量和噪声

在一般的术语中,总线上的信号被称为“数字信号”,似乎它们是瞬时完成从低到高的状态改变的。实际并不是这种情况。对于某些类型的网络,对信号转变的速度要求很高。

对于现场总线网络,对转变速度的要求不是那么高。但是,转变速度过慢可能最终会导致信号衰减,这是因为转变时间较长,脉冲的平坦顶部和底部不会稳定下来。出于这个原因,Fluke 125 手持示波表可记录脉冲的上升和下降时间,并显示出是否时间在预设或用户定义的限值范围内。

过慢的边沿转变可能表明干线网段过长,指定的电缆不正确或已损坏,或者某个终端器已断开或缺失。检查信号的转变时间会揭示出此参数沿网络存在的偏差,因此有助于发现硬件故障。

脉冲过冲也是对网络中超过技术参数的阻抗的一种指示。终端器断开或缺失或接线不正确可能会引起这种异常。因此,发生过度过冲时,需对硬件进一步监视。

如果网络从其他设备接收到噪声,则可能会引起信号的保真度降低,并以波形上产生噪声和边沿不稳定的形式表现出来。这种不稳定常常被称为“抖动”,它表明边沿的转变不是与系统定时精确相符。过多的抖动可能会导致通讯损失。

波形检查

Fluke 125 手持示波表所提供的另外一个分析功能是使用眼图模式来目视检查总线上的信号。选择了该模式后,Fluke 125 手持示波表的屏幕将显示总线上交流信号的波形。眼图在屏幕上采用了一种长时间余辉模式。在用户决定清除屏幕或改变仪表的操作模式之前,任何绘制的曲线都会保留在屏幕上。

这种专用的示波器模式可使用户深入探查总线活动性以及总体信号质量。(当然,要使示波器记录下曲线,总线上需要具有活动性。)

慢速改变的边沿不一定表明存在网络问题,但如果转变速度存在较大偏差,则需要进一步调查其原因。

如果仅偶然捕获到一个具有明显不同波形的曲线,则可能是因为某个设备存在硬件问题,或者没有正确为其供电。可通过对沿干线的几个不同点进行监视并考虑进正常信号衰减,来找到该设备的位置。

离进行监视的发送设备的距离越近,来自干扰设备的脉冲信号幅度就越大。

高电平和低电平的展宽可作为信号沿干线发生衰减的一个指示。信号电平的不一致分配可能表示网络中存在不连续,或者某个设备正在生成幅度过低的信号。

图 8:这些 Fluke 125手持示波表 屏幕显示了轨迹是如何使用仪表的眼图显示模式在连续采集过程中形成的。

通过眼图模式,也可对网络上的噪声电平进行分析。噪声会对信号产生干扰,并破坏或中断通讯。电缆屏蔽连接不良或断开会导致接收破坏性的噪声电平。

安装和布线

在存在电机驱动器时,安装的网络电缆要尽可能远离电机驱动器的输出电缆。与其他电缆相比,网路电缆更易受某些设备的电源电缆的影响。例如,电机驱动器与电机之间的电缆就是过度噪声的一个可能来源。

一旦噪声被引入一个分支线路或一段干线,噪声信号就很容易被传输,并根据网络路由噪声的方式,在网络上的各个点处表现出来。这意味着,一个过度噪声源不必与某个设备距离很近就会对该设备造成影响,使其产生通讯问题。

图 9(捕获的另外一个屏幕)显示了存在一些噪声的总线信号。在此情况下,在屏幕的中间检查噪声电平,或在屏幕的左侧检查基准电平(就位于“A”轨迹标识的下面)。这段波形代表就在捕获任何数据包之前的总线上的稳态电压。由于此处的线路相对平静,因此,这一点上的信号幅度是对总线上噪声电平的很好指示。

由于无法针对可接受数值和特定错误指定清晰限值,因此噪声信号的分析必定会具有一定的主观性。此外,严重的总线噪声也是产生通讯错误的一个可能原因。下面是一些指南:

•噪声电平小于 50 mVpp 的一个 800 mVpp 信号是一个近于理想的信号。

•仅为 500 mVpp 的信号电平上具有大于 100 mVpp 的噪声信号可能会引起频繁通讯故障。

数据分析,得出结论

进行完这里所述的测试之后,通过将收集到的数据汇集到一起并对结果进行分析,可得出关于网络上正在发生的情况以及薄弱点在何处的结论。有时,对可用的数据进行分析将会提出另外的问题,这些问题随后可作为执行附加测试的基础,使检查人员更加接近于找到网络问题的解决方法。

附录

电缆特性举例


用作 Fluke 125手持示波表 内的现场总线默认设置的总线状况限值,基于 IEC61158-2。

“Foundation Fieldbus”是现场总线基金会的一个商标。所有商标均为其合法拥有者的财产。

编 辑:初夏
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