PROFIBUS-PA現(xiàn)場總線與DCS融合的控制系統(tǒng)故障檢查與處理

童祖濤

(云南磷化集團(tuán)?？诹讟I(yè)有限公司，云南 昆明 650113)

PROFIBUS-PA 是一種用于自動(dòng)化控制系統(tǒng)和現(xiàn)場儀表、執(zhí)行器之間的串行通訊系統(tǒng)。它以符合國際標(biāo)準(zhǔn)的PROFIBUS-DP為基礎(chǔ)，增加了PA總線應(yīng)用行規(guī)以及相應(yīng)的傳輸技術(shù)，使現(xiàn)場總線PROFIBUS不僅能用于離散制造業(yè)，也能夠滿足各種過程工業(yè)對控制的要求。PROFIBUS-PA現(xiàn)場總線的優(yōu)勢之一是：在生產(chǎn)現(xiàn)場，總線型現(xiàn)場設(shè)備按照不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，并由總線直接供電，不再需要額外的供電電源[1]。另外，由于采用總線連接設(shè)備而節(jié)約了大量的電纜、電源箱、配電柜、匯線槽、接線柜、端子箱、安全柵或隔離電路，也不再需要傳統(tǒng)的I/O模塊，因此將節(jié)省一筆可觀的費(fèi)用。DCS作為一種安全成熟可靠、結(jié)構(gòu)靈活多樣的控制系統(tǒng)已被工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛采納。將兩者融合使用，即保證控制系統(tǒng)的可靠性又獲得豐富的設(shè)備信息，并給工業(yè)控制領(lǐng)域帶來更多便利。

我公司的 60萬t/a II硫磺制酸裝置就是使用ABB(德國)公司的AC800F控制系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)IO站+PROFIBUS-PA總線的集成方式。自裝置建成投產(chǎn)以來，該系統(tǒng)的穩(wěn)定性不理想，從2012年10月份開始，該套DCS系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)PROFIBUS-PA總線通訊故障，監(jiān)控畫面數(shù)據(jù)回“0”現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)故障重啟，生產(chǎn)裝置聯(lián)鎖動(dòng)作跳停，已經(jīng)嚴(yán)重影響生產(chǎn)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。儀表專業(yè)技術(shù)人員通過一系列技術(shù)改造，最終消除了監(jiān)控畫面數(shù)據(jù)回“0”的故障。

本文針對PROFIBUS-PA現(xiàn)場總線與DCS融合的控制系統(tǒng)故障檢查分析和處理進(jìn)行具體說明，特別介紹了利用手持式FieldConnex總線診斷設(shè)備FDH-1排查總線故障的方法，希望對PROFIBUS-PA總線在DCS中的調(diào)試和維護(hù)工作起到一定的指導(dǎo)作用。

1 系統(tǒng)簡介

60萬t/a II硫磺制酸裝置使用ABB(德國)公司的AC800F控制系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)IO站+PROFIBUS-PA總線的集成方式。S800為傳統(tǒng)IO站，有一套完整的IO模塊；PM803F為DCS的冗余現(xiàn)場控制器主單元，其中的FI830F為冗余PROFIBUS-DP V1 現(xiàn)場總線通訊模件，HS840為PROFIBUS-DP/PA耦合器，PL810為PROFIBUS-PA總線供電模塊，通過它們將PROFIBUS總線設(shè)備與DCS完美融合。該系統(tǒng)使用了2塊FI830F和2塊HS840，10塊PL810分成10條PA總線網(wǎng)段，采用了樹型與線型的組合總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，下掛27個(gè)PA總線分線盒接入113臺(tái)現(xiàn)場PA總線儀表設(shè)備，最終實(shí)現(xiàn)對該套生產(chǎn)裝置各工藝參數(shù)的監(jiān)視、控制、報(bào)警、聯(lián)鎖保護(hù)、歷史記錄等功能。圖1是控制系統(tǒng)配置簡圖。

圖1 系統(tǒng)配置圖

FI830F模塊作為PM803F與PROFIBUS-DP的接口，在PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)中以主站的形式存在，同時(shí)兼?zhèn)鋮f(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能。從控制器主控單元到就地從站設(shè)備之間經(jīng)過了PROFIBUS-DP/PA耦合器、PROFIBUS-PA總線供電模塊、PA總線分線盒及PROFIBUS-PA總線電纜組成的通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在這中間的哪一層出現(xiàn)問題，都會(huì)直接影響到DCS的監(jiān)控結(jié)果。PROFIBUS-PA自身有著嚴(yán)格的技術(shù)規(guī)范要求，但實(shí)際在建設(shè)、使用過程中，并不能完全滿足這些規(guī)范，使用現(xiàn)場的環(huán)境一般比較復(fù)雜，存在很多不定因素，因而對通訊故障原因的排查具有一定難度。

