40MN挤压机Profibus-DP网络通信故障分析与处理

王红东

（中铝洛阳铜业有限公司，河南 洛阳 471039）

40MN挤压机是我厂2002年大管大棒技术改造时安装的一台大型设备，主要用于铜及铜合金管材、棒材、型材的热挤压，是太原重型机械厂设计制造的。在这几年的生产中，电气设备运行基本正常，没有出现大的问题。后来出现的DP网络通信故障，让我们花费了很多时间，想了很多办法，最终把故障消除。现把当时的处理方法总结出来，与读者交流。

1 电气控制系统简介

40MN挤压机主要包括挤压杆、挤压筒、穿孔针、供锭机、横向模座、压余分离机构、出料辊道、冷床、锯切、液压泵站等几部分组成，有4个操作台。整个电气控制点比较散，输入和输出远离PLC，需要铺设很长的电缆，不易实现，并且也可能因为电磁干扰而使得可靠性降低。所以控制系统采用由一个主站和十个从站组成的Profibus-DP网络系统，主站由S7-400 CPU414-2DP和S7-400输入、输出模块组成，10个从站均采用ET200S分布式I/O，I/O为S7-300模块。主站和其中的6个从站分布在主控制室内，其余的4个从站分布在设备周围的四个操作台内。站与站之间用西门子专用通信电缆连接，整个网络长度将近100m，网络波特率为1.5Mbps。

2 网络故障现象

刚开始出现故障时，设备正运行着突然停了，而操作工可以马上再把设备启动起来，故障是一闪而过，看不到故障现象。到后来，故障时间加长，设备停后开不起来了。看到故障现象是主站CPU上SF信号灯闪烁，显示是外部总线通信故障，检查发现是2号操作台从站报警，ET200S的 BF信号灯闪烁，意思是本站故障或无连接报文，原因可能是I/O模块中存在错误，或缺少连接到控制器的总线电缆，也可能是背板总线故障，与主站通信中断。根据故障指示，把这个从站的模块拆掉，检查是否有接触不好，往往是拆拆装装，故障就消失了。可是过两天突然又不行了，后来不只是2号操作台报警，其他从站也报警，频次越来越高。

在线打开程序，从PLC诊断缓冲区中查看模块信息，可以看到CPU提示的报警信息，报警信息如下（选取了其中一段）：

报警故障代码为39C4，表示分布式I/O、从站失灵到来状况；故障发生在5号从站，5号从站诊断地址为8187，主站诊断地址为8188，当故障发生时，系统调用OB86组织块，但未找到该块。

3 原因分析及处理

3.1 通信线路问题

故障现象是外部从站丢失，怀疑是通信线路有问题。刚开始只有2号操作台从站报警，2号台的通信线是从1号主操作台接过来的。首先检查1号、2号操作台DP插头接线是否可靠，屏蔽层与DP插头的金属片是否压紧，终端电阻开关拨的位置对不对。 往往在检查过程中故障就会消失，但故障还会不定时出现，后来又更换DP插头，仍没有从根本上解决问题。于是就想着更换 1、2号操作台之间通信电缆，怀疑是通信电缆受损，阻值增大，信号损耗引起的。1号、2号操作台相距大概有20m，我们所用电缆是西门子专用双绞通信电缆，手头暂无备品，一时无法更换。后来设备状况越来越差，很多从站都报警，电缆总长将近一百米，无法判断究竟是哪一段有问题，虽然买了一些通信电缆，但不知道该更换哪一段，最终没有更换。往往是哪个站报警，就检查哪个站的DP插头接线情况，模块插接情况，有时反复检查，故障总是在检查的过程中消失。

通信线路电磁干扰也是造成网络故障的主要原因，我们的现场布线是通信电缆与其他控制线、动力线混在一个电缆沟里，这极容易造成干扰。由于平行布线的两根电缆之间会产生电容耦合，因此为了避免相互之间的影响，通信电缆与动力电缆应避免长距离平行布线 。当初设计时未把通信线与其他线分开排布，现在想改已不具备条件，只有尽量把通信线离别的电缆远一点，但仍有长距离平行布线情况。由于接地有利于保护PLC设备以及DP通信口，消除干扰，因此对于所有的Profibus站点都进行接地检查，检查配电柜、操作台外壳接地是否可靠，把每个DP插头的接线严格按网络布线规范重新接线，Profibus网络布线规范要求：电缆在DP插头内接线时，应将外部编织网屏蔽层剥开，把铝箔屏蔽层压在插头内的金属片上，该金属部分是与插头外部的金属部分相连的，当将插头插在CPU或者ET200M等设备的DP口上时，就通过设备连接到了安装底板，而安装底板一般是连接在柜壳上并接地的，从而实现了屏蔽层的接地。另外还要保证屏蔽层不能剥开的太长，否则通信线芯会暴露在空间，成为容易受干扰的“天线”。通信电缆在进/出电柜时，把电缆的外层屏蔽层进行接地处理。这样避免外部的干扰信号进入电柜，同时也避免柜内产生的干扰对外部设备造成影响。通过规范接线，设备状况大有改观，报警次数明显减少，但没有根除。

