矫直机Profibus总线现场调试过程中的故障分析

付 君

（西宁特钢有限公司加工分厂，西宁 810005）

近年来，随着制造业自动化和过程自动化中分散化结构的快速增长。Profibus现场总线的应用越来越广泛。由于现场总线系统结构的简化，使其从设计、安装、投运到正常生产运行及检修维护，都体现出优越性。不仅减少了硬件数量与投资，节省了安装费用，而且系统的维护费用也大大降低。现场总线控制系统不仅精确度与可靠性高.而且在使用和维护方面使用统一的组态方式。使安装、运行、维修简便。现阶段，现场总线控制系统在钢铁企业的应用逐步普及。

由于钢铁企业现场环境非常恶劣，灰尘大、震动强、温度变化大，且需要24h连续不断地运行，因此对生产现场控制设备较其他行业有更高的要求。2011年由于公司技术改造需要，将原大棒材精整线∮180矫直机进行搬迁至一轧车间后部区域。在搬迁调试中出现了一些问题，将在下面进行分析。

1 PLC系统在∮180矫直机中的应用

∮180矫直机主要由前部送料系统（含上料架、前台输入辊道）、矫直机本体（包括矫直机主机、主传动装置）、后部出料系统（后部下料架、出料辊道）。

1）硬件及软件组成

（1）硬件：1个 Profibus-DP主站 S7-300 CPU315-2DP；两个从站ET200M接口模板IM153-1及输入/输出模板：6SE7036-0EK60变频器（带Profibus-DP接口模板）两台，用于主传动控制；两台ATV71HD37N4施耐德变频器（用于控制前后台辊道）；研华工控机1台，用于调整尺寸监视及程序调试、故障处理；Profibus通信电缆。

（2）软件：STEP 7 V5.4；WINCC 6.0；变频器GSD文件

2）系统的组成

矫直机PLC控制系统由1个主站、两个ET200M从站、4个变频器从站和 1个 HMI站和 1根Profibus-DP网线构成。矫直机PLC控制系统配置如图1所示。

3）系统的功能

本系统采用Profibus-DP现场总线方式，1个主站带7个从站。主站CPU3 15-2DP及变频器从站、一个ET200M从站设在电磁站内，另一ET200M从站及工控机分别设在操作台上。主站（CPU315-2DP）与从站变频器、ET200M间采用相同的Profibus-DP总线通信协议进行实时通信，实现数据的传输与控制。工控机由于仅作为调试监控使用，故采用Profibus电缆连接至操作台ET200站，作为从站使用。

图1

2 调试中出现的故障分析

由于本次搬迁没有进行系统变动，所以一切都是按照原有图纸组织施工。但是由于对 Profibus总线系统理解不深，在调试过程中仍然出现一些问题，下面将本次搬迁中的通信故障进行逐一分析：

1）工控机连接约1min后，通信中断

系统上电后，工控机通信时断时续，通信中断后，再次连接又可通信一段时间。于是怀疑通信线路有问题，对工控机连接Profibus通信接头进行检查，发现 Profibus连接头接反，正确的接法应如图2所示。

图2

Profibus-DP接头的电路原理图如图3所示。

工控机作为从站的末端，其连接电缆应为IN，施工人员施工中却接至OUT端。

图3

我们从终端电阻的作用原理可知，电信号（电流、电压信号）在沿导线传输过程中，由于分布电感、电容和电阻的存在，导线上各点的电信号并不能马上建立，而是有一定的滞后，离起点越远，电压波和电流波到达的时间越晚。电信号波在传输过程中会产生一个与入射信号波方向相反的行波，通常称为反射波。这种信号反射，与光从一种媒质进入另一种媒质引起的反射是相似的。根据传输线理论，在网络的终端设置终端电阻可以吸收网络上的反射波，消除反射波对信号的干扰。两端的终端电阻并联后的值应近似等于传输线相对于通信频率的特性阻抗。总线上没有站发送数据时（即总线处于空闲状态），390Ω的上拉电阻和下拉电阻用于确保A、B线之间有一个确定的空闲电位。

所以由于施工接线错误，导致将Profibus-DP网络连接器上的拨动开关打到“ON”位置时，终端电阻并没有被接入，从而引起了网络的不稳定。将PROFIBUS通信电缆进行了重新连接，工控机联网正常，可以进行相应调试工作。

2）前台输入辊道变频器连接不上

工控机通信连接之后，进入系统调试过程，通过PLC Hardware diagnostics故障诊断，发现前台输入辊道ATV 71变频器未连接上。怀疑通信电缆连接头有问题，重新更换连接头后仍未正常。故障诊断显示地址错误（前台输入辊道地址应为8）。检查ATV 71地址拨码开关位置，发现拨码拨错。

施耐德变频器ATV 71拨码开关如图4所示。

图4

拨码开关对应列表如表1所示。

如图4所示，拨码开关拨至下位为1，上位为0。地址8所对应的开关为应为0000 1000，而现场调试中可能施工人员出于好奇，拨至 0000 1100（地址12），导致通信地址错误，网络连接不上。重新拨至0000 1000（地址8）后系统正常。

表1

3）矫直机运行过程中通信网络中断

系统网络打通之后，调试工作顺利完成，矫直机投入使用。运行一段时期后，操作人员反映操作中有时出现系统连接不上，操作不动作现象。经过到现场仔细观察，发现这种故障现象偶有发生，但是每次总是发生在主传动起动的瞬间，判断应该与主传动变频器有关系。变频器的输出采用IGBT电子开关元件，在输出能量的同时也在输出线上产生较强的辐射干扰，影响周边电器的正常工作。由于在搬迁施工中没有充分考虑变频器对外界的干扰问题，电缆敷设时动力电缆与通信电缆都布置在电缆沟最下层，虽然变频器输出电缆采用了屏蔽电缆，但是由于通信电缆与动力电缆距离过近，并不能有效的解决变频器的干扰辐射。导致通信有时出现中断现象。

于是对利用矫直机检修期间，对通信电缆进行重新规范，将通信电缆及PLC信号电缆全部敷设在电缆沟桥架最上层，并全部穿钢管。保证强电与弱电传输电缆相对距离越大越好（现场由于空间所限，目前均在400mm左右），同时在柜内也将通信电缆与动力电缆距离分开。原计划要做一套单独的接地系统，由于现场附近土质及场地限制，暂时没有实施。

通过以上工作完善后，矫直机在运行中再未出现过此类故障。

3 结论

Profibus总线的应用场合非常多，应用环境也各不相同，但只要严格按照Profibus的规范进行网络拓扑的设计、遵守布线规则、处理好系统的“地”与“接地”等，将在很大程度上避免总线网络使用中出现的各种问题。同时要清楚的掌握其他传动装置的总线协议及连接方法，也将很大程度上的减少调试时间。

[1]西门子公司.西门子STEP7 V5.4编程手册[Z].

[2]施耐德公司.施耐德ATV 71变频器使用说明书[Z].

[3]张燕宾.SPWM 变频调速应用技术[M].北京:机械工业出版社, 2002.

[4]廖常初.S7 300/400 PLC应用技术[M].北京:机械工业出版社, 2008.

[5]廖常初.西门子工业通信网络组态编程与故障诊断[M].北京:机械工业出版社, 2009.

[6]西门子公司.Profibus现场总线安装指导[Z].