2 故障檢查及處理

2.1 故障現(xiàn)象

故障1，在生產(chǎn)裝置正常運(yùn)行2到3年后，DCS系統(tǒng)所有操作電腦突然大部分流程圖數(shù)據(jù)無顯示(為紅××)；查看系統(tǒng)硬件狀態(tài)，兩臺(tái)冗余控制器頻繁自動(dòng)切換，系統(tǒng)報(bào)警信息出現(xiàn)從設(shè)備不存在報(bào)警。嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致生產(chǎn)裝置因聯(lián)鎖動(dòng)作跳停。

故障2，在生產(chǎn)裝置正常運(yùn)行時(shí)干燥、吸收流程圖畫面中經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)回“0”現(xiàn)象，將F2下的第4、第5 條PROFIBUS-PA總線網(wǎng)段供電模塊PL810斷電重啟后恢復(fù)正常。

故障3，在生產(chǎn)裝置正常運(yùn)行中，當(dāng)現(xiàn)場有檢修工作電焊作業(yè)或使用對講機(jī)時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)監(jiān)控畫面數(shù)據(jù)回“0”現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)故障重啟，生產(chǎn)裝置聯(lián)鎖動(dòng)作跳停。將相應(yīng)PROFIBUS-PA總線網(wǎng)段供電模塊PL810斷電重啟后才能恢復(fù)正常。

故障4，在生產(chǎn)裝置正常運(yùn)行時(shí)，突然出現(xiàn)某個(gè)總線分線盒上的所有點(diǎn)在監(jiān)控畫面數(shù)據(jù)回“0”現(xiàn)象，將相應(yīng)PROFIBUS-PA總線網(wǎng)段供電模塊PL810斷電重啟后也不能恢復(fù)正常，在陰雨天尤為明顯。

故障5，在生產(chǎn)裝置正常運(yùn)行時(shí)，一個(gè)或幾個(gè)溫度測點(diǎn)經(jīng)常出現(xiàn)監(jiān)控畫面數(shù)據(jù)長時(shí)間保持不變現(xiàn)象，將溫度變送器斷電重啟后恢復(fù)正常。

2.2 故障原因分析與處理

對于故障1，通過近5年來的研究、實(shí)踐發(fā)現(xiàn)造成此類故障的原因?yàn)镻ROFIBUS-DP通訊故障，DCS系統(tǒng)的柜內(nèi)使用PROFIBUS-DP接頭因環(huán)境氣體腐蝕損壞所致。根據(jù)EIA RS-485標(biāo)準(zhǔn)(也稱為H2)一個(gè)總線段內(nèi)的導(dǎo)線是屏蔽雙絞電纜，段的兩端各有一個(gè)終端器，終端電阻是為了消除在通信電纜中的信號反射，當(dāng)信號出現(xiàn)反射時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)就會(huì)混亂，最后導(dǎo)致DP站點(diǎn)通訊故障[2]，如圖2所示。

圖2 RS-485總線段的結(jié)構(gòu)

檢查時(shí)，首先將整條總線的所有PROFIBUS-DP接頭拔出設(shè)備，用萬用表測量總線上的回路電阻值，理論上電阻值在110Ω左右就沒有問題。對于此類故障需要周期性更換為防腐蝕涂層的PROFIBUS-DP接頭，以每三年更新一次為最佳。

對于故障2，通過對系統(tǒng)的PROFIBUS-PA總線配置、布局進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)：第二條PROFIBUS-DP總線下的第四、五條PROFIBUS-PA網(wǎng)段測點(diǎn)相對較多，有6個(gè)測量點(diǎn)的PROFIBUS-PA電纜從分線盒到現(xiàn)場儀表布線已經(jīng)超過40 m。PROFIBUS-PA總線配置、布局情況見表1。

表1 PROFIBUS-PA布局表

根據(jù)IEC 61158-2定義的電纜長度與分支連接設(shè)備的數(shù)量的對應(yīng)關(guān)系(A型電纜)：及PROFIBUS-PA應(yīng)用技術(shù)手冊的規(guī)定，詳見表2與表3。

