Profibus-DP現(xiàn)場總線在輪胎生產(chǎn)設(shè)備中應(yīng)用及常見故障排除

孫金銀，劉長城

(1.山東萬達寶通輪胎有限公司，山東 東營 252706；2.固鉑（昆山）輪胎有限公司，江蘇 昆山 215331)

1 Profibus 概述

Profibus是一種不依賴生產(chǎn)廠家的、開放式的現(xiàn)場總線。各種各樣的自動化設(shè)備都可以通過同樣的接口交換信息，也是目前國際上通用的現(xiàn)場總線標準之一。Profibus由三個部分組成，即Profibus-DP，Profibus-PA，Profibus-FMS其 中 Profibus-DP是一種高速低成本的通訊協(xié)議。它的通信分主站和從站。主站之間的通信為令牌方式，主站和從站之間為主從方式，以及這兩種方式的結(jié)合。Profibus-DP主要用于自動化系統(tǒng)中單元級控制設(shè)備與分布式I/O的通訊，它采用RS485數(shù)據(jù)接口，傳輸介質(zhì)用光纖或雙絞電纜，傳輸波特9.6 kbps到12 Mbps，傳輸距離可以通過適配器進行擴展。

2 Profibus-DP 現(xiàn)場總線故障原因及排除方案

從事輪胎維修行業(yè)的人都非常清楚，由于輪胎設(shè)備現(xiàn)場的信號非常多，種類非常雜，采用了現(xiàn)場總線后可大大減少現(xiàn)場信號電纜的數(shù)量，降低成本，同時也降低了因為接線不良導(dǎo)致的小故障。但是采用Profibus-DP現(xiàn)場總線也有一致命的缺點，就是一旦出現(xiàn)總線的故障，將導(dǎo)致整個設(shè)備無法正常運轉(zhuǎn)。目前Profibus-DP總線采用菊花鏈鏈接，一個從站出現(xiàn)問題，其他從站不受影響，盡量避免網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)大面積癱瘓的情況。因此我們稱現(xiàn)場總線就像一個人的“神經(jīng)系統(tǒng)”，主站就像人的大腦，從站就像人的各個器

官，一旦“神經(jīng)系統(tǒng)”出現(xiàn)問題，“大腦”就無法給身上的“各個器官”下達命令，同時“各個器官”也無法向“大腦”傳遞狀態(tài)信息，導(dǎo)致整個“人”癱瘓。（見圖1）。

圖1 菊花鏈鏈接示意圖

輪胎制造車間現(xiàn)場工作環(huán)境比較惡劣，特別是煉膠車間，粉塵、炭黑等顆粒較多，經(jīng)常導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)總線故障，由于Profibus-DP的本質(zhì)是遵循RS485協(xié)議的，所以每當(dāng)故障發(fā)生時我們還是應(yīng)該利用以前我們輪胎制造設(shè)備現(xiàn)場總線積累下的經(jīng)驗來考慮問題。本文主要以德國貝爾斯托夫內(nèi)襯層生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)圖為例，分析了主要Profibus-DP的故障（見圖2）。

從圖2的網(wǎng)絡(luò)中可以看出，該網(wǎng)絡(luò)包括兩條Profibus-DP總線，一條控制的是外圍的遠程I/O模塊和變頻器和溫度控制儀表，另一條控制的為柜體內(nèi)部的模塊和變頻器。一共多達50多個站點，因此每個站點出現(xiàn)故障，均會導(dǎo)致該設(shè)備停機。本人從事輪胎電氣控制系統(tǒng)維護多年，總結(jié)下來Profibus-DP 故障及排除方法主要有以下幾種：

圖2 德國貝爾斯托夫內(nèi)襯層生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)圖

（1）從站接口模塊報錯（丟站）

目前從站接口報錯有兩種，一種是BF閃紅，主要是通訊故障，我們稱之為“丟站” ，原因一般為通訊接口接觸不良或接口模塊損壞。另一種是SF 報警，這個故障一般為系統(tǒng)故障，主要原因為接口模塊下端掛的其他功能的模塊損壞，可通過STEP7軟件進行硬件診斷，方便排除故障模塊。另外，最難處理的是通信線路上的不規(guī)則“丟站”，這種情況有一部分原因是由DP接頭造成。筆者長期從事三復(fù)合、內(nèi)襯層擠出壓延等設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)維修，積累了一些經(jīng)驗，主要采用“分段法”處理。還是以內(nèi)襯層設(shè)備為例，故障排除主要步驟如下：

首先將網(wǎng)絡(luò)從中間斷開，我們一般是將中間的一個分站（兩輥壓延機分站）的DP接頭終端電阻由OFF撥碼開關(guān)置于ON位置，這樣這個接頭后面的網(wǎng)絡(luò)就已經(jīng)和主網(wǎng)斷開。這時觀察前一段網(wǎng)絡(luò)是否穩(wěn)定，如果發(fā)現(xiàn)壓延機分站前面所有的站均不報錯，這樣就可以確定這段網(wǎng)絡(luò)是沒有問題的。然后我們又將網(wǎng)絡(luò)斷開點往后延伸了10個站后（二號工位導(dǎo)開站）再斷開網(wǎng)絡(luò)（off轉(zhuǎn)到on），發(fā)現(xiàn)這時網(wǎng)絡(luò)又開始報錯，因此，我們可以初步確定故障點就在這10個站內(nèi)，然后我們在這10個站內(nèi)，逐個排除，最終找到故障點。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障后，主要的處理手段主要是打開DP接頭，檢查接線問題，目前Profibus-DP接頭接法主要有兩種：

a.只有一組 Profibus-DP 通訊線與接頭連接時，這種情況是 Profibus-DP起始和終結(jié)節(jié)點的連接情況，可分別將標準Profibus-DP 通訊線中的綠色線與A1 連接、紅色線與 B1 連接，并將撥碼開關(guān)置于 on位置，連接終端電阻。

b.有兩組 Profibus-DP通訊線與該插頭連接時，這種情況是 Profibus-DP中間節(jié)點的連接情況，兩根線分別為一進一出，可分別將兩組通訊線中的綠色線與 A1、A2 連接、紅色線與 B1、B2 連接，并將撥碼開關(guān)置于 off 位置，斷開終端電阻。

