PROFIBUS-DP現場總線在白車身生產線上應用典型故障分析

陳大艷

摘 要：文章對在維修過程中需使用到的PROFIBUS-DP現場總線相關理論知識點進行了闡述，并就PROFIBUS-DP現場總線在白車身生產線上應用典型故障處理過程進行了詳細描述。

關鍵詞：PROFIBUS-DP;現場總線;典型故障;解決辦法;干擾

中圖分類號：U463.8? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）17-182-03

Typical Malfunction Analysis for PROFIBUS-DP Fieldbus Application

in White-body Production Line

Chen Dayan

（ Shaanxi Automobile Group Co. Ltd， Shaanxi Xi'an 710200 ）

Abstract： In this paper， we expound the relevant theoretical knowledge points of PROFIBUS-DP field bus used in the maintenance process and in detailly describe the typical Malfunction treatment process of PROFIBUS-DP field bus applied in white-body production line.

Keywords： PROFIBUS-DP; Fieldbus; Typical malfunction; Solution; Interference

CLC NO.： U463.8? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）17-182-03

1 PROFIBUS-DP現場總線介紹

PROFIBUS是一種國際性的開放式的現場總線標準，PROFIBUS-DP是一種高速、低成本通信，它以RS485串行通信為基礎，用于設備級控制系統與分散式I/O的通信，使用PROFIBUS-DP可取代24VDC或4-20mA信號傳輸。PROFIBUS-DP現場總線技術有以下特征：

（1）傳輸速率和電纜長度：PROFIBUS-DP現場總線傳輸的電纜長度同波特率的理論關系如下表1：

每個總線分段最多可以連接32個子站，可允許的最遠傳輸距離同設定的傳輸速率有關（見上表）。可以使用中繼器來延長總線長度或者擴充子站臺數。

（2）終端電阻：在通訊中，增加終端電阻是為了消除在通信電纜中的信號反射。在Profibus-DP規范中，其終端匹配電阻為220歐。當信號在一根長電纜上傳輸或是有很高的數據速率時，電纜將呈現傳輸線的特性，即信號在線路上以一定的速度傳播開來，從而形成行波。當遇到不連續的阻抗時，就會產生反射波，反射波與原來信號疊加，從而造成原來信號的失真，加終端匹配就是要消除或減少線路中這種反射振蕩。

（3）RS485中繼器：按照Profibus的規范，當網絡中的硬件設備超過32個，或者波特率對應的網絡通訊距離已經超出規定范圍時，就應該使用RS485中繼器來拓展網絡連接。

（4）總線接頭

1）共有2組Profibus網線接線端子，第一組（A1，B1），第二組（A2，B2）。

2）終端電阻開關為“ON”時，進線出線斷開。終端電阻開關為“OFF”時，進線出線導通。

3）終端電阻開關為“ON”時，進線出線斷開，終端電阻并聯在進線端，測量A1，B1之間的阻值應為終端電阻與與整條進線回路并聯后的阻值，正常為110歐姆。測量A2，B2之間的阻值應為出線回路的阻值，正常為220歐姆。

4）終端電阻開關為“OFF”時，進線出線導通，此時測量進線或出線的阻值都應為整條Profibus網絡回路的阻值，正常為110歐姆。

（5）電磁干擾和接地

在進行Profibus-DP網絡布線時，要選用標準的電纜，標準的Profibus-DP電纜是雙層屏蔽的，效果比較好。另外，通訊電纜要與動力電纜分開布置，一般要求為100mm以上距離，分別在不同的橋架中敷設，同時橋架應該做好接地處理。如現場不能分橋架敷設，則將兩類電纜盡量遠離，中間加金屬隔板進行隔離。

在Profibus-DP接頭安裝時，需要將屏蔽層壓在插頭的金屬部分，如不能采用專門的接頭安裝時，也不要將屏蔽層剝離太長，這樣暴露在電磁空間中，易成為受干擾的“天線”。

如Profibus-DP電纜在電柜中余留比較長時，不要將電纜捆成環形，此時如果有磁力線從環中間穿過，根據“右手定律”，容易產生干擾信號。

下面介紹裝焊車間某白車身生產線上PROFIBUS-DP在生產運行期間典型故障及解決辦法。

2 典型故障及解決辦法

（1）某白車身大裝線，采用三菱Q02HCPU作為主站，設有PROFIBUS-DP從站50個站點，其中圖爾克I0模塊站點有14個，圖爾克IP67輸入模塊29個，SEW變頻器子站1個，ABB機器人子站6個。近期該生產線每天出現1-2次總線故障，故障表現現象為偶爾某機器人完工信號未傳遞給PLC，或者某工位工裝夾具無動作，通過斷電重啟各子站的方法臨時可恢復正常。利用周末檢修時間對該大裝線總線系統進行了全面的檢查檢修工作。