表2 電纜長度與分支連接設(shè)備的數(shù)量的對應(yīng)關(guān)系表

表3 分支電纜建議長度表

造成該故障的原因是PROFIBUS-PA總線配置、布局存在問題，需要對總線布局和規(guī)劃進(jìn)行優(yōu)化。通過在第一條PROFIBUS-DP總線F1下新增一套PROFIBUS-DP/PA耦合器、PROFIBUS-PA總線供電模塊，將第二條PROFIBUS-DP總線F2下的第二條PROFIBUS-PA網(wǎng)段移到F1下，進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整；根據(jù)現(xiàn)場儀表分布情況將F2下的第四、第五條網(wǎng)段中分別新增一個(gè)PROFIBUS-PA分線盒，將分支電纜超過 40 m 的6個(gè)測量點(diǎn)重新布線，更換電纜，使所有的分支電纜不超過 30 m[3]。改造完成后故障現(xiàn)象消除，經(jīng)過1年多的觀察效果良好。

對于故障3，經(jīng)過近9個(gè)月以來的研究、實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，造成該故障現(xiàn)象是由于PROFIBUS-PA總線中的屏蔽對地的絕緣不好導(dǎo)致。詳見下面表4中每條PROFIBUS-PA總線通訊電纜的檢查數(shù)據(jù)。

表4 各PA網(wǎng)段通訊電纜電阻檢測表

導(dǎo)致PROFIBUS-PA總線中的屏蔽對地的絕緣不好的原因有：

1)現(xiàn)場的PROFIBUS-PA總線電纜的外層絕緣套破損，導(dǎo)致電纜屏蔽層與金屬穿線管形成多點(diǎn)接地。

應(yīng)對措施：對每條PROFIBUS-PA總線進(jìn)行通訊電纜檢測，將絕緣不好的通信電纜進(jìn)行逐一更換。

2)原有現(xiàn)場PROFIBUS-PA總線分線盒的短路和過載保護(hù)功能不能滿足現(xiàn)場環(huán)境使用要求。

現(xiàn)場使用的PROFIBUS-PA總線分線盒為德國圖爾克的JBBS-48SC-T615/3G，圖3為該接線盒的內(nèi)部接線圖：

圖3 接線圖

分線盒里面的屏蔽線的接地為：主干線、分支均和機(jī)殼通過一個(gè)電容接地，現(xiàn)場使用環(huán)境中經(jīng)常出現(xiàn)電容被擊穿，導(dǎo)致主干線和分支屏蔽線出現(xiàn)多點(diǎn)接地，對一整條PROFIBUS-PA總線通訊造成干擾。

應(yīng)對措施：將現(xiàn)場原來使用的德國圖爾克PROFIBUS-PA總線分線盒更新為德國P+F公司的F2-JBSC-6.PA.CGS型現(xiàn)場總線儀表分線盒。通過近2年的實(shí)踐，該現(xiàn)場總線儀表分線盒具有良好的短路和過載保護(hù)功能，能滿足現(xiàn)場環(huán)境使用要求。圖4為該接線盒的內(nèi)部接線圖。

圖4 接線盒的內(nèi)部接線圖

分線盒里面的屏蔽跳線：PA與T之間的跳線需要拆除(主干線與機(jī)殼接地)，PA和S(分支與機(jī)殼接地)之間的跳線需要拆除，拆除以后則主干線和分支均不和機(jī)殼接地了，機(jī)殼的接地為保護(hù)接地。將T和S連接起來，則分支與主干線的屏蔽連接起來了，這樣主干線進(jìn)入控制室以后由PL810輸入進(jìn)行總接地，從而保證了等電勢接地。改造完成后故障現(xiàn)象消除，經(jīng)過1年多的觀察效果良好。

對于故障4，造成的原因?yàn)樵揚(yáng)ROFIBUS-PA總線分線盒接入的分支線中存在短路，排查方法為將各分支電纜由分線盒端子拆下，用萬用表逐一檢測，找出短路的分支，再對短路的分支電纜進(jìn)行檢查，多為電纜進(jìn)出穿線管處破損所致，更換受損電纜就能將問題解決。

對于故障5，造成的原因?yàn)楝F(xiàn)場使用的PROFIBUS-PA總線溫度變送器因使用年限長，電子元器件的老化，性能不穩(wěn)定。應(yīng)對措施：更換總線溫度變送器就能消除故障。因PROFIBUS-PA總線采用數(shù)字化位同步的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速度為 31.25 kbit/sec 以及防錯(cuò)的起止界定符，信號電壓為 0.75 V～1 V。不同于傳統(tǒng)的4-20 mA 的模擬技術(shù)，利用萬用表無法檢測出PROFIBUS-PA總線設(shè)備出現(xiàn)問題，借助手持式FieldConnex總線診斷設(shè)備FDH-1就能方便快速的檢測出具體是哪塊PROFIBUS-PA總線設(shè)備出現(xiàn)問題。

