基于Profibus-DP 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)工程實(shí)踐的故障分析

唐慧瑛

（深能合和電力（河源）有限公司，廣東河源 517000）

0 引言

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是指安裝在制造或過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線(xiàn)[1]。由大量分散在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)且具備數(shù)字通信能力的智能測(cè)控儀表作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以總線(xiàn)電纜串聯(lián)各節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)通信的紐帶，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了全工藝流程狀態(tài)的數(shù)字化。

1 國(guó)內(nèi)某電廠現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)使用現(xiàn)狀

憑借其通信量大及高速傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)某電廠大量采用Profibus-DP 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)。DCS 系統(tǒng)采用艾默生Ovation 控制系統(tǒng)，2 臺(tái)百萬(wàn)機(jī)組及其公用系統(tǒng)連接270 余塊DP 卡，用作現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的Profibus主站。鍋爐側(cè)、汽機(jī)側(cè)、水網(wǎng)側(cè)和公用系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通信柜分別為6 個(gè)、5 個(gè)、2 個(gè)和2 個(gè)。全廠的總線(xiàn)對(duì)象涵蓋電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、化學(xué)分析儀表、變頻器、閥島等。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞矫娌捎镁€(xiàn)型結(jié)構(gòu)，傳輸速率為500 Kbit/s，同時(shí)采取冗余總線(xiàn)配置以提高設(shè)備控制的安全性和穩(wěn)定性。

2 總線(xiàn)故障判斷與處理

2.1 硬件類(lèi)故障

（1）總線(xiàn)DP 插頭接觸不良。標(biāo)準(zhǔn)Profibus 電纜為屏蔽雙絞線(xiàn)，分別用紅綠兩種顏色區(qū)分，線(xiàn)芯外部由鋁箔和屏蔽編織網(wǎng)包裹，對(duì)信號(hào)傳輸時(shí)自身的干擾以及外部的電磁干擾起到抑制作用[2]。針對(duì)直接接線(xiàn)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，需將屏蔽層剝出一定長(zhǎng)度并擰成麻花狀，再接入到設(shè)備接地點(diǎn)，確保設(shè)備接地良好。針對(duì)支持使用DP 插頭的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，則需將屏蔽層剝開(kāi)，壓接在插頭內(nèi)金屬部分。若屏蔽層與插頭金屬部分無(wú)法實(shí)現(xiàn)充分接觸，數(shù)字信號(hào)將受到外界噪聲干擾。同時(shí)剝出用于壓接的屏蔽部分需避免長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)暴露在插頭外，易成為引入外界干擾的導(dǎo)體，表現(xiàn)在通信上將出現(xiàn)信號(hào)時(shí)斷時(shí)續(xù)的波動(dòng)現(xiàn)象。

（2）終端電阻撥碼錯(cuò)誤。在Profibus 插頭上，有一個(gè)進(jìn)線(xiàn)孔IN 和一個(gè)出線(xiàn)孔OUT，分別連接前一個(gè)從站及后一個(gè)從站，而且Profibus 插頭上都內(nèi)置了防止浪涌保證通信質(zhì)量的終端電阻。需要時(shí)通過(guò)拔碼開(kāi)關(guān)接入ON 和切除OFF，當(dāng)終端電阻設(shè)置為ON 時(shí)，表示一個(gè)物理網(wǎng)段的終結(jié)[3]。終端電阻也可用于某網(wǎng)段整體掉線(xiàn)后，通過(guò)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)，改變插頭ON/OFF 位置判斷網(wǎng)段故障位置。結(jié)合國(guó)內(nèi)某電廠施工情況，當(dāng)中間某設(shè)備撥到ON 時(shí)，外部表現(xiàn)為此設(shè)備后全部設(shè)備通信集體掉線(xiàn)。

（3）光纖損壞。國(guó)內(nèi)某電廠使用的DP 總線(xiàn)傳輸速率為500 Kbit/s，根據(jù)RS485 傳輸技術(shù)規(guī)定，相對(duì)應(yīng)的最大網(wǎng)段長(zhǎng)度是400 m。國(guó)內(nèi)某電廠部分DCS 控制柜至就地設(shè)備范圍遠(yuǎn)超最大長(zhǎng)度限制，為保證通信信號(hào)穩(wěn)定持續(xù)，對(duì)于遠(yuǎn)距離設(shè)備采用光導(dǎo)纖維傳輸技術(shù)。結(jié)合國(guó)內(nèi)某電廠施工經(jīng)驗(yàn)，存在過(guò)分扭曲導(dǎo)致光纖損壞或光電轉(zhuǎn)換器損壞的情況，外部表現(xiàn)為采用光纖傳輸?shù)哪陈肪W(wǎng)段突然整體掉線(xiàn)。檢查光纖質(zhì)量的方法是使用強(qiáng)光從光纖一端進(jìn)行照射，若從光纖的另一端看見(jiàn)亮光說(shuō)明線(xiàn)路正常。

