Použití scopemetrů Fluke pro odhalování problémů na průmyslových sběrnicích

 

Průmyslové datové sběrnice pracují při na­prosto rozdílných podmínkách, než je běž­né u komerčních datových sítí. V průmyslo­vém prostředí působí na zařízení, jako jsou např. PLC, síťové kontroléry a další části da­tové sítě podporující řízení výrobního pro­cesu, mnoho vnějších vlivů. Tyto vlivy lze rozdělit na dvě kategorie, a to rušivé pod­mínky prostředí a elektrická rušení.

Zahrnují mechanické vibrace, velké změny teplot, velkou úroveň vlhkosti a špatnou kvalitu ovzdu­ší způsobenou chemickým znečiš­těním a další vlivy. Přičemž tyto vlivy mohou způsobit trvalé nebo částečné přerušení spojení, korozi vodičů a propojovacích míst anebo změny impedance.

Tato rušení přicházejí z rozlič­ných zdrojů. Jističe výkonového napájení při vypínání a zapínání generují špičky napětí. Dopravní­kové pásy a mechanické pohony produkují vysokonapěťové static­ké rázy do elektronických systé­mů. Změny v zátěži obvodů v pro­vozu vytvářejí změny napájecího napětí a mnoho dalších možných zdrojů rušení.

 

Oba tyto zdroje rušení mohou přechodně nebo trvale nepříznivě ovlivňovat součásti datového sys­tému, především zakončovací prvky, vstupní komponenty i kabeláž. Výsledkem je často rušení na úrovni milivoltových signálů, které negativně ovlivňuje výrobní procesy. Tato si­tuace vyvolává potřebu předcházet takovým­to potenciálním komunikačním problémům. Řešení nabízí možnost monitorování potíží na průmyslových komunikačních systémech pomocí osciloskopu.

 

Při problému – např. na systému Field­bus – je třeba nejprve zdokumentovat sou­časné změny systému a poté najít odpovědi především na tyto otázky: Jsou některé části nebo zařízení systému odpojeny? Bylo něco do systému přidáno nebo modifikováno před tím, než problém nastal?

 

Je třeba určit, co pracuje, a co ne. Sepsat, co bylo pozorováno v porovnání s tím, co bylo předpokládáno. Vystopovat, odkud mo­hou pocházet rušení, a spojit je s nastalými událostmi, jako jsou zapínání motorů, přeru­šování pojistek, rozsvěcení světel apod. Dále je třeba vykonat měření na datové síti a po­chopit, oč jde. Přitom se musí pečlivě zdoku­mentovat každé měření. Co a kde bylo přes­ně měřeno. Za jakých podmínek toto měře­ní proběhlo.

 

Začne se měřením na obou koncích ve­dení a porovnají se výsledky. Dále se měří na jednom nebo více místech podél vedení a výsledky se porovnají. Má-li jedno zaříze­ní problém, vykoná se měření poblíž toho­to zařízení. Je-li problém na více zařízeních, je prioritní snahou nalézt srovnáváním mís­to příčiny. Bylo-li přidáno nějaké zařízení či provedena změna v nastavení, měření se sa­mozřejmě vykoná v těchto místech. Je tře­ba zjistit, který segment má problém, a který ne. Pro nalezení rozdílů a problémů je obec­ně nutno vykonat mnoho měření, mezi která patří hlavně měření:

Pro takováto měření vyvinula společnost Fluke několik přístrojů postavených na bázi populárních scopemetrů řady Fluke 120 a Fluke 190. Jde o kompaktní bateriové pří­stroje zahrnující dvoukanálový osciloskop, digitální multimetr a rozšíření o potřebné funkce pro ověřování průmyslových sběrnic. Oba kanály přístroje Fluke 125 jsou galvanic­ky oddělené od země přístroje. Přístroje tedy pracují s tzv. plovoucí zemí. U přístrojů řady Fluke 225 (obr. 1) jsou navíc navzájem od­děleny i oba kanály přístroje. Takováto kon­strukce přináší důležitou schopnost neovlivnit měřený obvod, což je důležité zvláště při mě­ření na sběrnicích. Obě řady přístrojů jsou sa­mozřejmě vybaveny možností ukládat namě­řené výsledky do paměti pro další zpracování, např. pro vytvoření zprávy o měření. Většina průmyslových sběrnic, např. Fieldbus, vytvá­ří dlouhá vedení. U sběrnice Fieldbus i dal­ších jde o vedení se dvěma vodiči s kladnou a zápornou polaritou proti zemi.

 

Při ověřování funkce je obvykle nutné měřit napětí proti zemi. Pro takové měření se jako referenční zem využívá stínění vede­ní, které nemusí vždy být připojeno na kos­tru zařízení či zem v místě přístroje. Podle specifikace sběrnice má být stínění připojeno pouze v jednom místě na zem či kostru tak, aby se nevytvářely zemní smyčky, a tím ne­vznikalo rušení. Další potřebnou kontrolou při ověřování poruchy nebo uvádění do pro­vozu nového vedení je kontrola kapacit ve­dení a zjištění případných svodů a zkratů na vedení a propojovacích bodech. Pro všech­ny tyto kontroly lze s výhodou použít funk­ce zabudovaného multimetru, který využívá třetí pár svorek jak u přístrojů Fluke 125, tak i u Fluke 225. Tyto svorky jsou samozřejmě také plovoucí proti zemi. Lze tak snadno ově­řit kapacitu mezi datovými vodiči a stíněním, vodiči navzájem, ověřit případný svod či pře­rušení (obr. 2).

