基于PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的故障分析

宋光偉 張燕

1 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的分類(lèi)

PROFIBUS是Process Field Bus的縮寫(xiě)，由以SIEMENS公司為主的十三家工業(yè)企業(yè)和五家研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合推出，是聯(lián)邦德國(guó)于九十年代初制定的國(guó)家工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。PROHBUS己經(jīng)成為一種國(guó)際化的、開(kāi)放的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)分為PROFIBUS -DP、PROFIBUS -FMS 和PROFIBUS-PA三個(gè)兼容版本。

1.1 PROFIBUS-FMS（現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)信息規(guī)范）

用于解決車(chē)間層通用性通信任務(wù)，要求面向?qū)ο?，提供較大數(shù)據(jù)量的通信服務(wù)，完成中等速度的循環(huán)和非循環(huán)通信任務(wù)，是一個(gè)令牌結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò)。由于它是完成控制器和智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的通信以及控制器之間的信息交換，因此它考慮的主要是系統(tǒng)的功能而不是系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，應(yīng)用過(guò)程通常要求的是隨機(jī)的信息交換(如改變?cè)O(shè)定參數(shù)等)。強(qiáng)有力的FMS向用戶(hù)提供了廣泛的應(yīng)用范圍和更大的靈活性，可用于大范圍和復(fù)雜的通信系統(tǒng)。主要用于紡織工業(yè)、樓宇自動(dòng)化、電氣傳動(dòng)、低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備等一般自動(dòng)化控制。

1.2 PROFIBUS-PA（過(guò)程自動(dòng)化）

是專(zhuān)為過(guò)程自動(dòng)化而設(shè)計(jì)，具有本質(zhì)安全性，主要用于安全性要求較高的場(chǎng)合以及有總線(xiàn)供電的站點(diǎn)。因此，PA尤其適用于化工、石油、冶金等行業(yè)的過(guò)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

1.3 PROFIBUS-DP（分散外設(shè)）

是一種經(jīng)過(guò)優(yōu)化的、高速廉價(jià)的通信連接，是專(zhuān)為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備層分散加之間的通信而設(shè)計(jì)，使用PROFIBUS.DP模塊可取代價(jià)格昂貴的24V或0-20mA并行信號(hào)線(xiàn)。用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸，其數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)12Mbps。截至目前，DP的應(yīng)用占整個(gè)PROFIBUS應(yīng)用的80%安裝實(shí)例，代表了PROFIBUS的技術(shù)精華和特點(diǎn)。

2 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)常見(jiàn)故障分析及處理方法

2.1 線(xiàn)路引起的故障

故障現(xiàn)象：生產(chǎn)過(guò)程中，通信網(wǎng)絡(luò)突然出現(xiàn)大面積的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)無(wú)法通訊?？刂浦髡綪LC網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示燈提示，網(wǎng)段1出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊故障。

解決方法：通過(guò)STEP7的硬件在線(xiàn)監(jiān)控軟件現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，核子秤通訊子站以后的網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)全部出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊故障。檢查故障點(diǎn)周?chē)木W(wǎng)線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)新增的一處通訊子站的橋架內(nèi)網(wǎng)線(xiàn)出現(xiàn)破損，將破損網(wǎng)線(xiàn)更換后，網(wǎng)絡(luò)通訊恢復(fù)正常。

排查心得：此類(lèi)故障可以采用逐點(diǎn)排除的方法即用通訊節(jié)點(diǎn)逐個(gè)脫網(wǎng)的方法排查此類(lèi)故障。先從發(fā)生通訊故障網(wǎng)段中選擇離通訊主站最遠(yuǎn)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，逐一合上節(jié)點(diǎn)插頭上的終端電阻，排查線(xiàn)路故障點(diǎn)。當(dāng)合上某一個(gè)節(jié)點(diǎn)的終端電阻后，其靠近主站側(cè)的節(jié)點(diǎn)通訊恢復(fù)正常，基本可以判定故障點(diǎn)就在這個(gè)節(jié)點(diǎn)與上個(gè)合上節(jié)點(diǎn)之間。