（4）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信板故障。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的普及推廣，眾多設(shè)備廠家相應(yīng)推出適應(yīng)總線(xiàn)技術(shù)的智能儀表及通信模塊，但由于生產(chǎn)廠家的設(shè)備質(zhì)量不一，部分通信板抗干擾能力弱，信號(hào)時(shí)斷時(shí)續(xù)。結(jié)合國(guó)內(nèi)某電廠施工經(jīng)驗(yàn)，基于線(xiàn)性結(jié)構(gòu)的整體性，網(wǎng)段上某一設(shè)備引入的干擾甚至?xí)鹫麄€(gè)網(wǎng)段其他設(shè)備信號(hào)波動(dòng)，外部表現(xiàn)為某一網(wǎng)段的設(shè)備間隔幾十秒就掉線(xiàn)、上線(xiàn)。

2.3 軟件組態(tài)類(lèi)故障

（1）設(shè)備GSD 文件錯(cuò)誤。適用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的智能設(shè)備，需要與相應(yīng)設(shè)備固件進(jìn)行匹配的GSD 文件對(duì)傳輸至上位機(jī)的參數(shù)進(jìn)行解釋描述以獲得控制相關(guān)的信息，如生產(chǎn)廠家、軟硬件版本、輸入/輸出通道的數(shù)量及類(lèi)型等，屬于ASCII 文件，若文件不匹配將導(dǎo)致就地設(shè)備無(wú)法與上位機(jī)進(jìn)行通信。

（2）邏輯組態(tài)錯(cuò)誤。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)傳輸至上位機(jī)的數(shù)據(jù)，在與上位機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，將需要的設(shè)備參數(shù)變成數(shù)據(jù)包傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，進(jìn)行解包和打包操作。根據(jù)相關(guān)協(xié)議約定，某位信號(hào)將代表設(shè)備的某個(gè)參數(shù)狀態(tài)，如第3位代表電動(dòng)門(mén)的全開(kāi)信號(hào)。若邏輯組態(tài)錯(cuò)誤，則會(huì)導(dǎo)致參數(shù)混亂，設(shè)備實(shí)際狀態(tài)與顯示狀態(tài)不一致。

3 Profitrace 總線(xiàn)分析儀

3.1 分析儀簡(jiǎn)介

Profitrace 是用于Profibus 網(wǎng)絡(luò)功能最強(qiáng)大的分析儀，是一系列總線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)備中最先進(jìn)的一代產(chǎn)品，它將所有主要工具：分析儀、示波器、條線(xiàn)圖、拓?fù)鋱D及DP-V0/V1 主站集成在一起，可以實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)設(shè)備狀態(tài)[4]。

3.2 分析儀常用功能

“Live List”列出掃描到的所有設(shè)備清單，工程師可以根據(jù)設(shè)備相應(yīng)地址的背景顏色判斷通信錯(cuò)誤原因。其中，綠色表示設(shè)備正常進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，紫色代表組態(tài)錯(cuò)誤，紅色代表GSD 文件錯(cuò)誤，白色代表未進(jìn)行組態(tài)。

“ScopeWare”是用于檢測(cè)信號(hào)質(zhì)量的實(shí)時(shí)示波器。正常信號(hào)一般顯示為方波，平均振幅為5 V，同時(shí)可以通過(guò)選擇設(shè)備地址號(hào)觀測(cè)對(duì)應(yīng)設(shè)備波形。當(dāng)信號(hào)不穩(wěn)定時(shí)，表現(xiàn)為波形失真。

“Bar graph”顯示整個(gè)網(wǎng)段上所有設(shè)備的電壓水平。正?？偩€(xiàn)電壓一般大于7 V。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)接線(xiàn)短路時(shí)，對(duì)應(yīng)地址電壓將遠(yuǎn)低于平均電壓。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)斷路時(shí)，后續(xù)設(shè)備地址將無(wú)電壓顯示。

