基于Profibus-DP 現場總線工程實踐的故障分析

唐慧瑛

（深能合和電力（河源）有限公司，廣東河源 517000）

0 引言

現場總線是指安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室內的自動裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線[1]。由大量分散在工業生產現場且具備數字通信能力的智能測控儀表作為網絡節點，以總線電纜串聯各節點作為數據通信的紐帶，把控制功能徹底下放到現場，現場總線技術實現了全工藝流程狀態的數字化。

1 國內某電廠現場總線使用現狀

憑借其通信量大及高速傳輸的優勢，國內某電廠大量采用Profibus-DP 現場總線技術。DCS 系統采用艾默生Ovation 控制系統，2 臺百萬機組及其公用系統連接270 余塊DP 卡，用作現場總線網絡的Profibus主站。鍋爐側、汽機側、水網側和公用系統現場總線通信柜分別為6 個、5 個、2 個和2 個。全廠的總線對象涵蓋電動執行機構、化學分析儀表、變頻器、閥島等。網絡拓撲方面采用線型結構，傳輸速率為500 Kbit/s，同時采取冗余總線配置以提高設備控制的安全性和穩定性。

2 總線故障判斷與處理

2.1 硬件類故障

（1）總線DP 插頭接觸不良。標準Profibus 電纜為屏蔽雙絞線，分別用紅綠兩種顏色區分，線芯外部由鋁箔和屏蔽編織網包裹，對信號傳輸時自身的干擾以及外部的電磁干擾起到抑制作用[2]。針對直接接線的現場設備，需將屏蔽層剝出一定長度并擰成麻花狀，再接入到設備接地點，確保設備接地良好。針對支持使用DP 插頭的現場設備，則需將屏蔽層剝開，壓接在插頭內金屬部分。若屏蔽層與插頭金屬部分無法實現充分接觸，數字信號將受到外界噪聲干擾。同時剝出用于壓接的屏蔽部分需避免長度過長暴露在插頭外，易成為引入外界干擾的導體，表現在通信上將出現信號時斷時續的波動現象。

（2）終端電阻撥碼錯誤。在Profibus 插頭上，有一個進線孔IN 和一個出線孔OUT，分別連接前一個從站及后一個從站，而且Profibus 插頭上都內置了防止浪涌保證通信質量的終端電阻。需要時通過拔碼開關接入ON 和切除OFF，當終端電阻設置為ON 時，表示一個物理網段的終結[3]。終端電阻也可用于某網段整體掉線后，通過撥動開關，改變插頭ON/OFF 位置判斷網段故障位置。結合國內某電廠施工情況，當中間某設備撥到ON 時，外部表現為此設備后全部設備通信集體掉線。

（3）光纖損壞。國內某電廠使用的DP 總線傳輸速率為500 Kbit/s，根據RS485 傳輸技術規定，相對應的最大網段長度是400 m。國內某電廠部分DCS 控制柜至就地設備范圍遠超最大長度限制，為保證通信信號穩定持續，對于遠距離設備采用光導纖維傳輸技術。結合國內某電廠施工經驗，存在過分扭曲導致光纖損壞或光電轉換器損壞的情況，外部表現為采用光纖傳輸的某路網段突然整體掉線。檢查光纖質量的方法是使用強光從光纖一端進行照射，若從光纖的另一端看見亮光說明線路正常。

（4）現場設備通信板故障。隨著現場總線技術的普及推廣，眾多設備廠家相應推出適應總線技術的智能儀表及通信模塊，但由于生產廠家的設備質量不一，部分通信板抗干擾能力弱，信號時斷時續。結合國內某電廠施工經驗，基于線性結構的整體性，網段上某一設備引入的干擾甚至會引起整個網段其他設備信號波動，外部表現為某一網段的設備間隔幾十秒就掉線、上線。

2.3 軟件組態類故障

（1）設備GSD 文件錯誤。適用現場總線技術的智能設備，需要與相應設備固件進行匹配的GSD 文件對傳輸至上位機的參數進行解釋描述以獲得控制相關的信息，如生產廠家、軟硬件版本、輸入/輸出通道的數量及類型等，屬于ASCII 文件，若文件不匹配將導致就地設備無法與上位機進行通信。

（2）邏輯組態錯誤。經現場總線傳輸至上位機的數據，在與上位機進行通信時，將需要的設備參數變成數據包傳輸到上位機，進行解包和打包操作。根據相關協議約定，某位信號將代表設備的某個參數狀態，如第3位代表電動門的全開信號。若邏輯組態錯誤，則會導致參數混亂，設備實際狀態與顯示狀態不一致。

3 Profitrace 總線分析儀

3.1 分析儀簡介

Profitrace 是用于Profibus 網絡功能最強大的分析儀，是一系列總線監測技術設備中最先進的一代產品，它將所有主要工具：分析儀、示波器、條線圖、拓撲圖及DP-V0/V1 主站集成在一起，可以實時監聽設備狀態[4]。

3.2 分析儀常用功能

“Live List”列出掃描到的所有設備清單，工程師可以根據設備相應地址的背景顏色判斷通信錯誤原因。其中，綠色表示設備正常進行數據交換，紫色代表組態錯誤，紅色代表GSD 文件錯誤，白色代表未進行組態。

“ScopeWare”是用于檢測信號質量的實時示波器。正常信號一般顯示為方波，平均振幅為5 V，同時可以通過選擇設備地址號觀測對應設備波形。當信號不穩定時，表現為波形失真。