在連接DP接頭時，一定注意將通訊線中的屏蔽層（金屬網(wǎng)和鋁箔）與插頭中的金屬片可靠連接，以消除電氣干擾。

（2）Profibus-DP接頭損壞及通訊電纜老化或過長導(dǎo)致線上電阻增大

Profibus-DP線路和接口模塊連接主要通過DP接頭（見圖3），而每個接頭都有一個終端電阻和兩個偏置電阻，終端電阻的阻值是220 Ω，偏置電阻390 Ω（具體內(nèi)部電路見圖4），當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)整個線路通訊上的所有站都異常時，我們首先要考慮終端電阻是否正常。

圖3 DP接頭示意圖

圖4 終端電阻和偏置電阻電路圖

具體故障檢查及排除方法：

a. 首先把起點終端DP插頭撥碼開關(guān)撥為ON；b. 其余DP插頭全部撥為OFF ；

c. 使用萬用表歐姆檔，測量起點終端DP插頭之間3、8引腳的電阻，如電阻為220 Ω，表示起點DP插頭接線正常，否則反之；

d. 再把相鄰的DP 插頭撥為ON ，仍然測量起點終端DP插頭之間3、8引腳的電阻， 如電阻為110 Ω，表示該DP插頭接線正常，否則反之；

e. 若該相鄰DP插頭接線正常，把它撥為OFF，再把其下一DP插頭撥為ON仍然測量起點終端DP插頭之間3、8 引腳的電阻, 如電阻為110 Ω，表示該DP插頭接線正常，否則反之；

f. 重復(fù)第五步驟，直到測量起點終端DP插頭之間3，8 引腳的電阻遠遠偏離110 Ω，此時可斷定該DP插頭或DP 插頭接線有問題。

注意：測量Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)終端電阻時要將所有DP終端全部從模塊上拔下，不能帶電。

（3）通訊電磁干擾

此類故障比較難于排查，根據(jù)西門子廠家設(shè)備安裝布線規(guī)范，要求Profibus-DP總線必須和高壓電器設(shè)備（特別是變頻器，直流調(diào)速器等大功率電氣設(shè)備、電纜）進行隔離，為了消除通訊干擾，在設(shè)備安裝初期，需嚴格按照施工標準進行施工，主要有以下幾個方面：

a.在配電柜內(nèi)部的Profibus-DP電纜需要穿金屬纏繞管或者金屬網(wǎng)管進行信號隔離，同時在線槽內(nèi)走線時盡量和弱電電纜同一線槽走線，

b.在外部橋架的電纜，要求橋架內(nèi)部必須安裝金屬隔板，保證通訊電纜和動力電纜分開，做到有效隔離，對于信號交叉區(qū)域，考慮到接觸面價較小，如果條件不允許可以不予隔離。

c.對于每根通訊電纜兩端在從電纜橋架接到配電柜時，需用接地卡子對電纜的屏蔽層進行有效接地，以消除干擾。

d.如果是已經(jīng)安裝完成的設(shè)備出現(xiàn)了干擾，則需要排查干擾源，特別是非本機設(shè)備的干擾，必要時進行對干擾源進行信號隔離。

e.如果在移動的場合一定要選用藍色的Profibus-DP通訊電纜，這種電纜是拖曳式柔性電纜，切記不要用紫色的普通電纜替代。

（4）通訊傳輸速率錯誤

此類故障一般很少發(fā)生，只有在設(shè)備調(diào)試初期可能會出現(xiàn)，一般Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)設(shè)置傳輸率為1.5 Mbps，配置文件采用標準。如果網(wǎng)絡(luò)距離不長，在通訊中偶爾出現(xiàn)報故障的情況，可以臨時降低通訊傳輸效率，設(shè)為500 kbps,保證傳輸質(zhì)量，但此類處理方法只用于臨時處理，治標不治本（見圖5） 。

圖5 設(shè)置通訊傳輸率

3 Profibus-DP 現(xiàn)場總線發(fā)展分析

目前西門子公司推出的Profibus-DP總線由于抗干擾能力比較差，故障率比較高，導(dǎo)致目前正在被西門子最新推出的Profinet 總線逐漸淘汰，profinet總線采用RJ45接口和目前的以太網(wǎng)接口通用，抗干擾能力更強，傳輸效率更快。

profibus和profinet主要參數(shù)對照見表1：

表1 profibus和profinet主要參數(shù)對照

4 結(jié)束語

profibus通訊故障一直是困擾現(xiàn)場電氣維護人員的難題。目前西門子的官方資料上也沒有發(fā)表過故障排除方面的標準手冊。我們只能從一些現(xiàn)場的故障處理經(jīng)驗上提煉一些可用的信息進行整理。同時，目前也有第三方廠家推出一些故障檢測設(shè)備，如profibus tester等檢測儀，目前正在摸索和總結(jié)使用經(jīng)驗。類似的產(chǎn)品還很多，這種診斷儀器具備檢測每個通訊站點通訊電壓功能，同時具有示波器功能，能清楚的顯示出profibus-DP段所有主從站的電氣信號質(zhì)量，并以直觀地柱狀圖顯示。并具備主站仿真、拓樸掃描的功能。為現(xiàn)場電氣維護工程師提供了一些必要的幫助，縮短了故障排查時間。