Aktuální vydání

celé číslo

12

2022

Automatizace výrobních, montážních a balicích strojů a linek

Elektrické, pneumatické a hydraulické pohony

celé číslo

Význam diagnostiky průmyslové sběrnice pro operátora

číslo 7/2006

Význam diagnostiky průmyslové sběrnice pro operátora

Při realizaci spojitých technologických procesů, kde přerušení výroby znamená hrozbu velkých ztrát, finančních i jiných, je od technologického zařízení jako celku požadována pokud možno trvalá provozuschopnost. Typicky se zde proto uplatní průmyslová komunikační sběrnice Foundation FieldbusTM. Hlavním důvodem, proč sběrnicové systémy postupně převažují nad klasickými smyčkami 4 až 20 mA, jsou přitom diagnostické informace poskytované provozními přístroji připojenými ke sběrnici. Roste i zájem o diagnostické informace o komponentách fyzické vrstvy sběrnicového systému – napájecích zdrojích, kabelech, propojovacích prvcích, terminátorech atd.

Komponenty sběrnice, stejně jako kterýkoliv jiný elektromechanický systém, časem postupně degradují. Tato degradace může v některých případech vyústit v poruchu následovanou přerušením výroby. Firma Relcom Inc., která dodává diagnostické přístroje pro sběrnice už od počátků komerčního využívání této techniky za podpory společností MTL Instruments, nashromáždila za dobu svého působení značné zkušenosti s údržbou sběrnic, vlastní i získané od jejich uživatelů. Na základě těchto zkušeností dospěla k určitým vhodným zkušebním postupům, umožňujícím co možná nejefektivněji najít příčinu daného problému vyskytujícího se ve fyzické vrstvě sběrnice i cestu k jejímu odstranění.

V článku jsou uvedeny principy osvědčených zkušebních postupů a některé zkušenosti získané firmou Relcom při diagnostice sběrnice Foundation Fieldbus s použitím jak přenosných ručních testerů, tak i vestavěného modulu pro diagnostiku sběrnice v režimu on-line od společnosti MTL Instruments.

Preventivní údržba pro spolehlivý provoz

Je-li sběrnice Foundation Fieldbus H1 (dále sběrnice FF) úspěšně uvedena do provozu, většinou pracuje velmi spolehlivě. Čas a vliv okolního prostředí ovšem způsobují opotřebení jejích komponent a poruchy např. těsnění nebo elektrické izolace. Toto vše se děje i na nejnižší, tj. fyzické vrstvě sběrnice, spojující všechny přístroje připojené ke sběrnicové síti a umožňující jejich vzájemnou komunikaci. Fyzickou vrstvu sběrnicové sítě společně tvoří kabely, propojovací bloky, napáječe a terminátory.

Sběrnice FF je velmi robustní, takže problémy jako např. chybějící terminátor nebo zvýšená úroveň šumu se mohou projevovat jen občasným výpadkem zprávy. Ten ale operátor většinou vůbec nepostřehne, protože systém si automaticky vyžádá a pošle zprávu znovu. Operátor je o poruše informován teprve tehdy, když přístroj nereaguje na tři výzvy v řadě za sebou, a je proto systémem vyškrtnut ze seznamu provozuschopných zařízení.

Případná porucha některé z komponent fyzické vrstvy sběrnice může vést až k přerušení výroby, a tím k poklesu hodnoty jednoho z ostře sledovaných parametrů – koeficientu využití výrobního zařízení. Vyhnout se takové situaci může uživatel pravidelnými kontrolami fyzické vrstvy sběrnice, které odhalí jinak skryté problémy. Vhodné způsoby diagnostické kontroly mohou napomoci také při určování příčiny problému. Diagnostika fyzické vrstvy je tedy metodou preventivní údržby sběrnice, která umožňuje maximalizovat využití výrobního zařízení závodu. Dále v článku jsou popsány typické závady komponent fyzické vrstvy sběrnice FF, způsoby jejich detekce a možnosti použití diagnostiky on-line k realizaci opravných zásahů dříve, než případná závada ovlivní chod systému.