“ProfiCaptain”使軟件能作為連接的網(wǎng)段主站參與數(shù)據(jù)收發(fā)。使用主站功能時(shí)，需確保設(shè)備總線(xiàn)通信已從DCS 系統(tǒng)的網(wǎng)段上脫開(kāi)。利用主站功能對(duì)被連接設(shè)備發(fā)送信號(hào)并監(jiān)測(cè)返回信號(hào)狀態(tài)，可排查單體設(shè)備的通信硬件是否存在問(wèn)題。

4 國(guó)內(nèi)某電廠現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)設(shè)備實(shí)例

4.1 電動(dòng)門(mén)

國(guó)內(nèi)某電廠兩臺(tái)百萬(wàn)機(jī)組21 號(hào)控制器C2/D3 總線(xiàn)網(wǎng)段電動(dòng)門(mén)采用雙冗余配置，主輔網(wǎng)配置在不同DP卡的P01 端口。自投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)以來(lái)，地址11、16、17、18 的電動(dòng)門(mén)均顯示主網(wǎng)通信錯(cuò)誤，一直保持單網(wǎng)運(yùn)行，無(wú)法實(shí)現(xiàn)設(shè)備冗余通信，21 號(hào)控制器C2/D3 總線(xiàn)P01 端口網(wǎng)段如圖1 所示。

圖1 21 號(hào)控制器C2/D3 總線(xiàn)P01 端口網(wǎng)段

針對(duì)多個(gè)設(shè)備，特別是連續(xù)多個(gè)設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題，進(jìn)行檢查如下。

第一步，檢查設(shè)備硬件。此網(wǎng)段總線(xiàn)直接引出，不用經(jīng)過(guò)光纖及光電轉(zhuǎn)換器。同網(wǎng)段內(nèi)部分設(shè)備通信正常無(wú)閃爍，說(shuō)明有源終端電阻工作正常。

第二步，檢查軟件組態(tài)。打開(kāi)“Ovation”對(duì)同型號(hào)設(shè)備組態(tài)信息進(jìn)行對(duì)比。同時(shí)在就地將Profitrace 分析儀通過(guò)接線(xiàn)連入總線(xiàn)網(wǎng)段，單擊“Init ProfiCore Ultra”啟動(dòng)分析模式。除去地址10、11、16、17、18 的設(shè)備，其他設(shè)備均已上線(xiàn)，其中地址10 的設(shè)備已知是因?yàn)殡妱?dòng)門(mén)斷電故顯示通信掉線(xiàn)，排除通信問(wèn)題?！癓ive List”上線(xiàn)設(shè)備均顯示為正常綠色，“ScopeWare”檢查波形狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)波形有小突起?！癇ar graph”查看電壓等級(jí)發(fā)現(xiàn)有上線(xiàn)設(shè)備均超過(guò)平均值5 V，但隨著地址號(hào)遞增，電壓水平呈遞減趨勢(shì)。

第三步，檢查通信介質(zhì)。考慮到DP 總線(xiàn)采用線(xiàn)型結(jié)構(gòu)，查看電纜敷設(shè)完工圖及DP 網(wǎng)段分配圖，發(fā)現(xiàn)地址16、17、18 電動(dòng)門(mén)為此網(wǎng)段最后3 個(gè)設(shè)備，判斷可能是地址15 出線(xiàn)口或者地址16 進(jìn)線(xiàn)口接線(xiàn)出現(xiàn)問(wèn)題。確保電動(dòng)門(mén)斷電后，拆下地址15、16 電動(dòng)門(mén)接線(xiàn)端子排檢查接線(xiàn)情況。發(fā)現(xiàn)地址16 電動(dòng)門(mén)總線(xiàn)進(jìn)線(xiàn)處接線(xiàn)端子，因電動(dòng)門(mén)接線(xiàn)頭內(nèi)部空間狹窄及未按接線(xiàn)要求環(huán)繞總線(xiàn)導(dǎo)致總線(xiàn)電纜緊繃，且接線(xiàn)銅芯剝開(kāi)較長(zhǎng)，最終導(dǎo)致銅芯斷裂，總線(xiàn)后部網(wǎng)段斷路。

根據(jù)總線(xiàn)施工要求對(duì)進(jìn)線(xiàn)處電纜重新剝線(xiàn)連接后，地址16、17、18 電動(dòng)門(mén)主輔網(wǎng)通信正常。

針對(duì)單個(gè)設(shè)備，特別是網(wǎng)段中間部分設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題，進(jìn)行檢查如下。

