杨杰传
广东顺控环境投资有限公司 广东佛山 528325
摘要：针对现场总线系统在运行中出现设备通信不稳定、瞬间通信故障、数据跳变、设备失联等问题，对施工及设计不规范、硬件原因引发的故障进行分析，通过分散控制系统（DCS）组态或Step7硬件组态、总线上各设备故障指示灯、Profibus分析工具及软件等诊断方法，全面排查优化，可以有效地发现现场总线故障，极大地提高了设备运行的可靠性。
关键词：Profibus；现场总线；故障处理；预防策略
引 言
西门子工业控制通信网络主要包括AS－i、Profibus、以太网三种。目前，Profibus总线技术应用范围已从传统的数据通信延伸到现场设备的控制与检测。Profibus总线在日常应用中会出现很多通信故障，网络拓扑结构越复杂，故障隐蔽性就越强，在查找故障源时往往会耗费大量的人力和时间，因此有必要对Profibus总线故障的诊断方法以及处理进行总结。
一、 Profibus总线特性分析
Profibus总线协议参考模型如图1所示。Profibus总线根据应用场合的不同可分为现场总线报文（FMS）、分布式外围设备（DP）、过程控制自动化（PA）。DP总线因抗干扰能力强、传输速度快而主要用于现场单元级设备与分布式I/O（例如ET200M）间的信息通信；最大优点是取代传统的4-20 mA模拟信号，利用标准的RS-485接口通信，解决自动化信息传递问题；传输波特率在9.6 kb/ｓ-12 Mb/ｓ之间，主要应用于过程自动化，适用于安全性要求较高的场合。FMS总线可提供灵活的通信服务，适用于车间级的通信。
图1 Profibus总线协议参考模型图
Profibus总线协议以开放系统互联网络OSI/ISO为参考模型，使用了物理层、数据链路层、用户层，而中间的3-7层没有使用。这种结构的优点是数据传输效率高、速度快，直接数据链路映像（Direct Data Link mApper）提供第二层用户接口，用户接口定义了用户可以调用的功能及DP设备的行为特性。
Profibus总线访问协议有主站、从站主从方式和主站间的令牌环方式两种。对于主从式系统而言，主站拥有总线控制权，可以向从站发送各种控制命令；对于多主站系统而言，主站间通信采用令牌方式进行，即只有得到令牌的主站在一个周期内具有总线的控制权，令牌按用户设定的地址序号在多个主站间传递。
二、故障原因
2.1 施工及设计不规范引发的故障
现场总线发生的很多故障主要来自网段上的干扰，而干扰的主要原因是现场总线的不规范施工及设计引发的，根据调试及维护中发生的故障分析，原因有以下几个方面。
ａ．现场总线链路没有终端电阻或者终端电阻拨码没拨到位，使电缆阻抗不连续，从而产生信号反射，影响通信质量。
ｂ．总线屏蔽线连接不规范，接线质量不高，使得链路多点接地或接地不良，对线路形成干扰。例如：接线箱内网段的干线电缆屏蔽线与支线电缆的屏蔽线没有可靠跨接，造成支线电缆屏蔽不接地；支线电缆与现场总线设备连接处被压扁，屏蔽线通过设备本体接地，造成屏蔽线两端同时接地。
ｃ．现场总线电缆敷设及使用不规范。电缆打结，弯曲半径过小，与可能造成干扰的动力电缆间隔距离过小且并行走线，甚至在同一桥架，也未采取金属隔板分隔措施，电缆通过复杂电磁环境（如变频器等强干扰源）或离开桥架后未用金属套管保护等。另外，使用了不合格的现场总线电缆，或将不同类型的总线电缆混用绞接，都会对现场总线产生干扰。
ｄ．现场总线网段划分设计不合理，线路长度超出设计要求。华能九台电厂设计Profibus－DP总线的通信速率为500 kbit/ｓ，支持的最大总线距离为400ｍ；Profibus－PA总线的通信速率为31.25 kbit/ｓ，距离可达1900ｍ。若超长将影响末端设备的通信质量，也会影响同一链路其他设备的工作稳定性。
2.2 硬件原因引发的故障
整个现场总线链路上任一硬件设备出现问题都会引发故障，下面对较为常见的故障进行分析。
ａ．个别现场总线设备故障成为网段的干扰源，使整个网段的通信出现故障。例如，某磨煤机下部返料调节挡板发生故障，挡板在某一开度频繁摆动，致使整条总线链路上的设备失联，把该执行机构调整修好后，整个网段的通信恢复正常。
ｂ．Profibus－PA总线链路短路，DP/PA耦合器停止工作，造成整条链路设备失联。引发短路原因可能是某个设备进水、某处电缆因受外力挤压、某处电缆因靠近热源而烤焦造成的。
ｃ．由于工作环境温度高、粉尘较大等原因，使DP/PA耦合器自动停止工作，从而整条链路设备失联，更换DP/PA耦合器或待温度降低重新停送电后恢复正常工作。
ｄ．现场总线更换设备后，在网段上找不到该设备。可能是由于地址设置与组态不匹配，有些设备在更改完地址后，需要重新通电后方能生效；或与同一链路上其他设备地址重复；或设备与DCS中GSD（电子设备数据库）文件版本不一致造成的。
三、故障诊断方法
3.1 通过DCS组态或西门子Step7硬件组态诊断
利用DCS组态，对整条链路上的相关设备信息进行查看，分析出大致的故障点，然后就地排查，确定故障点，在做好整条链路设备的相关安全措施后，进行故障处理；对于可编程逻辑控制器（PLC）系统的总线设备，通过西门子Step7里的硬件组态，在线查看模件信息判断故障点位置。
