西门子6ES331-7PF11-0AB0
一个项目进行改造，在profibus网络的后面增加了几个站点，距离也非常近，符合profibus网络长度的限制，同时也符合网络的安装规范，接地也良好，施工完成后，从站出现不定期的掉站情况，故事将带您一起分析故障的原因。
网络比较复杂，划分了好几个网段，根据现场测试简单画出网络拓扑图，如图1所示。
为了便于分析，图1中的网络只是示意图，总共有三个网段，只有一个cpu，从站故障多发生于网段1中cpu右边的22个从站设备中。
由于profibus通信是电压差分信号，故障发生在哪一个网段只是结果并不能判断故障源。先使用amprolyzer （profibus报文测试软件，可以在西门子网站上下载）软件对整个网络进行测试，发现有报文错误。现场调试头疼的就是由多个网段组成的网络，必须单独测量，检查的方法也很简单，就是排除法。首**行网络分拆，屏蔽网段2，再在cpu上使用终端电阻隔开cpu左边的36个从站，这样可以排除网段间的相互干扰。后发现大量的错误报文还是由cpu右边22个从站设备发出，这样就确定了故障的网段。
首先检查接地，表面看每个站点都接地良好，因为没有考虑到接地电阻，接地线分布等原因，这些问题对于现场临时调试是不可能的事情，所以就算接地良好。
其次查看是否符合profibus安装规范，包括站点间距离、是否有分支等，看了半天也没查出原因，就算是没问题吧，因为查看每一个接头是否虚接同样不现实。都没有问题，现场了解，在cpu右边22个从站设备的网段中进行过改造，添加了新设备，有一个站点添加在原网段，后面又添加了一个中继器用于扩展和隔离，检查了也没有发现问题，那么问题出现在哪里呢？
表面看不出来，只能通过查看一下通信的物理信号，例如是否受到信号干扰以及profibus安装问题等，使用示波器查看的波形图如图2所示，
在波形上可以看到明显的信号反射，通过时间与信号传输速度的关系，计算到反射的位置距离主站大于70米，而70米处正是添加新设备的位置，再去现场重新检查，发现了一个奇怪的安装现象，如图3所示。
现场查看，发现网络后使用中继器与新加站点隔开，由于安装空间问题，还有一个站点在中继器前安装，然后再连接到中继器，连接从站到中继器的电缆与原电缆不匹配，一个新的，一个是旧的，电缆订货号居然不同，难道问题出在这里？使用终端电阻将使用新通信电缆的站点隔离，再看信号波形图，反射信号消失了，问题找到了，使用一段多余的旧线替换新线后，错误报文很少出现。真是没有想到，一小段电缆居然造成整个网络不稳定。
如果通信电缆的特征阻抗不匹配，通信信号就会发生反射，如果通信距离较长，在末端出现反射，对通信造成的危害更大，即使电缆参数相同，但是厂商不同，特征电阻也会有偏差（手册中标有误差范围为正负10%，所以大偏差20%），如果在长距离使用非profibus协会的电缆，通信质量就更难保证，图4的安装不能说错误，但是应注意上述的问题。
如果现场确实有困难，应在两种电缆交汇处使用中继器隔开。
modbus通讯协议是一种工业通讯协议，它定义的是一种设备控制器可以识别和使用的信息帧结构，独立于物理层介质，可以承载于多种网络类型中。modbus协议把通信参与者规定为“主站”（master）和“从站”（slave），数据和信息的通信遵从主/从模式，当它应用于标准modbus网络时，信息被直接传送。modbus总线网络中的各个智能设备通过异步串行总线连接起来，只允许一个控制器作为主站，其余智能设备作为从站。采用命令/应答的通信方式，主站发出请求，从站应答请求并送回数据或状态信息，从站不能够自己发送信息。modbus协议定义的各种信息帧格式，描述了主站控制器访问从站设备的过程，规定从站怎样做出应答响应，以及检查和报告传输错误等。网络中的每个从设备都必须分配给一个唯一的地址，只有符合地址要求的从设备才会响应主设备发出的命令。
由于modbus总线系统开发成本低，简单易用，并且现在已有很多器、、显示屏等都具有modbus通信接口，所以它已经成为一种公认的通信标准。通过modbus总线，可以很方便地将不同厂商生产的控制设备连成工业网络，进行集中监控。
