20世紀(jì)90年代以來，信息工業(yè)4C技術(shù)（Computer、Control、Communication、CRT）的高速發(fā)展，工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)刂品秶鸵?guī)模的不斷擴(kuò)大，對性能、信息量和實(shí)時性要求提高以及與控制、管理和決策相結(jié)合，現(xiàn)場總線技術(shù)隨之而生，可以說現(xiàn)場總線是自動化發(fā)展的必然產(chǎn)物。

現(xiàn)場總線是指安裝在過程控制區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備與控制區(qū)域的中央控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字式、串行、多點(diǎn)信息交換的數(shù)據(jù)總線?？偩€協(xié)議是現(xiàn)場總線的核心所在，總線協(xié)議技術(shù)是系統(tǒng)的，有完整的硬件和軟件支持，能夠形成系統(tǒng)和產(chǎn)品，總線協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化是實(shí)現(xiàn)開放、互操性的前提?，F(xiàn)場總線遵循了統(tǒng)一的總線協(xié)議，實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)字通信，具有多種智能化功能，增加現(xiàn)場級的信息處理和控制能力，具有豐富的狀態(tài)、診斷、參數(shù)信息。現(xiàn)場總線技術(shù)是控制系統(tǒng)由傳統(tǒng)的集散型控制系統(tǒng)（DCS）向現(xiàn)代化的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）不斷發(fā)展?jié)u進(jìn)的支撐。

Profibus現(xiàn)場總線

在現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展中，Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)無疑是應(yīng)用最為廣泛的，它是由德國和歐洲國公司為主的國際性組織所主導(dǎo)的。Profibus總線協(xié)議通信模型參照ISO-OSI標(biāo)準(zhǔn)用于信息通信的七層參考模型，并增添了面向用戶的用戶層，如圖1所示，Profibus-DP將其簡化為三層，僅定義第一層（物理層），第二層（數(shù)據(jù)鏈路層）和用戶層。

圖1Profibus對于OSI模型的簡化

Profibus是一種用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場總線技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備層到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動化和現(xiàn)場設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。Profibus傳輸距離遠(yuǎn)速度快，數(shù)據(jù)安全性高，安裝簡單，使用方便易于調(diào)試。廣泛適用于制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通電力等其他領(lǐng)域自動化。Profibus按照應(yīng)用場合分為了Profibus-DP、Profibus-PA和Profibus-FMS3個不同系列。FMS的協(xié)議層行規(guī)較為繁瑣，不能適應(yīng)目前現(xiàn)場總線高速傳輸?shù)囊?，已漸漸退出了實(shí)際應(yīng)用，現(xiàn)在應(yīng)用最多的是DP和PA這兩種系列。

故障及其原因分析

在Profibus總線網(wǎng)絡(luò)的搭建和使用中，特別是在安裝調(diào)試及現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)運(yùn)行中，由于一些安裝配置或電磁干擾等原因，會使得Profibus網(wǎng)絡(luò)中斷、通信性能下降、網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、站點(diǎn)丟失等故障。目前根據(jù)大量的現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得到，故障大致可以分為物理故障和網(wǎng)絡(luò)邏輯故障。其中，大部分的故障是物理故障，主要是安裝不規(guī)范，線纜布局及接口的問題較多，另外也時常有一些較復(fù)雜的瞬時故障發(fā)生。

物理故障主要有以下幾點(diǎn)：1.線路及網(wǎng)絡(luò)插頭等引起的故障；2.電壓電流劇烈變化、噪音干擾（共模差模干擾）、電磁干擾所引起的故障；3.通訊端口和模塊引起的故障；4.中間件及耦合器等引起的故障。而網(wǎng)絡(luò)邏輯故障主要有1.硬件組態(tài)故障如波特率配置、站點(diǎn)模塊組態(tài)等問題；2.通訊故障，功能塊配置問題，在編程的時候功能塊選用不當(dāng)，有些信號需加延時處理等。這里我們主要研究的是出現(xiàn)問題最多的物理故障。

首先，查明造成故障干擾的因素至關(guān)重要，以便于采取措施，對癥下藥。從硬件上，在存在大量用電設(shè)備的工程中，由于電氣接線復(fù)雜、控制設(shè)備多、控制回路繁雜，很容易造成各線路之間的相互影響。各類電纜在橋架的走線布局不合理、接地不合規(guī)范、應(yīng)當(dāng)屏蔽的地方未做好屏蔽、通信線靠近大功率大電流設(shè)備都容易引起的Profibus網(wǎng)絡(luò)的故障。

診斷方法

隨著現(xiàn)場總線發(fā)展，相應(yīng)的總線故障問題種類也越來越多，問題往往都不容易找到，為了適應(yīng)這樣一種實(shí)際問題，隨著時間推移產(chǎn)生了一些診斷方法。這些方法主要有：