2.3 利用手持式FieldConnex總線診斷設(shè)備FDH-1排查總線故障的方法

為了快速方便地排查、排除PROFIBUS-PA總線故障，我公司于2016年3月采購了一臺(tái)倍加福公司(Pepperl+Fuchs)生產(chǎn)的手持式FieldConnex總線診斷設(shè)備FDH-1，如圖5。

圖5 FDH-1

借助它排查總線故障的方法有兩種方式，一種是直接將FDH-1裝上測試接頭，連接到現(xiàn)場總線網(wǎng)段中，通過FDH-1上的各功能按鍵完成現(xiàn)場總線各網(wǎng)段的檢測，根據(jù)實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)排查故障，此方法本文不作介紹。另外一種是在一臺(tái)電腦上安裝配置的軟件FDH-1 Manager，將FDH-1檢測出來的現(xiàn)場總線各網(wǎng)段數(shù)據(jù)導(dǎo)成測試報(bào)告來分析排查故障或打開實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)畫面進(jìn)行分析排查故障[4]，如圖6所示，本文針對這種方法進(jìn)行介紹。

圖6 接線圖

將設(shè)備按圖6接線后，在電腦中打開軟件FDH-1 Manager，點(diǎn)擊設(shè)備FDH-1，在彈出的操作畫面中點(diǎn)擊“Measurement”進(jìn)入實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)畫面如圖7。

圖7 測量參數(shù)

下面對測量出的總線網(wǎng)段各參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)說明：

其中的Voltage指的是網(wǎng)段電壓，正常應(yīng)該在9～32V之間，超出將導(dǎo)致整條網(wǎng)段工作不正常，上面掛的所有測點(diǎn)無顯示。

Unbalance指的是網(wǎng)段不平衡度，正常應(yīng)該在 -60%～60%之間，若<-84%，多為PROFIBUS-PA總線電纜中的“-”信號線與屏蔽線短路；若>84%，多為PROFIBUS-PA總線電纜中的“+”信號線與屏蔽線短路。不平衡的影響之一就是降低抗噪音的能力。

Noise指的是網(wǎng)段噪音，正常應(yīng)該≤50 mV，越小越好，若>100 mV，為網(wǎng)段上有干擾信號。若測量的網(wǎng)段上只有一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)地址的噪音值>100 mV，問題一般在分線盒或單臺(tái)現(xiàn)場總線設(shè)備上；若測量的網(wǎng)段上所有地址的噪音值都>100 mV，則為PROFIBUS-PA總線電纜有問題。網(wǎng)段不平衡度的影響之一就是降低抗噪音的能力，發(fā)生短路的現(xiàn)場總線設(shè)備的地址在測量中噪音值都>100 mV，這對于故障排查的指向性非常重要。

Jitter指的信號畸變，是物理層非常重要的一個(gè)參數(shù)。就是信號波形實(shí)際跨0點(diǎn)的時(shí)間(“zero crossing point”)偏離理想的時(shí)間的幅度。正常應(yīng)該<=2.4 μs，越小越好，若>3.2 μs，則為PROFIBUS-PA總線電纜老化或使用了不合適型號的電纜，必須更換電纜。

Signal Level minimum/Signal Level maximum指的信號幅值。正常應(yīng)該在400～1200 mV 之間，超出說明PROFIBUS-PA總線回路中的終端電阻有問題。若>1200 mV，為PROFIBUS-PA總線回路中首末端的終端電阻至少缺少一個(gè)；若<200 mV，為PROFIBUS-PA總線回路中有3個(gè)或更多的終端電阻。

實(shí)例：2016年4月18日，DCS系統(tǒng)監(jiān)控畫面中的轉(zhuǎn)化器畫面上大部分?jǐn)?shù)據(jù)出現(xiàn)回“0”現(xiàn)象。圖8為F1下的第四條PROFIBUS-PA總線網(wǎng)的測量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其中的網(wǎng)段不平衡度和網(wǎng)段噪音都出現(xiàn)超限，16個(gè)現(xiàn)場總線設(shè)備地址中的36、37、38的網(wǎng)段噪音出現(xiàn)超限，其他均正常，通過查看圖9網(wǎng)段配置圖發(fā)現(xiàn)這三個(gè)點(diǎn)均在同一個(gè)PROFIBUS-PA總線分線盒內(nèi)，直接到現(xiàn)場檢查該總線分線盒，故障為因下雨分線盒內(nèi)進(jìn)水所致，更換這個(gè)總線分線盒后故障消除。