1）首先對PLC配電柜主電源斷電，對機器人控制柜電源斷電。選擇中間任一個站點的A1、B1進行測量，總線回路阻值在180歐姆，不在110歐正常值附近，說明中間串入了約1000歐左右的阻值。

2）從一工位逐個站點進行測量，總線接頭在OFF狀態時，正常情況下，進線出線導通，但有多個站點測量都不是導通狀態，不同程度地串入了幾十到幾百的阻值，將總線接頭OFF-ON撥動開關上下撥動幾次后再測量，大部分總線接頭進線出線導通，應該為開關撥動處金屬片有氧化現象，對撥動后阻值仍然不正常的4個站點總線接頭進行更換。

3）更換后再次測量總線回路阻值，在110歐姆左右，恢復正常。對PLC和機器人全部站點設備通電測試，總線系統正常。

（2）某車型頂蓋總成生產線，采用西門子CPU317-2PN/ DP作為主站，設有PROFIBUS-DP從站12個站點，1個分布式IO站點，4臺KUKA機器人站點，4個閥島箱站點，3個變頻器站點。近期對該生產線進行了改造，改造后經常出現總線報警現象，改造前該區域生產量非常少，基本處于閑置狀態，改造后設備幾乎是滿負荷運行。該問題應該為原設計不良或安裝質量問題導致，經常需人為干預夾具或機器人動作后才能恢復使用，但報警不是徹底無法使用狀態，一般是電機在運行到快到停車位時出現總線報警，人為手動操作回到初始狀態后又恢復正常，影響生產節拍的正常發揮。利用生產間隙對該生產線進行了全面的檢查檢修工作。

1）對該系統全部設備斷電測量阻值，由于有個終端是閥島箱，閥島的Profibus-DP終端阻值為195歐姆，另一端終端為機器人站，使用的西門子Profibus-DP總線接頭，阻值為220歐姆，從中間任一站點A1、B1測量總線回路阻值為105，正常。

2）由于總線出線報警，設備停止運行時，主要為電機在運行過程中出現，懷疑為變頻器輸出線路干擾導致。原設計安裝時，臺車電機使用有拖纜，總線電纜與變頻器輸出到電機電源線均布置在拖纜里，無有效隔離措施。重新布置一條拖纜，將總線電纜與動力電纜分開布置，在從配電柜出來附近，通過加裝金屬隔板來隔離。改進后使用的一周內，未再出現由于總線導致的設備停機等異常現象。

3）但運行一段時間后，偶爾又出現總線報警，且某閥島箱站點報警出現頻次較多，測量該總線模塊插頭處進出口，無異常。模塊電源插頭處電壓在22.5V左右，正常。

4）考慮更換該站點閥島箱總線模塊進行測試，在拆卸該總線模塊時，發現閥島箱模塊底板只安裝一個螺栓，總線模塊與兩端IO及電源模塊都是通過底板拼接連接，有接觸不良的風險。重新加裝底板連接螺栓，并對閥島箱模塊底板進行除塵保養;

通過上述處理后，未再出現由于總線報警導致的設備停機現象。在處理該生產線總線報警時，發現SMC閥島EX600在使用時，需將通訊速率調到125kbps，即能調的速率最低值。如將SMC閥島速率調到與西門子S7-300PLC通訊速率500 kbps一致時，頻繁發生通訊異常問題，如夾具實際處于打開狀態，但顯示處于夾緊狀態。因此，在使用該系列閥島時需注意速率不要調太快。

3 結束語

本文對在使用Profibus-DP現場總線所需用到的理論知識點進行了闡述，并就現場發生的兩次典型故障案例處理過程進行了詳細描述，可作為現場維修人員參考。另外，成熟的網絡通信技術已經取代了RS485為基礎的串口通信，Profibus總線也逐漸被PROFInet所取代。

參考文獻

[1] 陳偉宗.Profibus-DP現場總線在汽車焊接線中的運用研究[J].工藝與技術，2011，24.

[2] 王成鎮，張鳳武，刁魯南.Profibus-DP現場總線常見故障分析[J].山東冶金，2010，2.

[3] 鞠佳奇.Profibus-DP網絡故障的分析與診斷技術[J].內燃機與配件，2019，6.

[4] 姜永志.Profibus-DP通信故障的分析與處理[J].自動化應用， 2018.1.