1.通過站點(diǎn)狀態(tài)指示燈及萬用表等簡單工具排查：這種方法只能簡單地排查Profibus電纜是否連接，各站點(diǎn)是否連接，首尾終端電阻是否接入等，此方法只用作前期的初步檢查。

2.編程軟件，如西門子step7軟件及ABBControlBuilder編程軟件，通過編程軟件可清楚顯示整個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和各站點(diǎn)的信息。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息可全面了解，便于故障定位。用作整體全局的故障檢測，定位度不高，對于信號質(zhì)量等不能診斷。圖2為編程軟件的站點(diǎn)顯示。

3.診斷中繼器及自帶手持診斷設(shè)備：如西門子診斷中繼器及診斷設(shè)備BT200，此類設(shè)備對整個總線網(wǎng)絡(luò)有較為細(xì)致的檢測功能，可準(zhǔn)確排查線路AB的反接，短接，短路，診斷中繼器還可記錄故障的時間原因，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼俺鲥e地點(diǎn)。但這種檢測局限性比較大，如BT200大多用在總線布線階段，在設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)診斷有不小難度，診斷中繼器長度需100m以內(nèi)，且需網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，對網(wǎng)絡(luò)也有要求。

4.一些抓包軟件，如Amprolyzer，專用于底層數(shù)據(jù)的診斷，作為通信質(zhì)量的評估軟件。診斷功能較為單一，只用于通信質(zhì)量，無線纜故障定位等功能。

5.綜合性的診斷工具，如德國Comsoft公司的NetTESTII和Softing公司的PBT-5設(shè)備。這種設(shè)備可系統(tǒng)化測試Profibus網(wǎng)絡(luò)，大多數(shù)的常見錯誤均可準(zhǔn)確定位，這種綜合性診斷工具都內(nèi)置示波器功能，可清楚檢測傳輸信號的通信質(zhì)量，無論是在設(shè)備運(yùn)行或調(diào)試階段，均可使用非常方便無需組態(tài)，可記錄檢測數(shù)據(jù)生成報(bào)告。結(jié)合永久性檢測工具可對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行永久監(jiān)測，最大化減小用戶工廠停機(jī)時間。NetTESTII診斷儀如圖2所示。

圖2NetTESTII診斷儀

通過比較各種診斷方法，這些診斷方法適用的地方及檢測的功能均不一樣，作為綜合性的診斷工具，功能完善，成本相對要高一些，但能有效排查現(xiàn)場Profibus網(wǎng)絡(luò)故障，保證正常生產(chǎn)需要，有條件的工廠可選擇綜合性的診斷工具，提高企業(yè)效益。表一為幾種診斷方法比較，可以看到綜合診斷工具功能更全面強(qiáng)大。

干擾處理

在工程項(xiàng)目現(xiàn)場應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，綜合解決各類干擾。首先是要做好電纜布線和屏蔽工作，控制電纜和各種類信號線之間必須做好屏蔽，控制電纜需單獨(dú)放置，Profibus-DP總線雙絞線在橋架布置上避免與其他信號線、控制電纜及高電壓動力電力電纜相同線路，避免容錯，最大限度減少干擾源，在接線的時候，要把屏蔽層接好，留出適當(dāng)長度的屏蔽層，避免與里面的電線接觸。

其次，良好的接地是現(xiàn)場總線防干擾的重要措施?！暗亍?，一般選取零電位作為參考點(diǎn)，接地即是在兩接觸節(jié)點(diǎn)之間建立通路，將用電設(shè)備則連接到“地”。接地的主要目的是為了保護(hù)人、設(shè)備的安全以及減弱電磁干擾等。注意通訊接口的固定也非常重要。除接地外，其他設(shè)備電源和電纜對通信信號的影響也很大，在有條件的情況下應(yīng)選用隔離性能好的設(shè)備及電源，盡量隔離布線。另外針對模擬信號的干擾大量使用模擬信號隔離器（也稱信號變送器）以抵抗干擾，信號隔離器對各種模擬量信號進(jìn)行電源、輸入、輸出三線隔離并調(diào)理信號，使信號干擾大大減小。正因?yàn)槠鋼碛械某瑥?qiáng)抗干擾能力，加裝信號隔離器成為自動化控制系統(tǒng)的常用方法，現(xiàn)場應(yīng)用也非常廣泛。

表1幾種診斷方法比較

Profibus總線網(wǎng)絡(luò)因其諸多優(yōu)點(diǎn)成為非常重要的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，同時也得到了廣泛應(yīng)用，隨之而來的是在安裝調(diào)試及現(xiàn)場運(yùn)行時各種網(wǎng)絡(luò)故障的產(chǎn)生。有些故障十分復(fù)雜，不易排查，應(yīng)根據(jù)故障特點(diǎn)，選用合適的診斷方法及工具進(jìn)行分析診斷，快速定位故障，盡快處理故障，縮短調(diào)試時間或減小停機(jī)時間，增加工廠效益。

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