預(yù)防措施：（1）定期檢查橋架內(nèi)的網(wǎng)線(xiàn)，是否存在破損等影響通訊質(zhì)量情況；（2）設(shè)備進(jìn)行局部改造施工時(shí)，注意不要損壞已經(jīng)鋪設(shè)的網(wǎng)線(xiàn)。

2.2 通訊端口引起的故障

故障現(xiàn)象：在高壓裝置壓縮廠(chǎng)房進(jìn)行進(jìn)出料過(guò)程中，一數(shù)采柜數(shù)次出現(xiàn)突然停機(jī)現(xiàn)象。重新啟動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)后，能夠正常生產(chǎn)。

解決方法：查看觸摸屏的故障信息發(fā)現(xiàn)，該數(shù)采柜存在本地開(kāi)關(guān)和本地電源開(kāi)關(guān)置0、ET200通訊故障等故障。當(dāng)發(fā)生子站通訊故障時(shí)，在PLC控制器的輸入緩沖區(qū)中的輸入信息會(huì)自動(dòng)復(fù)位到常開(kāi)狀態(tài)，所以觸摸屏顯示本地開(kāi)關(guān)和本地電源開(kāi)關(guān)置0。由此基本上可以判斷該儲(chǔ)絲柜異常停機(jī)是其子站的ET200通訊子站通訊故障造成的。檢查ET200通訊模板與DP網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)插頭，發(fā)現(xiàn)插頭緊固螺絲松動(dòng)，致使子站通訊模板與網(wǎng)絡(luò)插頭接觸不良。更換網(wǎng)絡(luò)插頭并重新緊固后，沒(méi)有再出現(xiàn)類(lèi)似現(xiàn)象。

排查心得：在工作環(huán)境較惡劣的情況下，要定期檢查通信端口，尤其是網(wǎng)段線(xiàn)路的末端，當(dāng)出現(xiàn)無(wú)規(guī)律的網(wǎng)絡(luò)末端“掉網(wǎng)”時(shí)，很可能是網(wǎng)段末端DP插頭的終端電阻故障造成的，首先要更換網(wǎng)絡(luò)末端的DP插頭。

預(yù)防措施：（1）定期檢查網(wǎng)絡(luò)接頭是否松動(dòng)、虛接；（2）定期檢查模塊電壓是否正常，壓降是否在允許范圍內(nèi)；（3）定期檢查接地是否規(guī)范，包括動(dòng)力接地和通訊接地。

2.3 中繼器引起的故障

故障現(xiàn)象：在生產(chǎn)過(guò)程中，高壓裝置風(fēng)送段發(fā)生故障停機(jī)，同時(shí)伴有大面積網(wǎng)絡(luò)通訊故障。

解決方法：現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，多路閥旋轉(zhuǎn)電機(jī)停在釋放位置一端，沒(méi)有正常反向。通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)西側(cè)限位開(kāi)關(guān)發(fā)生線(xiàn)路短路，造成DCS04站內(nèi)的24V空氣開(kāi)關(guān)保護(hù)。恰好有一中繼器也從這個(gè)空氣開(kāi)關(guān)引出24V電源，開(kāi)關(guān)一保護(hù)中繼器“掉電”，也就造成了大面積的網(wǎng)絡(luò)通訊故障。單獨(dú)給中繼器提供24V電源后，沒(méi)有再發(fā)生類(lèi)似的情況。

排查心得：有些網(wǎng)絡(luò)通訊的故障，并不一定就是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備自身引起的。故障排查時(shí)，在排除網(wǎng)絡(luò)自身設(shè)備故障后，就要圍繞相關(guān)設(shè)備進(jìn)行排查。

