胡小波
(中石油長城鉆探頂驅(qū)技術(shù)分公司,遼寧盤錦 124010)
Profibus 工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)具有通信速率高、通信誤碼率極低,以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在國內(nèi)外頂驅(qū)裝置中得到廣泛應(yīng)用。隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大,頂驅(qū)Profibus 網(wǎng)絡(luò)在使用中出現(xiàn)的故障也越來越受到重視和關(guān)注[1]。從廣泛應(yīng)用的VARCO 頂驅(qū)和北石頂驅(qū)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙胧郑诓煌?qū)動(dòng)系統(tǒng)以及不同PLC 控制系統(tǒng)下,對(duì)比分析各自特點(diǎn)和異同點(diǎn),為現(xiàn)場頂驅(qū)通信網(wǎng)絡(luò)故障處理提供一個(gè)理論依據(jù)和解決思路。
老式VARCO TDS-11SA 頂驅(qū)網(wǎng)絡(luò)采用西門子6SE70 變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和西門子S7-300 PLC 控制系統(tǒng)搭建,整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單,如圖1 所示。
在電控房內(nèi),驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的CUVC 控制板作為底座,CBP-2通信板作為與CPU315-2DP 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換的通信接口板。315-2DP 模塊作為CPU 模塊,同時(shí)具有總線耦合器的功能,將電控房內(nèi)的數(shù)字輸入模塊、數(shù)字輸出模塊和繼電器輸出模塊等通過總線背板掛接到網(wǎng)絡(luò)中。
在司鉆箱內(nèi),由于各個(gè)模塊之間沒有背板連接,3 個(gè)ET200模塊(4AO、4AI 和24DO/8DI)全部通過DP 接口連接到網(wǎng)絡(luò)中。由于CBP2 板和ET200-24DO/8DI 處于網(wǎng)絡(luò)終端,終端電阻設(shè)置成ON,其他模塊都設(shè)置成OFF。

圖1 老式VARCO TDS-11SA 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
新式VARCO TDS-11SA 頂驅(qū)和10SA 頂驅(qū)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全相同,均采用ABB ACS-800 變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、貝福CPU 模塊和WAGO 公司PLC 模塊搭建,整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與老式VARCO系統(tǒng)相似,如圖2 所示。

圖2 新式VARCO TDS-11SA/10SA 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
在電控房內(nèi),ACS800 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的RDCU-02 電機(jī)控制板作為底座,RPBA-01 通信模塊插接到RDCU 上,通過RPBA 模塊與網(wǎng)絡(luò)中的貝福CX1020 CPU 模塊相連。但此時(shí)與老式VARCO 中315-2DP 模塊不同,CX1020 不再具有總線耦合器的功能,僅僅是作為網(wǎng)絡(luò)中的終端模塊存在。電控房內(nèi)的數(shù)字輸入模塊、數(shù)字輸出模塊以及編碼器模塊等都是通過單獨(dú)的總線耦合器WAGO 750-333 掛接到網(wǎng)絡(luò)中。
在司鉆箱內(nèi),由于各個(gè)模塊之間利用背板連接,通過司鉆箱內(nèi)的總線耦合器WAGO 750-333 掛接到網(wǎng)絡(luò)中。
RPBA-01 板和司鉆箱內(nèi)的WAGO 750-333 模塊處于網(wǎng)絡(luò)終端,終端電阻設(shè)置成ON,其他模塊都設(shè)置成OFF。
1.3.1 北石DQ70BSC 頂驅(qū)網(wǎng)絡(luò)搭建
在現(xiàn)場應(yīng)用中,北石DQ70BSC 頂驅(qū)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最為復(fù)雜,與VARCO 頂驅(qū)的網(wǎng)絡(luò)搭建模式完全不同,其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由西門子S120 變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和西門子S7-300 PLC 模塊組建,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。同時(shí),在北石通信網(wǎng)絡(luò)中,還設(shè)計(jì)引入了西門子中繼器模塊(圖3 中RT、RT1、RT2 和RT3),其樣式如圖4 所示。西門子中繼器模塊作用如下。
(1)中繼器模塊將模塊上下連接的Profibus 通信線隔離成上下兩個(gè)網(wǎng)絡(luò),兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間沒有直接電氣連接。
(2)提供信號(hào)中轉(zhuǎn)發(fā)大的作用。由于1 個(gè)中繼器連接上下兩個(gè)網(wǎng)絡(luò),每個(gè)模塊上面也就存在兩個(gè)終端電阻開關(guān)設(shè)置。中繼器的存在將網(wǎng)絡(luò)劃分成多個(gè)通信子網(wǎng)。
在電控房內(nèi),模擬輸入輸出模塊、數(shù)字輸入輸出模塊以及編碼器模塊通過IM153總線耦合器掛接到網(wǎng)絡(luò)中;驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過CU320 模塊的通信接口與中繼器RT2 和RT3連接,形成冗余備用模式掛接到網(wǎng)絡(luò)中。
在司鉆箱內(nèi),PLC 的輸入輸出模塊通過IM153 總線耦合器掛接到網(wǎng)絡(luò)中。在本體站內(nèi),PLC 的輸入輸出模塊通過ET200pro 總線耦合器掛接到網(wǎng)絡(luò)中。北石頂驅(qū)與VARCO 頂驅(qū)除了網(wǎng)絡(luò)搭建方式不同,另一最大不同在于本體作為通信網(wǎng)絡(luò)的終端存在。這就涉及到北石頂驅(qū)特有的模式選擇開關(guān),當(dāng)選擇通信模式時(shí),本體站與電控房的通信通過圖3 中的光纖完成;當(dāng)選擇電纜模式時(shí),本體站與電控房的通信通過圖3 中的Profibus電纜完成。
1.3.2 北石DQ70BSC 頂驅(qū)通信子網(wǎng)劃分與設(shè)置
(1)MPI 網(wǎng)絡(luò)。電控房內(nèi),工控機(jī)和315-2DP 模塊的MPI 接口組成MPI 網(wǎng)絡(luò),其終端電阻都設(shè)置成ON。
(2)Profibus 通信子網(wǎng)1。電控房內(nèi)的RT1、RT2 和RT3 的上端與315-2DP 模塊、IM153 模塊、OLM 模塊、RT 中繼器模塊的上端組成Profibus 通信子網(wǎng)1,RT3 模塊的上端和RT 模塊的上端處于網(wǎng)絡(luò)終端,終端電阻設(shè)置成ON,其他模塊都設(shè)置成OFF。
(3)Profibus 通信子網(wǎng)2。電控房內(nèi)的RT2 下端與CU320 模塊1 組成通信子網(wǎng)2,終端電阻都設(shè)置成ON。
(4)Profibus 通信子網(wǎng)3。電控房內(nèi)的RT3 下端和CU320 模塊2 組成通信子網(wǎng)3,終端電阻都設(shè)置成ON。
(5)Profibus 通信子網(wǎng)4。電控房內(nèi)的RT1 下端與本體站的OLM 模塊以及ET200pro 模塊組成通信子網(wǎng)4,RT1 下端和ET200pro 處于網(wǎng)絡(luò)終端,終端電阻設(shè)置成ON,其他都設(shè)置成OFF。
(6)Profibus 通信子網(wǎng)5。電控房內(nèi)的RT 模塊下端與司鉆箱的IM153 模塊和觸摸屏模塊組成通信子網(wǎng)5,RT 模塊下端和觸摸屏處于網(wǎng)絡(luò)終端,終端電阻設(shè)置成ON,其他都設(shè)置成OFF。

