矯直機(jī)Profibus總線現(xiàn)場調(diào)試過程中的故障分析

付 君

（西寧特鋼有限公司加工分廠，西寧 810005）

近年來，隨著制造業(yè)自動化和過程自動化中分散化結(jié)構(gòu)的快速增長。Profibus現(xiàn)場總線的應(yīng)用越來越廣泛。由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化，使其從設(shè)計、安裝、投運(yùn)到正常生產(chǎn)運(yùn)行及檢修維護(hù)，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。不僅減少了硬件數(shù)量與投資，節(jié)省了安裝費(fèi)用，而且系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用也大大降低?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)不僅精確度與可靠性高.而且在使用和維護(hù)方面使用統(tǒng)一的組態(tài)方式。使安裝、運(yùn)行、維修簡便?，F(xiàn)階段，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在鋼鐵企業(yè)的應(yīng)用逐步普及。

由于鋼鐵企業(yè)現(xiàn)場環(huán)境非常惡劣，灰塵大、震動強(qiáng)、溫度變化大，且需要24h連續(xù)不斷地運(yùn)行，因此對生產(chǎn)現(xiàn)場控制設(shè)備較其他行業(yè)有更高的要求。2011年由于公司技術(shù)改造需要，將原大棒材精整線∮180矯直機(jī)進(jìn)行搬遷至一軋車間后部區(qū)域。在搬遷調(diào)試中出現(xiàn)了一些問題，將在下面進(jìn)行分析。

1 PLC系統(tǒng)在∮180矯直機(jī)中的應(yīng)用

∮180矯直機(jī)主要由前部送料系統(tǒng)（含上料架、前臺輸入輥道）、矯直機(jī)本體（包括矯直機(jī)主機(jī)、主傳動裝置）、后部出料系統(tǒng)（后部下料架、出料輥道）。

1）硬件及軟件組成

（1）硬件：1個 Profibus-DP主站 S7-300 CPU315-2DP；兩個從站ET200M接口模板IM153-1及輸入/輸出模板：6SE7036-0EK60變頻器（帶Profibus-DP接口模板）兩臺，用于主傳動控制；兩臺ATV71HD37N4施耐德變頻器（用于控制前后臺輥道）；研華工控機(jī)1臺，用于調(diào)整尺寸監(jiān)視及程序調(diào)試、故障處理；Profibus通信電纜。

（2）軟件：STEP 7 V5.4；WINCC 6.0；變頻器GSD文件

2）系統(tǒng)的組成

矯直機(jī)PLC控制系統(tǒng)由1個主站、兩個ET200M從站、4個變頻器從站和 1個 HMI站和 1根Profibus-DP網(wǎng)線構(gòu)成。矯直機(jī)PLC控制系統(tǒng)配置如圖1所示。

3）系統(tǒng)的功能

本系統(tǒng)采用Profibus-DP現(xiàn)場總線方式，1個主站帶7個從站。主站CPU3 15-2DP及變頻器從站、一個ET200M從站設(shè)在電磁站內(nèi)，另一ET200M從站及工控機(jī)分別設(shè)在操作臺上。主站（CPU315-2DP）與從站變頻器、ET200M間采用相同的Profibus-DP總線通信協(xié)議進(jìn)行實時通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與控制。工控機(jī)由于僅作為調(diào)試監(jiān)控使用，故采用Profibus電纜連接至操作臺ET200站，作為從站使用。

圖1

2 調(diào)試中出現(xiàn)的故障分析

由于本次搬遷沒有進(jìn)行系統(tǒng)變動，所以一切都是按照原有圖紙組織施工。但是由于對 Profibus總線系統(tǒng)理解不深，在調(diào)試過程中仍然出現(xiàn)一些問題，下面將本次搬遷中的通信故障進(jìn)行逐一分析：

1）工控機(jī)連接約1min后，通信中斷

系統(tǒng)上電后，工控機(jī)通信時斷時續(xù)，通信中斷后，再次連接又可通信一段時間。于是懷疑通信線路有問題，對工控機(jī)連接Profibus通信接頭進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn) Profibus連接頭接反，正確的接法應(yīng)如圖2所示。

圖2

Profibus-DP接頭的電路原理圖如圖3所示。

工控機(jī)作為從站的末端，其連接電纜應(yīng)為IN，施工人員施工中卻接至OUT端。

圖3

我們從終端電阻的作用原理可知，電信號（電流、電壓信號）在沿導(dǎo)線傳輸過程中，由于分布電感、電容和電阻的存在，導(dǎo)線上各點(diǎn)的電信號并不能馬上建立，而是有一定的滯后，離起點(diǎn)越遠(yuǎn)，電壓波和電流波到達(dá)的時間越晚。電信號波在傳輸過程中會產(chǎn)生一個與入射信號波方向相反的行波，通常稱為反射波。這種信號反射，與光從一種媒質(zhì)進(jìn)入另一種媒質(zhì)引起的反射是相似的。根據(jù)傳輸線理論，在網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)置終端電阻可以吸收網(wǎng)絡(luò)上的反射波，消除反射波對信號的干擾。兩端的終端電阻并聯(lián)后的值應(yīng)近似等于傳輸線相對于通信頻率的特性阻抗。總線上沒有站發(fā)送數(shù)據(jù)時（即總線處于空閑狀態(tài)），390Ω的上拉電阻和下拉電阻用于確保A、B線之間有一個確定的空閑電位。

