基于PROFIBUS現場總線的故障分析

宋光偉 張燕

1 PROFIBUS現場總線的分類

PROFIBUS是Process Field Bus的縮寫，由以SIEMENS公司為主的十三家工業企業和五家研究機構聯合推出，是聯邦德國于九十年代初制定的國家工業現場總線協議標準。PROHBUS己經成為一種國際化的、開放的現場總線標準。PROFIBUS根據應用特點分為PROFIBUS -DP、PROFIBUS -FMS 和PROFIBUS-PA三個兼容版本。

1.1 PROFIBUS-FMS（現場總線信息規范）

用于解決車間層通用性通信任務，要求面向對象，提供較大數據量的通信服務，完成中等速度的循環和非循環通信任務，是一個令牌結構、實時多主網絡。由于它是完成控制器和智能現場設備之間的通信以及控制器之間的信息交換，因此它考慮的主要是系統的功能而不是系統的響應時間，應用過程通常要求的是隨機的信息交換(如改變設定參數等)。強有力的FMS向用戶提供了廣泛的應用范圍和更大的靈活性，可用于大范圍和復雜的通信系統。主要用于紡織工業、樓宇自動化、電氣傳動、低壓開關設備等一般自動化控制。

1.2 PROFIBUS-PA（過程自動化）

是專為過程自動化而設計，具有本質安全性，主要用于安全性要求較高的場合以及有總線供電的站點。因此，PA尤其適用于化工、石油、冶金等行業的過程自動化控制系統。

1.3 PROFIBUS-DP（分散外設）

是一種經過優化的、高速廉價的通信連接，是專為自動控制系統和設備層分散加之間的通信而設計，使用PROFIBUS.DP模塊可取代價格昂貴的24V或0-20mA并行信號線。用于分布式控制系統的高速數據傳輸，其數據傳輸速率可達12Mbps。截至目前，DP的應用占整個PROFIBUS應用的80%安裝實例，代表了PROFIBUS的技術精華和特點。

2 PROFIBUS現場總線常見故障分析及處理方法

2.1 線路引起的故障

故障現象：生產過程中，通信網絡突然出現大面積的網絡節點無法通訊?？刂浦髡綪LC網絡狀態指示燈提示，網段1出現網絡通訊故障。

解決方法：通過STEP7的硬件在線監控軟件現場監控發現，核子秤通訊子站以后的網路節點全部出現網絡通訊故障。檢查故障點周圍的網線，發現新增的一處通訊子站的橋架內網線出現破損，將破損網線更換后，網絡通訊恢復正常。

排查心得：此類故障可以采用逐點排除的方法即用通訊節點逐個脫網的方法排查此類故障。先從發生通訊故障網段中選擇離通訊主站最遠的一個節點開始，逐一合上節點插頭上的終端電阻，排查線路故障點。當合上某一個節點的終端電阻后，其靠近主站側的節點通訊恢復正常，基本可以判定故障點就在這個節點與上個合上節點之間。

預防措施：（1）定期檢查橋架內的網線，是否存在破損等影響通訊質量情況；（2）設備進行局部改造施工時，注意不要損壞已經鋪設的網線。

2.2 通訊端口引起的故障

故障現象：在高壓裝置壓縮廠房進行進出料過程中，一數采柜數次出現突然停機現象。重新啟動生產線后，能夠正常生產。

解決方法：查看觸摸屏的故障信息發現，該數采柜存在本地開關和本地電源開關置0、ET200通訊故障等故障。當發生子站通訊故障時，在PLC控制器的輸入緩沖區中的輸入信息會自動復位到常開狀態，所以觸摸屏顯示本地開關和本地電源開關置0。由此基本上可以判斷該儲絲柜異常停機是其子站的ET200通訊子站通訊故障造成的。檢查ET200通訊模板與DP網網絡插頭，發現插頭緊固螺絲松動，致使子站通訊模板與網絡插頭接觸不良。更換網絡插頭并重新緊固后，沒有再出現類似現象。

