PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)通訊故障分析及處理方法

范學(xué)廣

摘? ?要：PROFIBUS-DP（分布式周邊Decentralized Peripherals）網(wǎng)絡(luò)具有高速低成本特點，被廣泛應(yīng)用于各工業(yè)現(xiàn)場，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信，PROFIBUS DP主要是用在PROFIBUS主站和其遠(yuǎn)程從站之間的確定性通信，允許主站及主站之間的通信。但由于其網(wǎng)絡(luò)特性及現(xiàn)場環(huán)境等因素易發(fā)生各類網(wǎng)絡(luò)通訊故障，且網(wǎng)絡(luò)通訊故障較難查找及處理，本文以實例的方式主要講述了PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計施工注意事項及故障分析處理方法。

關(guān)鍵詞：PROFIBUS-DP? 網(wǎng)絡(luò)? 干擾? 優(yōu)化

1? DP網(wǎng)絡(luò)故障實例

PROFIBUS-DP是一種單一的，一致性的通訊協(xié)議，因其具有高速低成本，適用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O通訊和復(fù)雜通信任務(wù)的特點，使得PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡(luò)成為工業(yè)控制現(xiàn)場應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)之一。但是由于現(xiàn)場安裝不規(guī)范，電磁場干擾等因素往往造成網(wǎng)絡(luò)的中斷，或通信性能下降造成網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定，下文將通過結(jié)合現(xiàn)場故障實例的排查和解決，分享一下PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線在使用過程中遇到的問題和故障分析思路。

實例一，某鋼廠煉鋼轉(zhuǎn)爐DP網(wǎng)絡(luò)因設(shè)計不合理導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)節(jié)點過多、分布廣且很多節(jié)點分散在高溫粉塵的復(fù)雜環(huán)境，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)故障頻發(fā)，嚴(yán)重影響產(chǎn)線的正常生產(chǎn)。針對以上問題，制定優(yōu)化改造方案如下。

（1）改善現(xiàn)場環(huán)境。現(xiàn)場必需的操作箱DP從站搬離高溫和粉塵環(huán)境;（2）優(yōu)化DP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和環(huán)境。取消現(xiàn)場環(huán)境惡劣處的DP網(wǎng)從站，在離現(xiàn)場較近且環(huán)境較好的地方新建一個遠(yuǎn)程站室，以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。同時可使網(wǎng)絡(luò)簡潔，減少網(wǎng)絡(luò)故障點，降低事故發(fā)生的概率。

通過改造優(yōu)化，新建一個遠(yuǎn)程站，將各操作箱內(nèi)模塊進(jìn)行集成到該遠(yuǎn)程站，設(shè)備運行環(huán)境得到了明顯的改善，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得簡單明了，減少了從站數(shù)量。經(jīng)過優(yōu)化改造后，網(wǎng)絡(luò)故障點大大減少，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所處環(huán)境得到明顯改善，DP網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)得到有效提升。

實例二，某鋼廠熱軋介質(zhì)液壓站DP網(wǎng)絡(luò)故障頻發(fā)，經(jīng)常性發(fā)生DP網(wǎng)絡(luò)閃斷的故障，頻繁時DP網(wǎng)絡(luò)1h能發(fā)生上百次閃斷，閃斷時間一般為10～30ms且會自行恢復(fù)。針對這一問題，首先為了保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行，在PLC控制程序中增加網(wǎng)絡(luò)濾波程序，避免DP網(wǎng)絡(luò)閃斷導(dǎo)致觸發(fā)程序連鎖停車，同時將現(xiàn)場IO控制柜中關(guān)鍵電磁閥的繼電器進(jìn)行硬強(qiáng)制，避免網(wǎng)絡(luò)閃斷時電磁閥狀態(tài)變化使得液壓管路中液壓油壓力變化而產(chǎn)生事故。另一方面組織進(jìn)行DP網(wǎng)絡(luò)排查，先后對DP網(wǎng)線接線、DP頭、OLM及柜內(nèi)接地等相關(guān)部位進(jìn)行檢查和更換，對光纖進(jìn)行打光檢查，并更換若干根DP網(wǎng)線，均未解決該問題。后在一次偶然的情況下發(fā)現(xiàn)故障點為IO遠(yuǎn)程柜中光纖跳線盒內(nèi)光纜與光纖跳線熔接質(zhì)量差且布線不符合規(guī)范，導(dǎo)致在現(xiàn)場溫度變化和震動（IO遠(yuǎn)程柜周邊有液壓站電機(jī)運行）的情況使光纖通訊質(zhì)量變化，導(dǎo)致發(fā)生網(wǎng)絡(luò)閃斷的故障。對該熔接點進(jìn)行重新熔接并重新按規(guī)范布線后，該介質(zhì)DP網(wǎng)未再發(fā)生閃斷故障。

