某典型PROFIBUS DP 故障的研究與解決方案

劉希國

（山東鋼鐵集團日照有限公司冷軋廠，山東日照 276800）

0 引言

國內(nèi)某冷軋廠推拉式酸洗線是由奧地利安德里茲公司設計調(diào)試的一條帶鋼酸洗線，電氣自動化系統(tǒng)采用西門子S7-400 PLC、傳動系統(tǒng)采用西門子S120 變頻器，PLC 與變頻器之間采用PROFIBUS DP 的通信結構，是一種典型的控制結構，在多數(shù)的工業(yè)自動化控制中應用比較廣泛。該結構優(yōu)點突出，但其缺點也是顯而易見的，通信故障是該結構最大的致命問題，該故障原因復雜，排查難度大，往往會給生產(chǎn)帶來嚴重的影響。該產(chǎn)線在投用之初，由于產(chǎn)量任務少、作業(yè)率底，設備問題并未暴露出來，但投用一年后，隨著作業(yè)率的不斷提升，設備問題逐漸暴露，年通信故障次數(shù)多達45 次，平均每個月3.75 次，總故障時間2350 min。此間采取了多項措施，通過不斷的分析和嘗試，最終從根本上解決了問題。本文重點論述了針對通信故障所產(chǎn)生的因素及采取的解決方案，希望給大家提供一種解決思路。

1 問題描述

自2020 年9 月份酸洗線滿產(chǎn)以來，多次發(fā)生因傳動柜DP網(wǎng)絡故障導致的產(chǎn)線快停。僅9 月份，因DP 網(wǎng)絡共發(fā)生7 次停機，造成停機時間超過900 min。故障沒有規(guī)律，隨機出現(xiàn)，很難鎖定故障原因。嘗試更換DP 通信插頭、通信電纜、變頻器CU控制單元、處理通信電纜的屏蔽等，均未能解決問題。頻繁的停機嚴重制約著酸洗線的產(chǎn)量，容易造成鋼卷過酸洗使酸洗卷品質降低。

2 原因分析

通信網(wǎng)絡故障的原因復雜，對網(wǎng)絡故障的相關研究和文獻有很多，結合現(xiàn)場實際情況，對網(wǎng)絡故障的原因進行分析，主要有以下4 個：

（1）原網(wǎng)絡為DP 整體串行在同一網(wǎng)段。從PLC 段到最后一個遠程站的網(wǎng)絡布置均使用同一條線路走向，中間設置2 個中繼。任意站點出現(xiàn)問題，就容易引起整片網(wǎng)絡故障或無規(guī)則網(wǎng)絡故障，查找故障點非常困難。存在一個小故障引發(fā)一片大故障的情況。

（2）PLC 的ET200 遠程站同變頻器的CU 單元在同一段網(wǎng)段內(nèi)。經(jīng)過幾次測試發(fā)現(xiàn)，ET200 站相較CU 單元更易受到干擾，且變頻器與PLC 的控制電源用的是同一個電源，存在干擾。

（3）變頻器整流單元的CU 單元同其他CU 單元在同一網(wǎng)段內(nèi)。當整流單元的CU 收到干擾后會造成全線停電，對電氣設備、現(xiàn)場設備均有較大的影響，存在發(fā)生較大事故的概率。

（4）開卷機、卷取機、平整機等大功率變頻器的CU 單元同其他CU 單元在同一網(wǎng)段內(nèi)。大功率變頻器電流波動較大，相較小功率變頻器更易引起干擾。

3 實施方案

3.1 解決信號干擾問題

解決信號干擾問題，重新對電氣柜的接地系統(tǒng)進行檢測確認，敷設新的接地電纜，確保接地系統(tǒng)可靠。將電氣柜內(nèi)的通信電纜路徑重新規(guī)劃敷設?？煽康慕拥厥窍蓴_的重要保障，為此，將動力電纜接地與通信電纜的接地進行柜內(nèi)分離，避免相互干擾。