Poruchy komponent fyzické vrstvy

Přestože průmyslové komunikační sběrnice jsou obecně velmi spolehlivé, je seznam možných poruch komponent jejich fyzické vrstvy poměrně obsáhlý. Podle zkušeností uživatelů testerů sběrnice lze nicméně poruchy na seznamu rozdělit do několika tříd poruch s podobnými příznaky. Například jestliže je sběrnice vedena v blízkosti měniče frekvence nebo je špatně uzemněno stínění kabelu, výsledek je stejný – šum, rušící signál přenášený mezi přístroji. Při rozhodování, které závady hledat, je dobře vzít v úvahu předpokládanou četnost výskytu určitého problému i úsilí, které bude třeba vynaložit na jeho odhalení.

U průmyslových sběrnic se mohou vyskytovat především dále uvedené poruchy.

Zkrat stínění
Stínění se může dostat do kontaktu s kladným nebo záporným vodičem kabelu sběrnice, popř. s oběma. K nežádoucímu kontaktu může dojít tehdy, jsou-li kabel anebo přístroj špatně nainstalované, poškozené nebo když navlhnou. Zkrat stínění se může navenek projevit různě podle toho, jak kvalitně je sběrnice navržena. U špatně navržené sběrnicové sítě bez galvanicky odděleného napájení nebo bez ochrany vedení proti zkratu může být zkrat mezi stíněním a jedním vodičem příčinou výpadku i několika segmentů sítě. U dobře navržené sítě s největší pravděpodobností vzroste úroveň šumu ve vedení, který může kolidovat se signály přenášenými mezi přístroji. Sběrnice FF je přitom natolik robustní, že dokud se nevyskytne další zkrat stínění, může pokračovat v činnosti.

Přerušené spojení
Vodič se může přerušit, popř. svorka může ztratit kontakt. Porucha tohoto typu vzniká postupně vlivem vibrací, koroze, opotřebení apod. Porušený vodič může po většinu doby vést. Občas však může dojít k jeho přerušení a opětnému spojení, a tím i k příležitostné ztrátě zpráv na sběrnici. Síť opět může dál fungovat bez problémů, protože sběrnice zaznamená ztracenou informaci a opakuje přenos tak, aby přenesla chybějící data.

Šum
Šum ve sběrnicovém vedení se mísí se signálem přenášeným mezi přístroji. Šum může běžně vzniknout vzájemnou vazbou v případě souběhu sběrnicového kabelu s jinými kabely, špatným uzemněním stínění kabelu nebo závadou v přístroji připojeném ke sběrnici. Čím silnější je šum, tím větší je pravděpodobnost narušení signálu.

Přebytečný, chybějící nebo vadný terminátor
Každý segment sběrnice má být opatřen dvěma terminátory (zakončovacími členy), pokud možno umístěnými na vzájemně nejodlehlejších koncích sběrnice. Jestliže je terminátorů víc, je signál utlumený. Chybí-li jeden terminátor, signál na sběrnici je silnější, ale může být v důsledku odrazů deformovaný. V závislosti na jiných svých charakteristikách může síť i v tomto případě fungovat dobře, dokud se nevyskytne další porucha.

Vadný terminátor může deformovat signál na sběrnici (důsledek odrazů). Síť může, v závislosti na zapojení, opět fungovat dobře až do výskytu další poruchy.

Vadný napáječ
Závada na napáječi sběrnice (power supply/conditioner) může způsobit výpadek napájení příslušného segmentu sběrnice. Riziko poruchy segmentu sběrnice v důsledku závady na jednom napáječi se snižuje použitím redundantních napáječů.

Vniknutí vody
Nekvalitní kabelovou vývodkou nebo při poškození kabelu může do systému vniknout voda. Zpočátku se na sběrnici patrně objeví šum. Další pronikání vody může vést např. ke zkratu odbočky sběrnice.

Detekce poruch komponent fyzické vrstvy

Zatím byly v tomto článku popsány určité poruchy, které mohou nastat ve fyzické vrstvě sběrnice. Aby bylo možné tyto poruchy identifikovat, a to pokud možno dříve, než způsobí přerušení výroby, je třeba měřit určitou, jim odpovídající množinu fyzikálních veličin. Při výběru veličin do této množiny je velmi užitečné vyjít z vlastností, které mají diagnostické informace, a jako pomůcku uvést některé příklady jak vhodných, tak i nevhodných diagnostických veličin.

