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Fehlersuche an Ein- und Ausgängen von PAC (Programmable Automation Controller) auf physikalischer Ebene

10. Jul 2013 | Oszilloskope

Techniken, Tipps und Tools zur Fehlerbehebung an der unteren Schicht des OSI-Stack

Abbildung 1: Eine effektive Fehlerbehebung kann eine Prüfung der Verkabelung, der Verbindungen und der elektrischen Eigenschaften von Signalen erfordern, da diese das System durchlaufen.

Signale zu und von automatisierten Prozesskontrollsystemen müssen Informationen akkurat und zuverlässig transportieren. Unabhängig davon, ob es ein altmodisches 4 bis 20 mA Signal ist, dass den Flüssigkeitsstand eines Speichertanks kommuniziert oder ein Ethernet/IP™-Signal, das digitale Anweisungen an ein Förderband im Produktionsbereich einer Fabrik weitergibt, die Integrität des elektrischen Signals ist der Grundstein, auf dem Funktionalität, Zuverlässigkeit und Genauigkeit einer programmierbaren Automatisierungssteuerung beruhen.

Die in zahlreichen Arbeitsumgebungen auftretenden Faktoren wie Hitze, Staub, aggressive Chemikalien, Feuchtigkeit und Schwingungen können ein widriges elektrisches Umfeld erzeugen, die Verkabelung, die Anschlüsse und damit die Signalqualität beeinträchtigen. Als Resultat kann eine effektive Fehlerbehebung eine Prüfung der Verkabelung, der Verbindungen und der elektrischen Eigenschaften von Signalen erfordern, da diese das System durchlaufen (Abbildung 1).

Werkzeugkasten fürs Fehlerbeheben

Werkzeuge zum Testen des Integritätsbereichs eines elektrischen Signals von Digitalmultimetern an Geräte, speziell entworfen, um elektrische Eigenschaften von analogen und digitalen Schaltkreisen zu testen. (Hinweis: Werkzeuge, die Signale als Daten analysieren, werden in diesem Artikel nicht besprochen.) Batteriebetriebene Geräte können „flutende“ Messungen durchführen, in denen kein Punkt des Messinstruments Erdungspotential hat, was dabei hilft, die Messgenauigkeit zu gewährleisten, und dass der Messvorgang die Netzwerkleistung nicht beeinträchtigt.

  • Ein Digitalmultimeter kann grundlegende elektrische Messungen vornehmen (z. B. Kontinuität, Widerstand, und Kapazität), die nützliche, grundlegende Tests der Integrität von Verdrahtung und Verkabelung sind.
  • Oszilloskope helfen Wartungstechnikern dabei, Wellenformen zu inspizieren, ermöglichen es ihnen, dynamische elektrische Eigenschaften wie Rauschen, Verzerrungen und Signalamplituden zu sehen. Oszilloskope für das Testen elektrischer Netzwerke haben die Kapazitäten von Digitalmultimetern und Oszilloskopen, zusammen mit zusätzlichen Eigenschaften für die Fehlerbehebung in Netzwerken. Manche speziellen Oszilloskope können nicht nur Signaleigenschaften messen; sie können detaillierte Wellenformanalysen durchführen (Messen von Baudrate, Jitter, Anstiegs- und Abfallzeiten), Signalstörungen und Anomalien erfassen und sie teilen dem Bediener mit, ob die gemessenen Werte innerhalb des Bereichs gewöhnlicher industrieller Netzwerke liegen.
  • Dedizierte analoge Werkzeuge zur Fehlerbehebung beinhalten eine Reihe von Werkzeugen zur Prozesskalibrierung und -dokumentation (für Druck, Temperatur und Milliampere-Schleifen beispielsweise) im Außendiensteinsatz und Pumpen zur Prüfung von Druck und Vakuum. Eine Reihe dieser Werkzeugen, wie Milliampere-Strommesszangen, haben einzigartige Messfähigkeiten zur Prüfung analoger Ein-/Ausgangssignale.

Beginnen Sie mit den Grundlagen

Beginnen Sie damit, den Umfang der Fehlerbehebungsmaßnahme einzugrenzen, indem Sie klarstellen, was funktioniert und was nicht und sich über die exakten Symptome des Geräts informieren.

Kontrollieren Sie den Serviceverlauf.

Wurde vor kurzer Zeit etwas gewartet oder neu konfiguriert? Wurde etwas, kurz bevor das Problem begann, hinzugefügt oder geändert? Oftmals entstehen Probleme in einem zuvor gesunden System durch Modifikationen oder Reparaturen.

Suchen Sie nach ähnlichen Ereignissen.

Prüfen Sie, ob die Störungen mit bestimmten Ereignissen oder Geräten in Verbindung gebracht werden können, wie beispielsweise einem startenden Motor oder einem angeschalteten Licht.

Führen Sie eine Sichtprüfung durch.

