淺析現場總線在環境與設備監控系統中的應用與故障處置

倪瑾

摘 要：介紹了現場總線的定義和結構特點，兩種流行現場總線（ControlNet和PROFINET）在無錫地鐵環境與設備監控系統中的應用，并進行現場總線故障診斷和常見原因，分析現場總線故障確定方法，查找故障原因，進行故障處理，提高現場總線系統運行的穩定性，并提高現場總線系統的穩定性和完善性、為總線錯誤處理速度提供技術支持。

關鍵詞：現場總線定義;應用;故障分析

0 引言

簡單、可靠、經濟和實用的現場總線（Fieldbus），近年來已在許多情況下得到應用。國內廣州地鐵、南京地鐵、上海地鐵、深圳地鐵等環境與設備監控系統中均有現場總線的運用，目前無錫地鐵一、二號線環境與設備監控系統（BAS系統）采用的是ControlNet現場總線，三號線采用的是PROFINET現場總線。

1 現場總線的定義和結構特點

根據國際電工委員會對IEC61158標準的定義，現場總線是指在制造或處理區域中安裝的現場設備與控制室中的自動控制單元之間的數字，串行和多點通信數據總線。

典型的現場總線網絡僅使用7層模型（也稱為OSI模型）中的三層，即物理層，數據鏈路層和網絡層。

2 在無錫地鐵環境與設備監控系統中的應用

2.1 ControlNet現場總線

無錫地鐵1號線和2號線的BAS系統使用的是AB公司的ControlNet現場總線。借助ControlNet總線，將OSI七層模型中的物理層與數據鏈路層相融合，多個控制器可以共存且支持輸入數據的多路傳輸，大大減少了網絡流量，大大提高了網絡效率和網絡性能。

無錫地鐵1號線和2號線每個車站A、B兩端組成冗余的雙環網結構，主要為ControlLogix PLC與RI/O以及通訊網關AB7006之間通過冗余的ControlNet現場總線相連，構成BAS網絡，實現數據通信。其中RI/O包括給排水、照明配電、傳感器等接口，通訊網關包括變頻器、智能低壓、電扶梯、EPS等接口。A端與B段之間同樣用一段Controlnet現場總線連接，從而使整個車站的BAS系統網絡貫通連接。

2.2 PROFINET現場總線

無錫地鐵3號線的BAS系統采用的是西門子公司的PROFINET現場總線，PROFINET保持了Profibus的開放性，優化了OSI? 7層模型的第二層數據鏈路層，通過不使用IP地址尋址，而是使用接收設備的MAC地址來確保網絡的實時性能。

無錫地鐵3號線每個車站A、B兩端組成冗余的三環網結構。三個環網彼此相互獨立，A 端環網出現故障不會影響 B 端環網數據，B端環網不會影響 A 端環網，冗余 PLC 控制器環網出現故障不會影響A，B 端環網數據，以達到數據的安全性和可靠性。

3 故障分析

目前一、二號線的ControlNet總線系統自開通運營以來，通信一直比較穩定，但隨著設備投入使用年限的增長，現場總線出現的故障愈加頻繁;三號線的PROFINET現場總線系統伴隨著三號線的開通也將面臨著運營的考驗。現將調試和運營過程中的一般常見現場總線系統通信故障進行了匯總和分析。

3.1 硬件故障

（1）硬件損壞。硬件設備的質量是保持現場總線通信穩定的基礎。總線模塊穩定性很高，可一旦主、備模塊均損壞，則A、B通道都會受損，所連接的機電接口設備都無法監控。當分支線纜發生故障時，那對應單個通道的通訊會受到影響。終端電阻可以消除通信電纜中的信號衰減，當發現無法掃描全部總線設備或者發生通信時好時壞的故障時，就可檢查終端電阻是否損壞或遺失。

（2）電纜敷設問題。電纜敷設的好壞關系到總線信號的質量，項目建設初期，工人因為施工經驗不足，導致線纜彎曲半徑過大，都會導致終端設備的通信故障。

（3）未作好屏蔽接地。電磁干擾對現場總線傳輸的數字信號影響甚大，項目建設初期，就一定要做到總線系統和設備接地，現場總線屏蔽在系統端單點接地。

3.2 軟件故障

（1）程序丟失。程序的丟失這類故障是現場總線故障中情況最為嚴重的故障，這故障發生后，所有接口設備都將無法監控，需要在第一時間使用程序軟件加載備份程序上去。

（2）數據突然離線。現場運維人員日常巡檢時，突然發現某遠程模塊箱的數據離線。需要立即通過通訊管理軟件登錄，在其中查詢該遠程I/O的節點，當找不到時候，表明網絡連接確實已丟失。當確定同軸電纜或連接器無問題時，可重新進行網絡規劃進行故障恢復。

4 提升措施

（1）從前期施工中要注意遠離干擾、做好屏蔽和加強培訓。要做到現場總線電纜和電源電纜纜放在各自橋架中，當確有困難時，可考慮中間使用隔板;屏蔽好現場總線設備和電纜;加強對現場人員的培訓，規范安裝流程，纜線的布放正確并在兩端配備端子號，方便后期排查檢修。

（2）運營維護中要注意，加強運維人員的巡查力度，提升人員的專業素養，對總線軟硬件設備認識深刻，對總線故障有充足的預判，第一時間消除對正常運營的影響。

5 總結

現場總線系統技術目前已經逐步成熟，尤其是無錫地鐵一、二號線的總線系統運營一直比較穩定。但是總線故障的判斷在實際應用中，尤其是遇到一端網絡上有多個節點時或者當遠程模塊箱處于區間時，排查工作將會復雜又耗時還需要請點施工。這時可以考慮開發一款可以快速判斷總線故障的程序軟件，方便現場檢修人員能在第一時間查出問題癥結所在，這是后續研究的方向。

參考文獻：

[1]佟為明.ControlNet現場總線技術[J].微處理機，2005（2）：59-61.

[2]李正軍.現場總線及其應用技術[M].北京：機械工業出版社，2005.