Vlastnosti vhodných diagnostických informací
Informace, popř. veličiny vhodné k použití pro diagnostické účely by měly být:

  • snadno měřitelné: je-li měření některé veličiny obtížné a zdlouhavé, přistupuje se k němu většinou až nakonec, při hledání závady, nebo se vůbec neuskuteční; jestliže je naopak měření tak snadné, že je zvládnou i laici, odpadá jinak nutné zvláštní školení personálu,

  • snadno srozumitelné: diagnostická informace je bezcenná, pokud jí pracovníci, kteří odstraňují závadu, nerozumějí; přidávání dalších složitých údajů vnáší do hledání závady nežádoucí chaos, a tím prodlužuje dobu jejího trvání; na základě srozumitelných diagnostických informací dokáže zkušený provozní pracovník určit příčinu problému, nebo ji dokonce i odstranit, aniž by potřeboval pomoc techniků nebo údržbářů,

  • jednoznačně určující problém: diagnostická veličina má okamžitě určit, zda problém existuje nebo ne; ideální je stav, když lze určit, že pokud je hodnota sledované veličiny v určitém rozsahu, jde jednoznačně o závadu; dosáhnout toho je někdy obtížné v „šedých„ oblastech, kde naměřená hodnota může i nemusí indikovat problém,

  • schopné vybrat možné příčiny: zjistí-li diagnostické zařízení závadu, je třeba znát její příčinu; vhodná diagnostická veličina sama o sobě zredukuje počet možných příčin, které je třeba prošetřit, do krátkého výčtu; v ideálním případě by měla ukázat na příčinu jednoznačně,

  • podnětné: dobrá diagnostická veličina bude podnětná, neboli navádějící obsluhu k dalšímu kroku procesu hledání závady a pomáhající určit její příčinu.

Příklady vhodných diagnostických veličin
Vezme-li se v úvahu uvedených pět „žádoucích„ vlastností diagnostické informace, lze pro sběrnici FF vybrat jako vhodné diagnostické veličiny např. tyto:

  • zkrat stínění jako doslova ideální měřenou veličinu; obvod pro jeho detekci lze snadno sestavit a zkrat jím jednoznačně zjistit; zkrat je snadno srozumitelný a dalším měřením ho lze lokalizovat,

  • úroveň signálu u zařízení je další vhodnou veličinou; specifikace sběrnice stanovuje minimální úroveň signálu u zařízení, takže jakákoliv hodnota menší než určené minimum jednoznačně indikuje problém; vhodným přístrojem lze tuto úroveň změřit, a je-li změřena i u dalších přístrojů, je možné určit, jde-li o závadu týkající se celého segmentu sběrnice (např. vadný napáječ), nebo o závadu jednotlivého přístroje; s měřením úrovně signálu lze jít do „šedé“ oblasti (je-li úroveň signálu nad určeným minimem, měla by sběrnice ještě fungovat, typická úroveň signálu by ovšem měla být výrazně nad minimem; při měření je velmi užitečné znát nejenom minimální, ale i předpokládanou hodnotu),

  • stejnosměrné napětí je další veličina, jejíž požadovaná hodnota je definována ve specifikaci sběrnice; klesne-li pod danou dolní mez, jde o závadu; lokalizovat příčinu pomůže měření stejnosměrného napětí na několika místech podél segmentu sběrnice a měřit napětí dokáže většina údržbářů – v tomto případě stačí použít běžný multimetr; stejně jako při měření úrovně signálu je i v tomto případě vhodné znát nejenom minimální, ale i předpokládané napětí; při použití redundantního napáječe sběrnice kontrola jeho výstupního napětí umožní zjistit vadný napáječ a vyměnit ho dříve, než dojde k poruše druhého napáječe v páru, a tím k výpadku celého segmentu,