圖8 測量數(shù)據(jù)

圖9 網(wǎng)段配置圖

FDH-1可以在PROFIBUS-PA總線網(wǎng)段的任意位置接入檢測，不會(huì)對系統(tǒng)運(yùn)行造成影響，不需要生產(chǎn)裝置停車，出現(xiàn)問題可方便快速的排查故障，提高故障處理速度。

3 總結(jié)

通過現(xiàn)場使用過程中對大量故障問題的排查處理和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可以看出，PROFIBUS-PA總線自身有著嚴(yán)格的技術(shù)規(guī)范要求，在實(shí)際的工程項(xiàng)目建設(shè)過程中，并不能完全滿足這些規(guī)范，這就導(dǎo)致了在后續(xù)的生產(chǎn)裝置運(yùn)行中，PROFIBUS-PA總線的整體性能受到影響，出現(xiàn)通訊不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)頻繁出現(xiàn)回“0”現(xiàn)象，甚至通訊中斷等故障。這些故障常常會(huì)影響控制系統(tǒng)的正常工作，如果不能及時(shí)處理，將對生產(chǎn)造成嚴(yán)重的影響。我們在現(xiàn)場診斷故障時(shí)，應(yīng)著重檢測以下幾項(xiàng)。

1)檢查總線電纜接頭。檢查插頭本身以及內(nèi)部的連接情況，看是否有損壞、虛接，A/B(綠/紅)線是否存在反接，屏蔽層是否完全接觸金屬部分、是否暴露在插頭外面、是否與A/B線有接觸。如果現(xiàn)場使用環(huán)境存在腐蝕性氣體的存在，建議周期性更換總線電纜接頭。

2)檢查總線終端。檢查總線終端電阻的設(shè)置與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D是否一致，設(shè)置是否正確，系統(tǒng)中是否連接了有源終端。終端電阻的設(shè)置原則是在一個(gè)物理網(wǎng)段的兩端需要設(shè)置終端電阻，中間站點(diǎn)不要設(shè)置終端電阻。

3)檢查屏蔽和接地。屏蔽在通訊中有著至關(guān)重要的作用，因?yàn)楣I(yè)現(xiàn)場的電磁兼容環(huán)境比較惡劣，往往會(huì)對通訊造成較大的影響，因而通訊電纜要求有良好的屏蔽并做接地處理。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)對于PROFIBUS-PA總線電纜的屏蔽線要避免出現(xiàn)現(xiàn)場多點(diǎn)接地的情況，要進(jìn)行等電勢接地，否則會(huì)導(dǎo)致屏蔽層電流產(chǎn)生，形成干擾，最好所有PROFIBUS-PA總線設(shè)備統(tǒng)一使用系統(tǒng)柜內(nèi)的系統(tǒng)接地。

4)檢查布線情況。通訊電纜應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離強(qiáng)的干擾源(例如較大的用電設(shè)備、電源線、變頻器等)。動(dòng)力電纜盡量不要與通訊電纜及信號電纜長距離平行布線，如果無法避免，也應(yīng)盡量將使用金屬隔板或盡量遠(yuǎn)離。根據(jù)IEC 61158-2定義的電纜長度與分支連接設(shè)備的數(shù)量的對應(yīng)關(guān)系(A型電纜)，分支電纜長度不超過 30 m。

由于PROFIBUS-PA總線采用數(shù)字化位同步的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速度為31.25kbit/sec以及防錯(cuò)的起止界定符，信號電壓為0.75～1 V，不同于傳統(tǒng)的4-20 mA 的模擬技術(shù)，利用日常工作中熟悉的萬用表無法檢測出PROFIBUS-PA總線故障問題之所在，PROFIBUS-PA總線畢竟為新技術(shù)，維護(hù)人員往往缺乏處理的經(jīng)驗(yàn)，一旦出現(xiàn)故障，常常摸不到頭緒，我們要勇于和善于創(chuàng)新地使用專業(yè)總線診斷設(shè)備來快速方便地排除PROFIBUS-PA總線故障。建議每次生產(chǎn)裝置停車檢修時(shí)，使用總線診斷設(shè)備來對所有PROFIBUS-PA總線網(wǎng)段進(jìn)行檢測，做到預(yù)防性維護(hù)，減少事故檢修。