modbus初为plc通信而设计，它通过24种总线命令实现plc与外界的信息交换。这些总线命令对应的通信功能主要包括ai/ao、di/do的数据传送。但不是很多modbus设备的控制只使用其中的几条命令，对其余命令不做反应。
1.modbus通信格式
modbus协议定义了两种传输模式，即rtu（remote terminal unit）和ascii。在rtu模式中，1字节的信息作为一个8位字符被发送，而在ascii模式中则作为两个ascii字符被发送，如发送字符“20”时，采用rtu模式时为“00100000”，然而采用ascii模式则成为“00110010”＋“00110000”（ascii字符的“2”和“0”）。可见，发送同样的数据时，rtu模式的效率大约为ascii模式的两倍。一般来说，数据量少而且主要是文本时采用ascii；通信数据量大而且是二进制数值时，多采用rtu模式。
主站一次可向一个或所有从站发送通信请求（或指令），主设备通过消息帧的地址域来选通从设备。主站发送的消息帧的内容和顺序为：从站地址、功能码、数据域（数据起始地址、数据量、数据内容）、crc校验码；从站应答的信息内容和顺序与主站信息帧基本相同。modbus除了定义通信功能码之外，同时还定义了出错码，标志出错信息。主站接收到错误码后，根据错误的原因采取相应的措施。从站应答的数据内容依据功能码进行响应，例如功能代码03要求读取从站设备中保持寄存器的内容。
modbus部分功能码
2. crc校验的实现
modbus通信的rtu模式中，规定信息帧的后两个字节用于传递crc（cyclic redundancy check，循环冗余校验）码。发送方将信息帧中地址域、功能码、数据域的所有字节按规定的方式进行位移并进行xor（异或）计算，即可得到2字节的crc码，并把包含crc校验码的信息帧作为一连续的流进行传输。接收方在收到该信息帧时按同样的方式进行计算，并将结果同收到的crc码的双字节比较，如果一致就认为通信正确，否则认为通信有误，从站将发送crc错误应答。
rtu模式一般采用crc-16冗余校验方法，crc-16的校验码为16位（2字节），其中低字节在前，高字节在后。实现crc校验有两种方法：根据crc校验的定义公式进行计算，或者在程序中建立crc校验值表。在程序中使用前者更容易实现，这里需要使用crc生成多项式x16＋x15＋x2＋1。该多项式对应的码组系数为18005h（16进制），去除高位，对应的16位余数为8005h，即为crc-16常数。crc-16校验过程如下：将crc寄存器的每一位预置为1；把该寄存器值与8bit的信息帧数据进行异或，结果存于该寄存器；对crc寄存器从高到低进行移位，在高位（msb）的位置补零，而低位（lsb，移位后已经被移出crc寄存器）如果为1，则把寄存器与crc-16常数进行异或，否则如果lsb为零，则无需进行异或。重复上述的由高至低的移位8次，个8bit数据处理完毕，用此时寄存器的值与下一个8bit数据异或并进行如前一样的8次移位。所有的字符处理完成后crc寄存器内的值即为终的crc值。crc添加到消息中时，先加入低字节，然后高字节。
3. 链路特征
modbus标准的物理层可以采用rs-232串行通信方式，但在长距离通信中常采用rs-422或rs-485代替。在多点通信情况下只采用rs-485方式，所以rtu模式下的modbus系统采用屏蔽双绞线，通信距离可达1000m。一条总线上多可配置31个从站设备。传输线上的信息交换是半双工的，即同时只能有一台设备允许发送信息，主站在发送下一条指令之前等待从站回应，从而避免了线路的冲突。
rtu模式的传输格式是1个数据位，2个停止位，没有奇偶校验位。通信数据安全由控制参数crc-16码保证。rtu接收设备依靠接收字符间经过的时间判断一帧的开始，如果经过3个半的字符时间后仍然没有新的字符或者没有完成帧，接收设备就会放弃该帧，并设下一个字符为新一帧的开始。