圖3 北石DQ70BSC 頂驅(qū)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖4 西門子中繼器模塊
分析上述各種常見頂驅(qū)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后可以發(fā)現(xiàn),無論是何種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),無論采用何種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模塊和PLC 控制系統(tǒng),搭建頂驅(qū)的Profibus 網(wǎng)絡(luò)裝置都可以分為3 大類,即網(wǎng)絡(luò)終端模塊(CPU、總線耦合器、工控機(jī)、觸摸屏、中繼器、OLM 模塊等)、通信線和DP 插頭。當(dāng)頂驅(qū)出現(xiàn)通信故障后,可以按照以下方法進(jìn)行快速排查。
(1)快速檢查各個(gè)終端模塊的電源指示和終端電阻設(shè)置。任何一個(gè)處于網(wǎng)絡(luò)中的終端模塊在無電源保證時(shí),或者終端電阻設(shè)置不正常時(shí),網(wǎng)絡(luò)通信無法正常建立。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有模塊的供電損壞或者掉電時(shí),電源恢復(fù)后通信即可恢復(fù)正常;當(dāng)終端電阻設(shè)置錯(cuò)誤時(shí),按照網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)恢復(fù)后,通信即可恢復(fù)正常。
(2)在各個(gè)終端模塊供電正常情況下,排查各個(gè)模塊的通信指示燈。若一個(gè)或者多個(gè)模塊出現(xiàn)通信故障指示,則說明故障出現(xiàn)在這一路網(wǎng)絡(luò)中,鎖定故障區(qū)域。
(3)檢查故障區(qū)域DP 插頭或者中繼器。在檢查DP 插頭或者中繼器的電氣連接之前,應(yīng)對(duì)其終端電阻的狀態(tài)進(jìn)行核對(duì)。核對(duì)準(zhǔn)確無誤后,再檢查其電氣連接。
對(duì)于DP 插頭,當(dāng)打到ON 位時(shí),插針3 與8 之間的電阻約為220 Ω;當(dāng)打到OFF 位時(shí),電阻無窮大,此時(shí)DP 插頭的A1和A2 通,B1 和B2 通;同樣,在ON 位時(shí),中繼器的A1 和A2 之間電阻為220Ω,在OFF 位時(shí),A1 和A2 通,B1 和B2 通。如果不是上述狀態(tài),則說明插頭已壞,需要更換。
(4)如果DP 插頭或者中繼器在測量完好情況下,檢查故障區(qū)域的通信電纜。檢查通信電纜,比較直接,檢查A1,B1 線有無斷線,有無短路現(xiàn)象,屏蔽層是否接地良好。若存在問題,則立即更換。
(5)若終端模塊的電源供電、DP 插頭或者中繼器以及通信電纜檢查完畢,沒有故障而通信故障仍然存在,則檢查故障區(qū)域模塊工作是否正常,發(fā)現(xiàn)指示燈不正常或者燒毀跡象,嘗試更換終端模塊,重新上電調(diào)試。
需要特別說明的是,對(duì)于新式VARCO 頂驅(qū)中的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)APBU-01 通信模塊,其內(nèi)部已經(jīng)集成了終端電阻及開關(guān),當(dāng)其DP 插頭設(shè)置為ON 時(shí),其模塊本身的終端電阻設(shè)置開關(guān)必須打到OFF 位。
經(jīng)過上述幾步快速排查,頂驅(qū)通信故障即可快速鎖定和排除。