Prüfen Sie, ob die Verdrahtung korrekt und intakt ist (keine Brüche, Ausfransungen oder defekte Isolation). Überprüfen Sie, ob die Anschlüsse fest angezogen, frei von Korrosion sind und mit der erforderlichen Impedanz angeschlossen sind (falls erforderlich). Überprüfen Sie, ob die Länge der Verdrahtungsleitungen innerhalb der Spezifikationen liegt, die korrekten Kabel und Abschirmungen verwendet wurden und ob diese von den elektrischen Leitern isoliert sind (speziell Motorantriebe).

Führen Sie grundlegende elektrische Messungen durch.Führen Sie, wenn nötig und möglich, Messungen durch, um sicherzustellen, dass sowohl Signal- als auch Abschirmungsverbindungen stabil und korrekt sind. Zu den Messungen (von den Grundlagen bis zu den Erweiterungen) zählen:

  • Widerstand und Kontinuität in Verdrahtung. Sicherstellen, dass ein Signalpfad existiert, um eine übermäßige Signaldämpfung zu vermeiden, und ob der Widerstand innerhalb der Spezifikationen liegt (Abbildung 2).
  • Widerstand zwischen Verdrahtung, Schirmung und Erdung. Sicherstellen, dass die Verdrahtung und Abschirmungen isoliert sind und dass die Abschirmungen korrekt geerdet sind.
  • Kapazitäten zwischen Leitern und Abschirmung. Die Kapazitätswerte sollten mit den Herstellerspezifikationen für Kabellänge und -typ sowie Netzwerkart übereinstimmen.
  • Versorgungsspannung. Sicherstellen, dass der Gerätestrom innerhalb der Spezifikationen liegt, besonders, wenn schwache Signale oder Signale mit niedrigerer Amplitude als erwartet festgestellt wurden.

Dokumentieren Sie Ihre Ergebnisse.

Dokumentieren Sie sorgfältig jede Messung, indem Sie notieren, was, wo und unter welchen Bedingungen gemessen wurde.

Abbildung. 2: Überprüfen Sie, ob Signalniveau und Signalqualität innerhalb der Netzwerkspezifikationen liegen.

Digitale Fehlerbehebung auf der physischen Ebene durch die Inspektion digitaler Wellenformen

Digitale Signale werden normalerweise in ihrer idealen Form visualisiert und diskutiert: perfekte Wellenformen mit perfektem Timing und anderen Eigenschaften. In der Realität, speziell in einem industriellen Umfeld, können diese ganz anders sein.

Um digitale Wellenformen zu prüfen, verbinden Sie das Oszilloskop mit der Ein-/Aus-Verbindung und prüfen Sie die Wellenformen.

  • Stellen Sie sicher, dass die Signalwellenformen gut geformt, nicht übermäßig gedämpft und frei von übermäßigem Rauschen sind.
  • Übergänge, die zu langsam sind (langsame Anstiegszeiten haben), können indizieren, dass ein Leiter zu lang ist, ein Kabel beschädigt oder von der falschen Sorte ist, oder dass der erforderliche Abschlusswiderstand defekt ist oder fehlt.
  • Überschwingungen von Impulsen (ein Impuls übersteigt 100 % Amplitude) sind auch ein Zeichen von Impedanzen außerhalb der Spezifikationen eines Netzwerks.
  • Erhöhen Sie den Bildschatten eines Oszilloskops und passen Sie die Triggerung an, um ein „Eye-Pattern“ auf dem Display zu erhalten (Abbildung 3). (Ein dediziertes Netzwerksignal-Inspektionswerkzeug kann eine automatische Eye-Pattern-Einstellung haben.) Dieser Oszilloskopmodus gibt einem Benutzer einen ausgezeichneten Einblick in die Busaktivität und die Gesamtsignalqualität.
    Abbildung 3: Das Display des Oszilloskops zeigt Eye-Patterns für rauschende und saubere digitale Signale.
    Abbildung 4: Die Spannungsmessung an eine 4-20 Milliampere Prozesssteuerungsschleife ist Teil der analogen Fehlerbehebung auf der physischen Ebene.
    • Langsame Flankenübergänge zeigen nicht unbedingt Netzwerkprobleme an, große Unterschiede bei der Geschwindigkeit der Übergänge sind jedoch Anlass für eine weitere Untersuchung.
    • Wenn gelegentlich eine Kurve mit einer deutlich unterschiedlichen Wellenform erfasst wird, liegen aller Wahrscheinlichkeit nach Hardwareprobleme eines einzelnen Geräts vor oder es wird nicht richtig gespeist.
    • Ein großer Abstand zwischen niedrigem und hohem Signalniveau kann eine Signaldämpfung in der Leitung indizieren.
    • Unstete Verteilung der Signalpegel kann eine Störung im Netzwerk oder ein Gerät angeben, das ein Signal mit einer zu niedrigen Amplitude aussendet.

Eye Patterns ermöglichen auch eine Analyse des Rauschens im Netzwerk. Rauschen kann das Signal stören und die Kommunikation beschädigen oder stoppen. Schlechte Verbindungen im Kabelschirm oder nicht verbundene Abschirmung sind häufige Ursachen für ein störendes Rauschen.