排查心得：在工作環境較惡劣的情況下，要定期檢查通信端口，尤其是網段線路的末端，當出現無規律的網絡末端“掉網”時，很可能是網段末端DP插頭的終端電阻故障造成的，首先要更換網絡末端的DP插頭。

預防措施：（1）定期檢查網絡接頭是否松動、虛接；（2）定期檢查模塊電壓是否正常，壓降是否在允許范圍內；（3）定期檢查接地是否規范，包括動力接地和通訊接地。

2.3 中繼器引起的故障

故障現象：在生產過程中，高壓裝置風送段發生故障停機，同時伴有大面積網絡通訊故障。

解決方法：現場觀察發現，多路閥旋轉電機停在釋放位置一端，沒有正常反向。通過檢查發現，旋轉電機西側限位開關發生線路短路，造成DCS04站內的24V空氣開關保護。恰好有一中繼器也從這個空氣開關引出24V電源，開關一保護中繼器“掉電”，也就造成了大面積的網絡通訊故障。單獨給中繼器提供24V電源后，沒有再發生類似的情況。

排查心得：有些網絡通訊的故障，并不一定就是網絡設備自身引起的。故障排查時，在排除網絡自身設備故障后，就要圍繞相關設備進行排查。

預防措施：網絡通訊模塊電源一定要單獨從總電柜直接引出，不能從子站電源接入或和其它設備共用一個電源。因為一旦這個設備出現短路或這個子站電源中斷，就會使網絡通訊模塊“掉電”，整個通訊網絡就會因網絡通訊模塊電源故障而癱瘓。

3 PROFIBUS現場總線特殊故障的實例分析及預防措施

3.1 現場總線接口卡件損壞

某廠操作人員反映電氣機構的多個電機無法操作，經熱控維修人員排查發現：現場總線節點Y-LINK卡上的故障 (Error)“紅燈”亮起，該卡所帶的SIMOCODE電擊的全部信息處干故障狀態，近20臺電機、開關信息全部中斷，使該裝置的電機、開關全部處于癱瘓狀態。此時采用復位或者更換卡件是解決問題的最有效的辦法。另外要求廠家寄備件以備再次出現此類情況。

3.2 現場總線連接器連接松動

某化學水總線調試期間，運行操作人員發現數臺儀表、閥門的數據同時回零，熱控人員根據軟件診斷，確認是某條總線段出現了故障。認真排查了現場總線卡、總線電源等都沒有發現問題；接著檢查從站的總線連接器、連接線頭全松動，造成了線路的斷路，使得通訊陷入癱瘓。安裝期間采用專用壓線器可以消除隱患。

3.3 數據量阻塞

工業以太網上用戶負載的大小決定數據量是數據量阻塞的原因，為了滿足工藝的要求，經過前期準備和調研，對現場總線的設備進行合理選型，利用調試，我們對操作員站和總線通訊容量進行了驗證，在預算范圍內選出最優的硬件配備方案，使得今后數據阻塞的故障隱患可能降為最低。

3.4 操作員站死機

針對操作界面的死機，原因有兩個：一是控制器時間程序系統占用大量內存，造成控制器運行內存不夠而死機；二是病毒導致死機。后者我們使用定期升級病毒庫的方法使得可能性在運行期間基本沒有出現。前者我們升級了軟件版本，把死機的可能性降到最小，使得隱患發生率達到最小。

結束語

現場總線作為一種典型的實時分布式控制網絡技術，己經成為目前最受關注的控制網絡，它在世界上特別是工業領域的廣泛應用也給它帶來了新的要求和新的發展契機，本文對PROFIBUS總線在現場應用中的故障及處理方法進行了分析總結，以期為從事相關總線技術的人員發現解決故障問題提供幫助。

[1]侯維巖，費敏銳.PROFIBUS協議分析和系統應用[M].清華大學出版社，2006.

[2]李正軍.現場總線及其應用技術[M].機械工業出版社，2005.