 

Velmi důležitá je u sběrnice Fieldbus úro­veň napájecího napětí. Protože napájení je rozváděno po vedení, může docházet k jeho poklesu a jeho nízká úroveň pak způsobí ne­správnou funkci koncových zařízení. Mini­mální napájecí napětí u sběrnice Fieldbus je 9 V a maximální 32 V. Scopemetry řady Flu­ke 125 i 225 mohou velmi snadno automa­ticky otestovat dodržení stanovených limitů napájení porovnáním úbytku (obr. 3) s mož­ností uživatelsky nastavit velikost minimál­ní a maximální hodnoty. Scopemetr indiku­je jednoduše značkou J nebo X, zda je úro­veň správná. Na obr. 3 je snímek obrazovky Fluke 125, která dále ukazuje pomocí ikony přesýpacích hodin měření času náběžné hra­ny signálu. Měřením předpětí v různých bo­dech sítě lze zjistit např. špatná propojení ko­nektory, dlouhé vedení atd.

 

Úroveň signálu je měřena jako napětí špička–špička střídavého průběhu signálu. Tato velikost je v přímém vztahu k impe­danci vedení a jakákoliv její změna má vliv na velikost signálu. V případě Fieldbus H1 již více než dva zakončovací prvky na ve­dení způsobí změnu velikosti signálu. Tře­tí zakončovací prvek sníží úroveň o 3 dB (–30 %) a naopak, chybějící nebo poškoze­ný zakončovací prvek způsobí zvýšení úrov­ně o 60 %. Jmenovitá úroveň na Fieldbusu je mezi 800 a 900 mV. Fluke 125 i 225 lze na­stavit tak, aby měřil jak úroveň špička–špič­ka, tak i nejvyšší a nejnižší úroveň signálu. Toto měření je patrné z obr. 4. Dochází-li např. k problémům na některém zařízení, měří se na všech stranách spojovacího bodu, kde by neměly být žádné rozdíly v úrovni signálu. Měří se také na konci u zařízení i na opačném konci vedení a výsledky měření se porovnají s hodnotami naměřenými v propo­jovacím bodu. V režimu vysílání by zaříze­ní mělo generovat 800 až 900 mV špička–špička. Je-li toto napětí asi 1 V, vzniká pro­blém se zakončením. V běžném provozu jsou akceptovatelné úrovně 250 až 950 mV. Při úrovních pod 250 mV bude Fieldbus vyka­zovat chyby. Kromě správných úrovní napá­jení a úrovně signálu je samozřejmě u prů­myslových sběrnic velmi důležitá i kvalita signálu. Sem patří mimo vlastní rušení dato­vého signálu vnějšími vlivy i rychlost náběž­né a sestupné hrany jednotlivých impulzů. U sběrnice Fieldbus H1 není tento parametr příliš kritický, ale u ostaních sběrnic pracu­jících na vyšších rychlostech může být ten­to parametr zásadním problémem. Z tohoto důvodu jak Fluke 125, tak i Fluke 225 jsou vybaveny měřením a vyhodnocením tohoto parametru. Rychlost hran může indikovat např. přílišnou délku segmentu při zaoble­ných hranách nebo nevhodné či poškozené zakončovací prvky. Stejně tak zákmity na průběhu indikují problém na vedení. K pro­blémům s přenosem přispívá i kolísání ho­dinové frekvence signálu (tzv. jitter), které většinou způsobuje rozpad spojení.

 

Přístroje Fluke 125 a 225 měří všechny toto parametry a zobrazují je v podobě jed­noho parametru, jak je patrno opět z obr. 4. Je možné přejít také do grafického zobrazení signálových parametrů a sledovat např. přeno­sové parametry jako průběh tvaru vlny nebo v podobě diagramu oka, známého např. z te­lekomunikační techniky. Při tomto zobrazení dochází k překládání velkého počtu průběhů přes sebe. Tato měření sice nezobrazí rych­lé aktivity sběrnice, ale velmi dobře indikují přenosové vlastnosti (obr. 5). V blízkosti pře­nosového zařízení bude úroveň signálu větší, tedy i velikost oka bude větší. Dále od pře­nosového zařízení bude vnitřní prostor oka menší. Tento diagram může signalizovat také úroveň šumu v signálech. Využitím standard­ní osciloskopické funkce lze zobrazit i reál­ný průběh signálů, a ověřit tak např. skutečný tvar a zjistit rušivé impulzy způsobující poru­chy přenosu (obr. 6).

 

Přístroje řady Fluke 125 a 255 podporu­jí množství průmyslových sběrnic jak poma­lých, jako jsou Foundation Fieldbus, MOD-bus a CANbus, tak i sběrnic rychlých, jako je Ethernet 10/100 Mb, Profibus aj. Pro možnost připojení k daným průmyslovým systémům jsou k dispozici různé připojovací přechodky (obr. 7) a speciální hroty (obr. 8).

 

Další podrobnosti o přístrojích pro ově­řování průmyslových sběrnic, popř. škole­ních z této oblasti, lze získat u zástupce fir­my Fluke pro ČR, společnosti Blue Panther Instruments, na webových stránkách: http://www.blue-panther.cz