Analoge Fehlersuche auf physikalischer Ebene

Auch wenn der Trend in Richtung digital geht, sind analoge Systeme, speziell 4-20 Milliampere (mA) Prozesskontrollschleifen noch überall zu finden, speziell in der Pharmaindustrie, in Raffinerien und anderen Prozessverarbeitungsbereichen ( Abbildung 4). Die Multimeter und Oszilloskope spielen eine Rolle beim Messen und Visualisieren der elektrischen Eigenschaften analoger Systeme, aber dedizierte Werkzeuge können nicht nur analoge und Steuersignale messen, sondern auch dokumentieren und simulieren, dass diese der Norm entsprechen.

Fehlersuche bei Prozesssteuerungsschleifen von 4-20 mA

4-20 mA Kontrollschleifensignale sind eine Prozessvariable (wie Druck oder Ventilposition) mit analogem elektrischem Strom. Zur Fehlerbehebung:

  1. Messen Sie das 4-20 mA Signal. Wenn der Schleifenstrom nicht wie erwartet ist, prüfen Sie auf drei wahrscheinliche Ursachen: eine schlechte Schleifenstromversorgung, defekte/nicht-verbundene/kurzgeschlossene Drähte oder falsche Ausstattung.
  2. Messen Sie die Stromversorgung sowohl am Transmitter als auch am Netzteil. Es sollten zwischen 19 und 23 V am Transmitter vorliegen. Das Netzteil sollte bei ungefähr 24V sein.
  3. Wenn die Messungen der Schleifenstromversorgung verdächtig erscheinen, führen Sie einen weiteren Test über die 24 V Versorgung des Testgeräts durch.
  4. Überprüfen Sie die Verkabelung. Prüfen Sie die Anschlüsse für Verbindungen mit einem Widerstand, der höher als üblich ist.
  5. 5. Testen Sie die PAC Ein-/Ausgangskarte, indem Sie ein mA-Signal auf den Eingang der Steuerung geben und prüfen Sie auf eine korrekte Anzeige.
  6. Senden Sie ein mA-Signal an das finale Steuerelement (beispielsweise ein Ventilstellungsregler). Wenn das Element wie gewünscht arbeitet, befindet sich das Problem in der Verdrahtung oder dem Steuerungsausgangssignal. Wenn nicht, liegt das Problem im finalen Steuerelement.

Störungen in Stromschleifen

Liegt das Problem nicht an einer „toten“ Schleife, sondern an einer ungenauen oder instabilen, können mögliche Ursachen dafür eine fehlerhafte Eingangs-/Ausgangs-Karte auf der PAC oder ein fehlerhaftes Steuerungselement sein. Normalerweise ist es das Beste, zunächst vor Ort den Transmitter, die Anzeige am Instrument oder in der Prozesssteuerung oder das eigentliche Steuerungselement zu überprüfen.

Verwenden Sie eine Strommesszange, um den Schleifenstrom des Steuerungselements zu messen. Vergleichen Sie den Wert mit der lokalen Positionsanzeige am Ventil oder einem anderen Steuerungselement. Geben Sie diese Informationen an den Bediener weiter, um Ihre Ergebnisse zu überprüfen.

Bei einer Stromschleife verwenden Sie die Strommesszange, um den Schleifenstrom zu messen. Überprüfen Sie Ihre Ergebnisse gemeinsam mit dem Bediener, um festzustellen, inwieweit der an der Steuerung angezeigte Wert mit dem tatsächlichen Schleifenstrom übereinstimmt. Dies ermöglicht eine schnelle Prüfung der PAC Eingangs-/Ausgangskarte, die für diese Schleife zuständig ist. Es ist auch möglich, ein Signal zum Steuerraum zu senden – vergleichen Sie wie zuvor, den vom Bediener abgelesenen Wert mit dem aktuellen Strom in der Schleife.

Prüfung von Eingang-/Ausgangskarten von PAC

Zur Fehlerbehebung bei 4-20 mA Eingangskarten, trennen Sie die Prozessschleife, speisen Sie einen bekannten Signalstrom ein und vergleichen Sie diesen mit dem angezeigten Wert. Prüfen Sie die Spannungseingangskarte auf gleiche Weise, indem Sie eine bekannte Signalspannung einspeisen.

Wenn das Steuersystem nicht antwortet, kontrollieren Sie den Eingangswiderstand der Eingang-/Ausgangskarte. (250 Ohm ist ein typischer Wert.) Wenn die Widerstandsmessung einen offenen Schaltkreis anzeigt, könnte die Ein-/Ausgangskarte defekt sein oder eine durchgebrannte Sicherung haben.

Analyse von Daten und Schlussfolgerungen

Manchmal enthüllt eine einzelne Messung die Ursache eines Problems. Manchmal ist eine sorgfältige Analyse der gemessenen Ergebnisse erforderlich und darum ist es wichtig, die Messwerte im Laufe der Fehlerbehebung aufzuzeichnen. In manchen Fällen wirft die Messwertanalyse neue Fragen auf, die dann die Grundlage neuer Tests sein können und den Prüfer einen Schritt näher an die Lösung der Systemprobleme bringen.