3.2 網(wǎng)絡拓撲結構優(yōu)化

對網(wǎng)絡拓撲結構進行優(yōu)化，將原來的串行結構改成多路并行結構，將不同類型設備進行分組，避免相互影響（圖1、圖2）。

圖1 改造前的網(wǎng)絡拓撲

圖2 改造后的網(wǎng)絡拓撲

圖1 中的網(wǎng)絡拓撲結構是一種串行結構，其缺點是網(wǎng)絡中任何一個出現(xiàn)故障，就可能會導致整個網(wǎng)絡出現(xiàn)故障，且故障點很難鎖定。在實際應用中，類似故障頻繁發(fā)生，且報警站點無規(guī)律，常規(guī)的判斷方法不能很快找到故障點，往往需要很長時間排查故障，方法是更換通信插頭、通信電纜、通信模塊等。在網(wǎng)絡結構上主要采取以下措施：

（1）串行網(wǎng)絡改為并行網(wǎng)絡，利用5 通道HUB 將串行網(wǎng)絡分解為并行網(wǎng)絡方式。

（2）不同網(wǎng)段間進行信號隔離，一定距離后增加信號放大功能。合理利用博森泰克HUB 的信號隔離、信號放大等功能。

（3）將該網(wǎng)段內(nèi)ET200 站單獨規(guī)劃為一個網(wǎng)段。

（4）通過增加網(wǎng)段的方式盡量減少負載干擾的影響。在控制系統(tǒng)中，往往存在很多具備儲能特性的負載，由于沒有加裝信號隔離裝置或者浪涌吸收器，當控制出點切換時將會產(chǎn)生高于電源電壓數(shù)倍甚至數(shù)十倍的反向電動勢，對系統(tǒng)中的相關設備產(chǎn)生較大沖擊。采用將網(wǎng)段細分的方法，將可能存在問題的一些設備分離到各網(wǎng)段中，盡可能減少負載的干擾影響。

（5）將整流CU 單元單獨作為一站，保障全作業(yè)區(qū)變頻等設備的總電源安全。盡量避免其他原因造成的DP 故障影響到整流的停送電，從而使冷軋部區(qū)域電流波動在正常范圍，同時降低設備因為電源原因造成的損壞。

（6）調(diào)整大功率變頻器分布到不同網(wǎng)段或者單獨作為一個新網(wǎng)段。

（7）規(guī)避DP 線纜附近電流、電壓干擾。

（8）線路調(diào)整、減少干擾。通過測試不同線路走向時的信號干擾情況，重新布置網(wǎng)絡的走向，規(guī)避存在或可能存在的干擾源。

（9）為DP 網(wǎng)絡獨立鋪設鋼管作網(wǎng)絡屏蔽處理，降低外界對網(wǎng)絡的影響。

改造后的網(wǎng)絡拓撲結構如圖2 所示，采用為多路并行結構，PLC 與變頻器、ET200 之間的通信通過HUB 分成并行的多路，本案例中采用了5 路。多路并行結構的特點是減少了整個的網(wǎng)絡負載，5 路通信并行互不影響，能夠縮小故障影響范圍，快速鎖定故障點，而且HUB 本身具有信號隔離與放大功能，提高網(wǎng)絡的信號質量，大大提高了網(wǎng)絡的穩(wěn)定性（圖3、圖4）。

圖3 改造前的網(wǎng)絡信號檢測

圖4 改造后的網(wǎng)絡信號檢測

3.3 電源分離

將PLC 的電源與變頻器的控制電源進行分離，避免電源之間存在的干擾。由于2 個系統(tǒng)的電位存在差異，且PLC 系統(tǒng)受外部信號的影響較大，當外部負載發(fā)生異常時，24 V 電源產(chǎn)生波動，變頻器的控制電源也會受到影響，可能會導致變頻器控制板損壞，引發(fā)通信故障。