2? DP斷網(wǎng)處理方法

根據(jù)現(xiàn)場長時間處理DP網(wǎng)絡(luò)故障的經(jīng)驗，總結(jié)出以下DP網(wǎng)絡(luò)故障分析處理思路：

（1）主站故障。因為PROFIBUS總線采用主站輪詢從站、從站響應(yīng)主站的方式進(jìn)行通訊，當(dāng)主站故障后，整個系統(tǒng)將癱瘓。為了提高可靠性，主站可采用冗余的方式進(jìn)行配置。（2）線路故障。最常見的線路故障為DP連接器接觸不良，連線接觸不良、通訊端口接觸不良和終端電阻故障。①如果通訊端口接觸不良，則單個站點會無法訪問。出現(xiàn)這種情況可以插拔、緊固一下或者更換連接器，通常故障就能排除。②如果連線接觸不良，則其后面的從站將時而中斷、時而工作甚至整個系統(tǒng)停止工作。為了找到故障點，可以采用二分法進(jìn)行診斷，將總線中間的連接器終端電阻選擇開關(guān)置ON，以切斷后面的網(wǎng)絡(luò)。如果前段恢復(fù)正常，表示故障部位在后面的網(wǎng)絡(luò)。如果網(wǎng)絡(luò)故障通訊故障仍然存在，故障部分則應(yīng)在前面的網(wǎng)路中。無論故障在前面還是在后面的網(wǎng)路中，都可以繼續(xù)采用這種方法進(jìn)行故障查找，直到找到故障部位。二分法每采用一次，就可將查找范圍縮小一半，采用這種方法可以大大縮短排查時間。③如果此連接器位于終端并且終端電阻接觸不良時，整個網(wǎng)絡(luò)可能中斷。此時將位于次終端連接器的電阻置ON，查看系統(tǒng)是否恢復(fù)工作，就可快速判斷這種故障。為了避免出現(xiàn)終端電阻接觸不良產(chǎn)生的故障，可以在總線兩終端安裝有源的終端電阻。除了上述常見的故障類型以外，還有電纜破損導(dǎo)致線路接地或者短路等故障。（3）從站故障。如果單個從站故障，主站將無法對其進(jìn)行訪問，只有更換從站的損壞模塊才能恢復(fù)系統(tǒng)工作。（4）干擾類故障。除了上述類型故障以外，還有電磁干擾和接地不可靠引起的故障。對于電磁干擾，在連接總線連接器時，應(yīng)保證電纜的屏蔽層和連接器的金屬材料緊密接觸、布線時不要和動力電纜和交流信號電纜平行、盡量遠(yuǎn)離產(chǎn)生諧波的軟啟動器、變頻器、調(diào)功器等設(shè)備（如避不開，可從這些設(shè)備中部水平通過，以減小影響）。對于接地，可以采用單獨走接地線和等電位雙地點接地的方法檢校諧波對系統(tǒng)工作的影響。

3? DP網(wǎng)絡(luò)施工規(guī)范

通過以上兩個DP網(wǎng)故障實例和故障分析我們可以發(fā)現(xiàn)，工業(yè)現(xiàn)場DP網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)各類故障，往往和設(shè)計施工階段不規(guī)范導(dǎo)致，根據(jù)多年現(xiàn)場維護(hù)經(jīng)驗，列舉以下設(shè)計施工注意事項：