因?yàn)橥ㄐ女惓ＴO(shè)備均處于同一網(wǎng)段，第一步硬件情況與第二步軟件情況可與上述步驟合并檢查。根據(jù)電纜敷設(shè)連接清單，地址11 電動(dòng)門(mén)處于網(wǎng)段中部，自身輔網(wǎng)通信正常，且主網(wǎng)前后設(shè)備通信正常，判斷可能是設(shè)備自身通信板存在問(wèn)題或者抗干擾信號(hào)弱導(dǎo)致通信異常。

確保總線(xiàn)接線(xiàn)從網(wǎng)段上脫開(kāi)后，使用總線(xiàn)電纜連接電動(dòng)門(mén)主網(wǎng)接線(xiàn)口與Profitrace 分析儀，在軟件內(nèi)啟動(dòng)“ProfiCaptain”功能，發(fā)現(xiàn)“Live List”無(wú)上線(xiàn)設(shè)備。將主網(wǎng)接口更換為輔網(wǎng)接口后，重現(xiàn)啟動(dòng)主站功能，發(fā)現(xiàn)地址11 上線(xiàn)，表明電動(dòng)門(mén)主網(wǎng)存在硬件問(wèn)題。更換備件后重新進(jìn)行檢測(cè)，地址11 上線(xiàn)。重新將設(shè)備接入原網(wǎng)段后通信顯示正常。

4.2 混合接線(xiàn)方式網(wǎng)段

國(guó)內(nèi)某電廠投入商運(yùn)一段時(shí)間后，凈水站102 控制器C3 網(wǎng)段P01 端口設(shè)備自地址11 后全部掉線(xiàn)。此網(wǎng)段涉及水泵變頻器、電磁流量計(jì)、氣動(dòng)閥島箱、濁度表，102 控制器C3 網(wǎng)段P01 端口網(wǎng)段如圖2 所示。

圖2 102 控制器C3 網(wǎng)段P01 端口網(wǎng)段

第一步，連接Profitrace 分析儀監(jiān)測(cè)網(wǎng)段狀態(tài)。上線(xiàn)設(shè)備只有地址10、11，進(jìn)一步檢查地址11 變頻器總線(xiàn)出線(xiàn)及地址12 流量計(jì)總線(xiàn)進(jìn)線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)變頻器DP 插頭出線(xiàn)處屏蔽層未壓接到位，屏蔽未與插頭金屬塊充分接觸導(dǎo)致通信異常，重新接線(xiàn)后地址12、13、14、15設(shè)備上線(xiàn)。

第二步，利用DP 插頭撥碼開(kāi)關(guān)排查故障位置。閥島箱及濁度表均采用DP 插頭進(jìn)行連接，檢查地址15至16 的設(shè)備不存在接線(xiàn)問(wèn)題后，將地址16 設(shè)備總線(xiàn)插頭終端電阻撥碼開(kāi)關(guān)由OFF 位撥至ON 位。地址16上線(xiàn)，說(shuō)明地址10 至16 設(shè)備通信連接正常。重復(fù)以上操作，撥至地址18 開(kāi)關(guān)時(shí)，地址18 設(shè)備未上線(xiàn)，表明存在線(xiàn)路故障。檢查插頭發(fā)現(xiàn)接線(xiàn)符合規(guī)范，考慮DP插頭故障。

第三步，檢查DP 插頭。利用多用表測(cè)量DP 插頭阻值，發(fā)現(xiàn)OFF 位時(shí)，紅線(xiàn)進(jìn)出線(xiàn)之間存在阻值。更換新插頭后重新接線(xiàn)，再將插頭撥至OFF 位，后續(xù)設(shè)備通信正常。

5 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)連接方式大大降低了電纜的敷設(shè)密度及資金成本?？偩€(xiàn)技術(shù)的結(jié)構(gòu)特殊性導(dǎo)致的故障多樣性也為設(shè)備層面的檢修維護(hù)工作帶來(lái)一定困難。要體現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，需要通過(guò)培訓(xùn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操提高總線(xiàn)維護(hù)人員水平，要求掌握總線(xiàn)相關(guān)技術(shù)，學(xué)會(huì)應(yīng)用相關(guān)專(zhuān)業(yè)軟件對(duì)總線(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行快速判斷和處理。利用Profitrace 總線(xiàn)分析儀的強(qiáng)大功能，便于檢修維護(hù)人員迅速定位設(shè)備故障位置及原因，并為分析判斷故障提供了數(shù)據(jù)支持，極大提高了檢修效率。