所以由于施工接線錯誤，導(dǎo)致將Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)連接器上的撥動開關(guān)打到“ON”位置時，終端電阻并沒有被接入，從而引起了網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定。將PROFIBUS通信電纜進(jìn)行了重新連接，工控機(jī)聯(lián)網(wǎng)正常，可以進(jìn)行相應(yīng)調(diào)試工作。

2）前臺輸入輥道變頻器連接不上

工控機(jī)通信連接之后，進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)試過程，通過PLC Hardware diagnostics故障診斷，發(fā)現(xiàn)前臺輸入輥道ATV 71變頻器未連接上。懷疑通信電纜連接頭有問題，重新更換連接頭后仍未正常。故障診斷顯示地址錯誤（前臺輸入輥道地址應(yīng)為8）。檢查ATV 71地址撥碼開關(guān)位置，發(fā)現(xiàn)撥碼撥錯。

施耐德變頻器ATV 71撥碼開關(guān)如圖4所示。

圖4

撥碼開關(guān)對應(yīng)列表如表1所示。

如圖4所示，撥碼開關(guān)撥至下位為1，上位為0。地址8所對應(yīng)的開關(guān)為應(yīng)為0000 1000，而現(xiàn)場調(diào)試中可能施工人員出于好奇，撥至 0000 1100（地址12），導(dǎo)致通信地址錯誤，網(wǎng)絡(luò)連接不上。重新?lián)苤?000 1000（地址8）后系統(tǒng)正常。

表1

3）矯直機(jī)運(yùn)行過程中通信網(wǎng)絡(luò)中斷

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)打通之后，調(diào)試工作順利完成，矯直機(jī)投入使用。運(yùn)行一段時期后，操作人員反映操作中有時出現(xiàn)系統(tǒng)連接不上，操作不動作現(xiàn)象。經(jīng)過到現(xiàn)場仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)這種故障現(xiàn)象偶有發(fā)生，但是每次總是發(fā)生在主傳動起動的瞬間，判斷應(yīng)該與主傳動變頻器有關(guān)系。變頻器的輸出采用IGBT電子開關(guān)元件，在輸出能量的同時也在輸出線上產(chǎn)生較強(qiáng)的輻射干擾，影響周邊電器的正常工作。由于在搬遷施工中沒有充分考慮變頻器對外界的干擾問題，電纜敷設(shè)時動力電纜與通信電纜都布置在電纜溝最下層，雖然變頻器輸出電纜采用了屏蔽電纜，但是由于通信電纜與動力電纜距離過近，并不能有效的解決變頻器的干擾輻射。導(dǎo)致通信有時出現(xiàn)中斷現(xiàn)象。

于是對利用矯直機(jī)檢修期間，對通信電纜進(jìn)行重新規(guī)范，將通信電纜及PLC信號電纜全部敷設(shè)在電纜溝橋架最上層，并全部穿鋼管。保證強(qiáng)電與弱電傳輸電纜相對距離越大越好（現(xiàn)場由于空間所限，目前均在400mm左右），同時在柜內(nèi)也將通信電纜與動力電纜距離分開。原計劃要做一套單獨(dú)的接地系統(tǒng)，由于現(xiàn)場附近土質(zhì)及場地限制，暫時沒有實施。

通過以上工作完善后，矯直機(jī)在運(yùn)行中再未出現(xiàn)過此類故障。

3 結(jié)論

Profibus總線的應(yīng)用場合非常多，應(yīng)用環(huán)境也各不相同，但只要嚴(yán)格按照Profibus的規(guī)范進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞脑O(shè)計、遵守布線規(guī)則、處理好系統(tǒng)的“地”與“接地”等，將在很大程度上避免總線網(wǎng)絡(luò)使用中出現(xiàn)的各種問題。同時要清楚的掌握其他傳動裝置的總線協(xié)議及連接方法，也將很大程度上的減少調(diào)試時間。

[1]西門子公司.西門子STEP7 V5.4編程手冊[Z].

[2]施耐德公司.施耐德ATV 71變頻器使用說明書[Z].

[3]張燕賓.SPWM 變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2002.

[4]廖常初.S7 300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2008.

[5]廖常初.西門子工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)組態(tài)編程與故障診斷[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.

[6]西門子公司.Profibus現(xiàn)場總線安裝指導(dǎo)[Z].