  • šum jako veličinu, s níž se pracovníci běžně setkávají a bez problémů ji měří; ve specifikaci sběrnice je uvedena maximální přípustná hodnota šumu; skutečnou hodnotu šumu lze vhodným přístrojem změřit a následně hledat jeho příčiny; několikanásobné měření podél segmentu pomůže určit místo vstupu šumu,

  • opakované přenosy: vhodnou diagnostickou veličinou je také počet opakovaných přenosů dat ke každému přístroji; stanovit ho je sice poněkud složitější, ale diagnostický přínos této veličiny je velmi významný; vychází se z činnosti programového modulu Link Active Scheduler, který řídí komunikaci v segmentu sběrnice a pravidelně kontroluje stav každého přístroje, který je ve fázi předávání oprávnění k přístupu na sběrnici následujícímu serveru (pass token); jestliže přístroj zmešká příkaz pass token, přenos se automaticky opakuje; jak již bylo uvedeno, provozní operátor toto opakování přenosů vůbec nezaznamená a je upozorněn na poruchu teprve poté, kdy tři příkazy pass token projdou bez povšimnutí a dotčené zařízení je vyjmuto ze seznamu provozuschopných přístrojů na sběrnici; vhodným zařízením lze měřit počet opakovaných přenosů v jednom segmentu i u jednotlivého přístroje (některé řídicí systémy již taková měření dělají samy); počet opakovaných přenosů je dobrým ukazatelem všeobecného „zdraví“ fyzické vrstvy; velký počet opakovaných přenosů u jednoho přístroje je známkou problému v jeho připojení.

Obr. 1.

Obr. 1. Ruční tester sběrnice Foundation Fieldbus (Relcom FBT-6)

K diagnostice „zdraví“ sběrnice s použitím některých z uvedených diagnostických veličin je vhodný ruční tester a program pro zpracování a prezentaci zaznamenaných diagnostických údajů v PC (obr. 1, obr. 2).

Sporné diagnostické veličiny
Diskuse o vhodných diagnostických veličinách nutně vede k dotazu na veličiny, jejichž přínos diagnostice je sporný. Jít v tomto směru příliš do hloubky však nemá význam. Sporné diagnostické veličiny prostě nemají již zmíněné typické vlastnosti „vhodných„ veličin.

Již bylo uvedeno několik příkladů vhodných diagnostických veličin vycházejících ze specifikace požadavků na fyzickou vrstvu sběrnice. Měřit a porovnávat skutečnost s požadavky by bylo možné ještě u mnoha dalších. Uvažovat lze např. o časové nejistotě sběrnice (jitter), strmosti náběžné a závěrné hrany impulsů apod. Taková měření ale nejsou jednoduchá, vyžadují poměrně vysoce kvalifikované pracovníky a navíc zpravidla neposkytují přímý klíč k odhalení příčiny závady. Mohou být užitečná vývojářům přístrojů pro sběrnici, ale pro běžné uživatele většinou nejsou vhodná.

Diagnostika on-line

Diagnostiku ve spřaženém režimu (on-line) umožní ekonomicky únosně zajistit modul sledující několik segmentů sběrnice současně. Ten může být např. vestavěný v několikakanálovém napáječi sloužícím současně většímu počtu segmentů (obr. 3). Monitorovací modul předává naměřené hodnoty do diagnostického softwaru a může vydávat výstražná hlášení i zobrazovat informace. Diagnostické údaje mohu být přenášeny do nadřízeného počítače nezávislou sítí nebo po samotné sběrnici FF.

Přednosti diagnostiky on-line
K základním přednostem monitorování a diagnostiky on-line patří okamžitá informovanost obsluhy o tom, co se s řídicím systémem děje, a automatický sběr diagnostických dat.

Obr. 2.

Obr. 2. Prezentace výsledku diagnostického měření testerem FBT-6 programem FBT-6 Assistant

Okamžitá informovanost operátorů se zajišťuje zkonfigurováním diagnostického systému tak, aby generoval výstražná hlášení v hierarchických úrovních definovaných uživatelem. Jestliže se hodnota některé ze sledovaných veličin octne mimo přijatelný rozsah, objeví se výstraha upozorňující odpovědného technika, že bude možná nutné situaci blíže prozkoumat. Diagnostický systém tímto včas upozorňuje na možný zárodek problému a jeho software může současně doporučit, jak dál pokračovat ve zkoumání a jaký opravný zásah může být vhodný. Jestliže by potřebný servisní zásah mohl mít vliv na řízený proces, může se oprava naplánovat na nejbližší odstávku.