“Bar graph”顯示整個網段上所有設備的電壓水平。正常總線電壓一般大于7 V。當設備出現接線短路時，對應地址電壓將遠低于平均電壓。當設備出現斷路時，后續設備地址將無電壓顯示。

“ProfiCaptain”使軟件能作為連接的網段主站參與數據收發。使用主站功能時，需確保設備總線通信已從DCS 系統的網段上脫開。利用主站功能對被連接設備發送信號并監測返回信號狀態，可排查單體設備的通信硬件是否存在問題。

4 國內某電廠現場總線設備實例

4.1 電動門

國內某電廠兩臺百萬機組21 號控制器C2/D3 總線網段電動門采用雙冗余配置，主輔網配置在不同DP卡的P01 端口。自投入商業運營以來，地址11、16、17、18 的電動門均顯示主網通信錯誤，一直保持單網運行，無法實現設備冗余通信，21 號控制器C2/D3 總線P01 端口網段如圖1 所示。

圖1 21 號控制器C2/D3 總線P01 端口網段

針對多個設備，特別是連續多個設備出現問題，進行檢查如下。

第一步，檢查設備硬件。此網段總線直接引出，不用經過光纖及光電轉換器。同網段內部分設備通信正常無閃爍，說明有源終端電阻工作正常。

第二步，檢查軟件組態。打開“Ovation”對同型號設備組態信息進行對比。同時在就地將Profitrace 分析儀通過接線連入總線網段，單擊“Init ProfiCore Ultra”啟動分析模式。除去地址10、11、16、17、18 的設備，其他設備均已上線，其中地址10 的設備已知是因為電動門斷電故顯示通信掉線，排除通信問題。“Live List”上線設備均顯示為正常綠色，“ScopeWare”檢查波形狀態，發現波形有小突起。“Bar graph”查看電壓等級發現有上線設備均超過平均值5 V，但隨著地址號遞增，電壓水平呈遞減趨勢。

第三步，檢查通信介質。考慮到DP 總線采用線型結構，查看電纜敷設完工圖及DP 網段分配圖，發現地址16、17、18 電動門為此網段最后3 個設備，判斷可能是地址15 出線口或者地址16 進線口接線出現問題。確保電動門斷電后，拆下地址15、16 電動門接線端子排檢查接線情況。發現地址16 電動門總線進線處接線端子，因電動門接線頭內部空間狹窄及未按接線要求環繞總線導致總線電纜緊繃，且接線銅芯剝開較長，最終導致銅芯斷裂，總線后部網段斷路。

根據總線施工要求對進線處電纜重新剝線連接后，地址16、17、18 電動門主輔網通信正常。

針對單個設備，特別是網段中間部分設備出現問題，進行檢查如下。

因為通信異常設備均處于同一網段，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。根據電纜敷設連接清單，地址11 電動門處于網段中部，自身輔網通信正常，且主網前后設備通信正常，判斷可能是設備自身通信板存在問題或者抗干擾信號弱導致通信異常。

確保總線接線從網段上脫開后，使用總線電纜連接電動門主網接線口與Profitrace 分析儀，在軟件內啟動“ProfiCaptain”功能，發現“Live List”無上線設備。將主網接口更換為輔網接口后，重現啟動主站功能，發現地址11 上線，表明電動門主網存在硬件問題。更換備件后重新進行檢測，地址11 上線。重新將設備接入原網段后通信顯示正常。

4.2 混合接線方式網段

國內某電廠投入商運一段時間后，凈水站102 控制器C3 網段P01 端口設備自地址11 后全部掉線。此網段涉及水泵變頻器、電磁流量計、氣動閥島箱、濁度表，102 控制器C3 網段P01 端口網段如圖2 所示。

圖2 102 控制器C3 網段P01 端口網段

第一步，連接Profitrace 分析儀監測網段狀態。上線設備只有地址10、11，進一步檢查地址11 變頻器總線出線及地址12 流量計總線進線，發現變頻器DP 插頭出線處屏蔽層未壓接到位，屏蔽未與插頭金屬塊充分接觸導致通信異常，重新接線后地址12、13、14、15設備上線。

第二步，利用DP 插頭撥碼開關排查故障位置。閥島箱及濁度表均采用DP 插頭進行連接，檢查地址15至16 的設備不存在接線問題后，將地址16 設備總線插頭終端電阻撥碼開關由OFF 位撥至ON 位。地址16上線，說明地址10 至16 設備通信連接正常。重復以上操作，撥至地址18 開關時，地址18 設備未上線，表明存在線路故障。檢查插頭發現接線符合規范，考慮DP插頭故障。

第三步，檢查DP 插頭。利用多用表測量DP 插頭阻值，發現OFF 位時，紅線進出線之間存在阻值。更換新插頭后重新接線，再將插頭撥至OFF 位，后續設備通信正常。

5 結束語

現場總線連接方式大大降低了電纜的敷設密度及資金成本。總線技術的結構特殊性導致的故障多樣性也為設備層面的檢修維護工作帶來一定困難。要體現現場總線技術的優勢，需要通過培訓及現場實操提高總線維護人員水平，要求掌握總線相關技術，學會應用相關專業軟件對總線問題進行快速判斷和處理。利用Profitrace 總線分析儀的強大功能，便于檢修維護人員迅速定位設備故障位置及原因，并為分析判斷故障提供了數據支持，極大提高了檢修效率。