預(yù)防措施：網(wǎng)絡(luò)通訊模塊電源一定要單獨(dú)從總電柜直接引出，不能從子站電源接入或和其它設(shè)備共用一個(gè)電源。因?yàn)橐坏┻@個(gè)設(shè)備出現(xiàn)短路或這個(gè)子站電源中斷，就會(huì)使網(wǎng)絡(luò)通訊模塊“掉電”，整個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)就會(huì)因網(wǎng)絡(luò)通訊模塊電源故障而癱瘓。

3 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)特殊故障的實(shí)例分析及預(yù)防措施

3.1 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接口卡件損壞

某廠(chǎng)操作人員反映電氣機(jī)構(gòu)的多個(gè)電機(jī)無(wú)法操作，經(jīng)熱控維修人員排查發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)Y-LINK卡上的故障 (Error)“紅燈”亮起，該卡所帶的SIMOCODE電擊的全部信息處干故障狀態(tài)，近20臺(tái)電機(jī)、開(kāi)關(guān)信息全部中斷，使該裝置的電機(jī)、開(kāi)關(guān)全部處于癱瘓狀態(tài)。此時(shí)采用復(fù)位或者更換卡件是解決問(wèn)題的最有效的辦法。另外要求廠(chǎng)家寄備件以備再次出現(xiàn)此類(lèi)情況。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)連接器連接松動(dòng)

某化學(xué)水總線(xiàn)調(diào)試期間，運(yùn)行操作人員發(fā)現(xiàn)數(shù)臺(tái)儀表、閥門(mén)的數(shù)據(jù)同時(shí)回零，熱控人員根據(jù)軟件診斷，確認(rèn)是某條總線(xiàn)段出現(xiàn)了故障。認(rèn)真排查了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)卡、總線(xiàn)電源等都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題；接著檢查從站的總線(xiàn)連接器、連接線(xiàn)頭全松動(dòng)，造成了線(xiàn)路的斷路，使得通訊陷入癱瘓。安裝期間采用專(zhuān)用壓線(xiàn)器可以消除隱患。

3.3 數(shù)據(jù)量阻塞

工業(yè)以太網(wǎng)上用戶(hù)負(fù)載的大小決定數(shù)據(jù)量是數(shù)據(jù)量阻塞的原因，為了滿(mǎn)足工藝的要求，經(jīng)過(guò)前期準(zhǔn)備和調(diào)研，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的設(shè)備進(jìn)行合理選型，利用調(diào)試，我們對(duì)操作員站和總線(xiàn)通訊容量進(jìn)行了驗(yàn)證，在預(yù)算范圍內(nèi)選出最優(yōu)的硬件配備方案，使得今后數(shù)據(jù)阻塞的故障隱患可能降為最低。

3.4 操作員站死機(jī)

針對(duì)操作界面的死機(jī)，原因有兩個(gè)：一是控制器時(shí)間程序系統(tǒng)占用大量?jī)?nèi)存，造成控制器運(yùn)行內(nèi)存不夠而死機(jī)；二是病毒導(dǎo)致死機(jī)。后者我們使用定期升級(jí)病毒庫(kù)的方法使得可能性在運(yùn)行期間基本沒(méi)有出現(xiàn)。前者我們升級(jí)了軟件版本，把死機(jī)的可能性降到最小，使得隱患發(fā)生率達(dá)到最小。

結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)作為一種典型的實(shí)時(shí)分布式控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，己經(jīng)成為目前最受關(guān)注的控制網(wǎng)絡(luò)，它在世界上特別是工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用也給它帶來(lái)了新的要求和新的發(fā)展契機(jī)，本文對(duì)PROFIBUS總線(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中的故障及處理方法進(jìn)行了分析總結(jié)，以期為從事相關(guān)總線(xiàn)技術(shù)的人員發(fā)現(xiàn)解決故障問(wèn)題提供幫助。

[1]侯維巖，費(fèi)敏銳.PROFIBUS協(xié)議分析和系統(tǒng)應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社，2006.

[2]李正軍.現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)及其應(yīng)用技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2005.