3.2 通过总线上各设备故障指示灯诊断
观察从站上IM153-2模块、DP/PA耦合器或Y-Link 耦合器、光电转换器（OLM）的LED指示灯，在发生故障时根据点亮指示灯的颜色和闪烁状态判断故障类型及故障区域。
3.3 通过Profibus分析工具及软件诊断
利用Profibus分析工具与已安装软件（Profibus－Tester、Profi Trace）的笔记本电脑连接，对总线链路进行检测及故障诊断。该连接具有超强数据统计分析及高速数字示波器等功能，可以检测终端电阻设置、总线地址设置、总线链路长度、通信质量等，为故障诊断定位提供依据，但是有时在连接设备时，需要更换接头，从而使链路中断，这也限制了其在线运行时的使用。
3.4 根据总线拓扑图检查总线链路
对于整条链路出现的故障，可以根据现场总线设备的位置及环境情况，优先检查所处环境恶劣、易发生故障的设备；或者使用折半查找法，即将总线链路中前半段设备接入总线链路，正确设置终端，后半段设备隔离，根据相关信息，判断故障点存在的区域，然后继续分段隔离，重复以上步骤直到确定故障点位置。
四、处理措施
针对以上现场总线故障，结合规范和使用经验，从以下方面改善系统的安全性、稳定性。
ａ．确保每条总线链路首端和终端各有一个终端电阻，且接线正确、供电正常。
ｂ．现场总线的电缆屏蔽层处理应规范，保证每条链路屏蔽层的连续性，每条链路屏蔽层在现场总线箱处与系统等电势相连，单点可靠接地。
ｃ．使用合格的现场总线电缆，电缆敷设符合要求，与可能造成干扰的动力电缆最好布置在不同桥架；干扰强烈区域，最好单独布线。
d.对总线链路长度进行检测、路径优化，保证总线长度在规定范围内。
ｅ．检查每个现场总线设备的总线地址是否设置正确，并与逻辑组态设置一致。
ｆ．总线系统应用的智能型总线设备更新换代比较快，更换设备时，要注意型号版本，应与逻辑中使用的GSD文件版本一致，否则要导入新的GSD文件。
ｇ．总线设备使用环境要符合要求，尽量安装在温度适宜的地方，现场设备也要注意防雨、防潮。
五、现场总线故障的其他预防措施
变频器是现场总线通信故障主要的干扰源，因此设计变频器控制系统时应该注意加进线电抗器、滤波器等来抑制低频干扰。变频器作为高频噪声电流发射源和接收器，其运行时产生的高频噪声电流一定要流回变频器，因此要严格隔离变频器动力电缆和信号电缆。为使变频器运行时产生的高频噪声电流能沿确定路线流回变频器，从变频器到电动机的电源线应该采用屏蔽电缆，并且电缆屏蔽层必须连接到变频器外壳和电动机外壳上，这样屏蔽层将形成一条最有效的高频噪声电流通道。另外，要确保传动柜中的所有设备接地良好，使用短粗的接地线连接到公共接地点或接地母排上。特别需要注意的是，连接到变频器的任何控制设备（比如PLC）要与其共地，同样也要使用短粗的导线接地，最好采用高频时阻抗较低的扁平导体（例如金属网）。其他柜体、盘箱，包括操作盘、端子箱均设计接地排，以保证屏蔽层可以在任何位置双端接地，且所有屏蔽接地点要保证等电位。
每个DP网络尽可能设计较少的站点，以减少故障产生点和排查故障的时间。而网络尽可能成星形分布，多使用OLM（光纤链路模块）和Repeat-er（网络中继器）进行光缆和DP电缆的分支设计，以减少每一段网络的站点数量和长度。在使用光纤时，由于塑料光纤在熔接部位容易造成信号不稳定，因此多使用OLM和玻璃光纤，少使用OBT（光纤总线端子）和塑料光纤。另外，信号线和它的返回线绞合在一起，能减小感性耦合引起的干扰，绞合越靠近端子越好。模拟信号的传输线应使用双屏蔽的双绞线，不同的模拟信号线应该独立走线，有各自的屏蔽层，以减少线间的信号耦合。需要注意，不同的模拟信号不能使用同一个公共返回线。低压数字控制信号线可以使用单屏蔽的双绞线，但是最好使用双屏蔽的双绞线。作为Profibus-DP的终端站点的模块要使用UPS电源，否则断电后，会造成整个网络通信故障。
施工方面，Profibus-DP电缆接入DP连接器时，电缆屏蔽层要长短合适，不要和中间的信号电缆缠绕在一起，屏蔽层要安装在DP连接器内的屏蔽连接处。很多问题都出现在DP连接器，所以此项应该尤为重视。光缆熔接后，要做通光测试，应该为圆形饱满的光束，否则通光效果不好，容易造成网络闪断。铺设网络电缆时要尽可能避开其他电缆，尤其是与变频电动机动力电缆分开，应严格按照设计院设计的电缆桥架号铺设，不能使用桥架的地方穿镀锌管。网络电缆应该在动力电缆和控制电缆后铺设，一旦网络电缆铺设后，应该注意避免新铺设大型电缆与其接触，否则经过拖拽后，DP网络电缆可能会被拉断或变形，容易造成网络闪断。另外铺设DP电缆不要在设备两端预留太多的余量，以免增加网络的负担。
结束语
现场总线控制系统有许多优越性，但在电厂实际应用中，因存在施工设计不规范、现场环境恶劣、电磁干扰、智能设备制造水平参差不齐等因素，使其可靠性下降，同时也因其故障诊断及处理难度大等原因限制了现场总线的发展空间。在维护初期要进行一次全面地排查优化，可以有效地控制现场总线故障，极大地提高可靠性；另外硬件参数要设置正确，使用环境符合要求，远离干扰源，发挥现场总线控制系统的优势。
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