3.4 程序優(yōu)化

程序優(yōu)化，增加濾波功能。通信故障往往表現(xiàn)為瞬間的閃斷，一般在1 s 內(nèi)很快就恢復正常。網(wǎng)絡瞬間閃斷會造成產(chǎn)線快停甚至急停，影響較大，恢復系統(tǒng)需要較長時間，嚴重影響生產(chǎn)的正常運行。通過評估，通信瞬間的閃斷，如果不觸發(fā)快?；蚣蓖?，并不會造成大的影響，生產(chǎn)也能正常運行。基于這種思路，優(yōu)化控制程序，增加通信閃斷的濾波功能，將瞬間的閃斷給濾掉。

3.5 增加隔離變壓器

給控制電源增加隔離變壓器，使一次側與二次側的電氣完全絕緣，也使該回路隔離。另外，利用其鐵芯的高頻損耗大的特點，抑制高頻雜波傳入控制回路，消除諧波的干擾。

4 效果分析

（1）通過對接地系統(tǒng)進行重新優(yōu)化，故障發(fā)生的范圍及通信故障發(fā)生的次數(shù)有所降低，但效果不明顯，未能從根本上解決問題。

（2）通過改造網(wǎng)絡的拓撲結構，將網(wǎng)絡由串行結構改成并行結構，通信故障次數(shù)明顯降低，效果顯著。一方面是由于并行結構，縮小了故障產(chǎn)生的范圍；另一方面由于HUB 具有的隔離放大功能，增強了通信信號的強度，降低了因網(wǎng)絡傳輸距離所產(chǎn)生的衰減。

（3）PLC 與變頻器之間的電源分離及隔離變壓器的引入，有效的解決了電源之間的相互干擾及電網(wǎng)中的諧波對控制電源的干擾，降低了諧波對電路產(chǎn)生的損害。最明顯的效果是變頻器CU 控制單元的損壞率顯著降低，改造前因變頻器CU 控制單元損壞造成的故障不斷，改造后未再發(fā)生過控制單元損壞的情況。

（4）對程序進行優(yōu)化。雖然不能從根本上解決通信問題，但可避免通信閃斷引發(fā)的不必要的報警，大大減少停機時間。從實際運行的情況來看，效果良好。

5 結語

通過對一起典型PROFIBUS DP 故障的研究和分析，制定方案，進行改造優(yōu)化，最終徹底解決系統(tǒng)故障。對于解決網(wǎng)絡故障問題，可得出如下結論：

通信故障的成因是復雜多樣的，涉及硬件、軟件、網(wǎng)絡結構、電磁干擾、現(xiàn)場因素等5 個方面，要綜合分析，從這5 個方面著手逐步排查。為避免這些故障的產(chǎn)生，在最初的設計和施工中就應該要充分考慮這些因素，合理的對網(wǎng)絡系統(tǒng)進行配置。

在工業(yè)控制網(wǎng)絡設計中，要對網(wǎng)絡結構進行合理的配置，盡量避免串行結構，將所有設備都串在一個網(wǎng)絡中，最好采用多路并行結構，用HUB 將不同類型的設備分別配置在并行的多路網(wǎng)絡中。同類型的設備配置在一個網(wǎng)絡中，對生產(chǎn)影響不大的設備配置在同一個網(wǎng)絡中，能縮小故障范圍，便于快速鎖定故障點；對生產(chǎn)影響不大的設備即便發(fā)生通信故障也不會對生產(chǎn)造成影響。加爵通信故障的關鍵點在信號的干擾方面，要解決干擾問題，需要考慮接地的問題，電磁干擾的問題，諧波干擾的問題。不同系統(tǒng)之間的隔離是非常必要的，設計中要盡量對不同系統(tǒng)的電源進行隔離，必要的地方要增加隔離變壓器和相應的濾波設備。