Automatický sběr dat, který je základem jakékoliv diagnostiky prováděné on-line, navíc umožňuje diagnostická data s minimálním úsilím ukládat a po dlouhou dobu uchovávat pro účely analýzy trendů. Nikdo nemusí chodit po provozu, aby tam měřil a odečítal dané údaje.

Meze diagnostiky on-line
Při rozhodování o tom, zda zavést monitorování a diagnostiku stavu zařízení on-line, je třeba brát v potaz nejen přednosti, ale i meze této metody. Pozornost je třeba věnovat zejména otázkám přídavné infrastruktury, přídavných měřicích bodů, falešných výstrah a nárůstu nákladů.

Přídavná infrastruktura může být požadována proto, že k připojení diagnostického modulu k počítači s příslušným softwarem může být nutné vybudovat oddělený sběrnicový systém. Alternativou je diagnostický modul jako přístroj připojený k samotné (diagnostikované) sběrnici FF. Potom je možné přenášet diagnostickou informaci přímo po řídicí síti. Předává-li zařízení diagnostická data acyklicky, nemělo by dojít k žádnému výraznějšímu nárůstu zatížení sítě.

Obr. 3.

Obr. 3. Typické uspořádání diagnostiky sítě v režimu on-line

Jeden sledovaný bod = jedno diagnostické zařízení je zásada stručně vystihující skutečnost, že diagnostické údaje lze sbírat pouze v tom bodě, v němž je připojeno diagnostické zařízení. Instalace několika diagnostických zařízení podél jednoho segmentu sběrnice patrně nebude ekonomicky efektivní.

Falešné výstrahy, které může diagnostické zařízení generovat, představují další problém. Například blízký úder blesku nebo přepěťová špička mohou generovat krátkodobý nárůst šumu nad přípustnou úroveň a vyvolat výstražné hlášení. Konstrukce sběrnice s takovými přechodnými jevy počítá a výstražné hlášení je v tomto případě zbytečné. Dobrý software se může s takovými spornými situacemi vypořádat, ovšem za cenu větší složitosti (např. složitějšího nastavování mezí v systému správy výstrah).

Větší náklady jsou důsledkem toho, že nepřetržité sledování stavu sítě něco stojí. Aby fungovalo, jsou vedle samotných diagnostických modulů nutná ještě různá doplňková zařízení. Komunikuje-li monitorovací zařízení po sběrnici, je třeba ji doplnit podpůrným hardwarem a softwarem; to znamená náklady navíc k ceně samotného diagnostického modulu.

Závěr

Při sledování diagnostických veličin segmentů sběrnice v režimu on-line lze zmenšit množství dat sbíraných na segmentu při jeho instalaci a uvádění do provozu. Některé postupy ovšem vyžadují sběr údajů přímo na napáječi nebo na provozním přístroji připojeném ke sběrnici, takže pokud se nezjednoduší předávací procedury, bude nadále nutné data sbírat ručním testerem.

Většina segmentů sběrnice FF funguje po uvedení do provozu po mnoho let. Některá pracoviště se nicméně již setkala s poruchami komponent její fyzické vrstvy, které lze diagnostikou on-line odhalit a poté provést opravu dříve, než bude ohrožen provoz technologického zařízení. U diagnostiky prováděné v režimu on-line je důležité, aby poskytovala údaje snadno srozumitelné obsluhujícímu personálu a napomáhala rychle odstranit závady na sběrnici ještě před tím, než přerostou v poruchu řízeného procesu.

Roger Highton, MTL Instruments,
Cyrus Kelly, Relcom Inc.

Překlad z anglického originálu The Benefits of Physical Layer Diagnostics for the Fieldbus Operator a úprava Ing. Jaromír Uher, D-Ex Limited, spol. s r. o., a redakce.