3.2 24V电源问题

原来每个站都是由一个单独的24V电源给本站的 CPU或ET200S及背板总线、输入模块供电，所有输出模块由单独的24V供电。刚开始报2号操作台从站丢失故障时，曾怀疑2号操作台从站24V电源供电有问题，反复测量24V电源，没发现异常。又怀疑是设备在运行过程中，模块输入点外部线路可能有瞬间接地或短路的现象，造成24V电源短时故障。随着后来很多从站都报警，输入点比较多，无法确认是哪儿出了问题，为了排除输入点外部线路引起的故障，于是就增加一个 24V电源，专给CPU和ET200S及背板总线供电，让每个站的24V电源只给本站的输入点供电，这样若是外部输入线路有问题，就不会影响通信了。

更改后，设备正常运行了一天，又出现一个新的问题，CPU读不到编码器的数据。在1号主操作台从站，ET200S机架上装有一块SM338模块，模块上接有三个绝对值编码器，分别检测挤压杆、挤压筒、穿孔针的位置。CPU读不到数据，设备就无法运行。检查SM338模块电源，正常，于是更换一个新的模块，还是读不到数据。翻阅SM338模块说明，在布线规则上看到，编码器的输出接地不应与CPU的接地隔离。突然明白了，原来现在SM338模块所用电源是从站的电源，而CPU及ET200S所用电源是新增加的，两者没有共地。共地后正常。只是有一点不明白，为什么没共地前还能正常工作一天？

编码器问题解决后，设备正常运行了几天，没有出现网络的问题，当时想着问题可能解决了，可不久故障又发生了。

4 故障消除

由于前期在外部线路中未找到故障点，问题一直不能解决，所以就考虑在程序上做些文章，看能否把故障给消除掉。

4.1 在程序中增加机架故障组织块（0B86）

OB86的功能是当出现扩展机架、DP主站系统或分布式I/O从站故障（当到来或离去事件时）时，CPU的操作系统就自动调用 0B86,如果 0B86未编程，当检测到这类故障时，CPU就变为STOP方式。40MN挤压机CPU报警信息提示，当故障产生时，系统想调用 OB86块而未找到，所以在程序中增加了0B86块。下载之后，一旦故障，系统将调用OB86来处理故障，同时跳过该错误。希望当设备出现故障时，CPU能调用到0B86块，而不是直接进入STOP状态，避免设备停机。但实际并未达到效果，当出现故障时，CPU还是进入了停机状态。

4.2 修改Profibus-DP总线参数

打开程序，点击硬件组态Hardware，显示PLC硬件组态图，双击Profibus-DP总线，进入“属性-DP主站系统”，在这个界面上有一个“属性”按钮，点击进入，选“网络设置”界面，显示有“传输率”和“配置文件”，在“配置文件”中原选项为“DP”，更改为“自定义”，再点击旁边“总线参数”按钮，进入“总线参数”界面，这个界面上有一个“重试限制” 选项，原默认值为1，更改为5，目的是当某一个从站与主站通信不上时，让CPU重新多连接它几次，希望在CPU多次连接过程中，系统能正常，这样设备就不会因为瞬间故障而停机。修改参数后，设备停机次数减少，对于一闪而过的故障确实能起作用，但对于长时间出现的故障，还是会停机，不能从根本上解决问题。

4.3 修改波特率

原设计中Profibus-DP网中数据传输率为1.5Mbps，在一个DP网络中，一个区段的最大电缆长度是由传输率所决定，西门子公司建议的Profibus-DP网络中一个区段的波特率所允许的电缆长度，如表1所示。

表1 Profibus-DP网络中波特率与电缆长度的关系

从表中看出若波特率为 1.5Mbps，电缆长度最大允许 200m，实际上 40MN油压机整个网络电缆长度也不超过100m，原设计选择1.5Mbps应该没问题。但 DP通信实质上就是串行通信，走的是 485协议，它的通信质量是和距离有关系的。在通信距离一定时，波特率越低，传输数据的稳定性越好，通信质量越高。降低波特率，会增加CPU扫描周期，但对挤压机这样大型设备，增加一点时间，各部位动作应该不会受到实质的影响。于是就试着把波特率从 1.5Mbps修改为 500kbps，没想到修改后设备故障马上消除了，而且这个网络问题以后再也没有出现过，40MN挤压机的网络问题就这样解决了。

5 结论

40MN挤压机现在一直正常运行，困扰挤压机的网络问题已经过去很长时间了，但造成网络通信问题的真正原因到底是什么？我觉得可能是通信电缆受损造成的，只是没有检测手段，无法确定是那一段有问题；也可能是电磁干扰造成的。