（1）網(wǎng)絡(luò)布線施工需按規(guī)范進(jìn)行。①選用標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS-DP通訊電纜。質(zhì)量差通訊電纜抗干擾能力差;②PROFIBUS-DP通訊電纜屏蔽層多點接地。所有PROFIBUS-DP通訊電纜進(jìn)出的柜體均需接地處理;③施工時規(guī)范布線。網(wǎng)絡(luò)通訊電纜需遠(yuǎn)離高電壓、大電流的動力電纜，禁止同槽鋪設(shè);布設(shè)通訊電纜時，避免電纜過短導(dǎo)致受力，且需在拐角處做好防護(hù)，避免電纜刮傷;通訊電纜與動力電纜避免長距離平行布線，可以交叉布線;通訊電纜過長時，不要形成環(huán)狀，避免產(chǎn)生干擾信號。當(dāng)兩個DP站點相距超100m時，建議使用光纖傳輸，以避免干擾的影響。使用光纖進(jìn)行通訊時，需嚴(yán)格按照光纖施工規(guī)范進(jìn)行，避免留下網(wǎng)絡(luò)故障隱患。（2）DP網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計階段需盡可能簡潔，減少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。且應(yīng)避免將DP網(wǎng)絡(luò)設(shè)備放置到惡劣的現(xiàn)場環(huán)境中。（3）通訊電纜在柜內(nèi)的規(guī)范處理。需要將屏蔽層壓在DP頭的金屬部分處，還需要注意屏蔽層不能壓的太長，避免屏蔽網(wǎng)接觸DP頭內(nèi)部接線板短路造成故障。另外，通訊電纜在進(jìn)、出電柜時，都應(yīng)該將電纜的屏蔽層進(jìn)行接地處理。這樣避免外部的干擾信號進(jìn)入電柜，同時也避免柜內(nèi)產(chǎn)生的干擾對外部設(shè)備造成影響。（4）預(yù)防變頻器等干擾源對DP網(wǎng)通訊的影響。變頻器等比較大功率的設(shè)備除了通過干擾電源、通過空間輻射干擾影響設(shè)備正常運行外，由于變頻器等設(shè)備具有PROFIBUS通訊的能力，這些設(shè)備產(chǎn)生的干擾也有可能通過DP網(wǎng)線直接進(jìn)入通訊系統(tǒng)。所以DP網(wǎng)線進(jìn)出此類會產(chǎn)生干擾的柜體時，必須將DP網(wǎng)線的屏蔽層接地處理。（5）接地問題。所有的網(wǎng)絡(luò)接地，必須確保最終為同一接地點，以避免出現(xiàn)各個接地點電勢不同而導(dǎo)致出現(xiàn)干擾的情況。

在PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)的日常維護(hù)過程中，需定期測量記錄各終端電阻和網(wǎng)絡(luò)回路電阻，緊固各網(wǎng)絡(luò)硬件接線和DP插頭，也可使用ProfiTrace定期檢測PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，以便提前發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)隱患進(jìn)行處理。使用光纖通訊時，需定期用光功率計測量各段光纖的衰減情況并記錄，以便篩查并提前發(fā)現(xiàn)問題。

PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)故障大體上可分為網(wǎng)絡(luò)軟硬件類故障和干擾類故障，軟硬件故障通過常規(guī)排查手段往往比較容易排查發(fā)現(xiàn)問題，但是對于干擾類故障因干擾的隨機(jī)性較難發(fā)現(xiàn)問題。這就要求必須在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計施工階段按相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計施工，以避免出現(xiàn)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)隱患和故障。

4? 結(jié)語

通過兩個現(xiàn)場實例總結(jié)了一些導(dǎo)致PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)故障的原因以及處理、改進(jìn)方法，希望能給企業(yè)現(xiàn)場技術(shù)人員提供一些思路，以保障PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉華波，何文雪，王雪.西門子S7-300/400PLC編程與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2] 廖常初.S7-1200/1500PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.

[3] 韓相爭.PLC觸摸屏、變頻器、組態(tài)軟件應(yīng)用一本通[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2018.