PROFIBUS-PA现场总线与DCS融合的控制系统故障检查与处理

童祖涛

(云南磷化集团海口磷业有限公司，云南 昆明 650113)

PROFIBUS-PA 是一种用于自动化控制系统和现场仪表、执行器之间的串行通讯系统。它以符合国际标准的PROFIBUS-DP为基础，增加了PA总线应用行规以及相应的传输技术，使现场总线PROFIBUS不仅能用于离散制造业，也能够满足各种过程工业对控制的要求。PROFIBUS-PA现场总线的优势之一是：在生产现场，总线型现场设备按照不同的网络结构进行连接，并由总线直接供电，不再需要额外的供电电源[1]。另外，由于采用总线连接设备而节约了大量的电缆、电源箱、配电柜、汇线槽、接线柜、端子箱、安全栅或隔离电路，也不再需要传统的I/O模块，因此将节省一笔可观的费用。DCS作为一种安全成熟可靠、结构灵活多样的控制系统已被工业控制领域广泛采纳。将两者融合使用，即保证控制系统的可靠性又获得丰富的设备信息，并给工业控制领域带来更多便利。

我公司的 60万t/a II硫磺制酸装置就是使用ABB(德国)公司的AC800F控制系统，采用传统IO站+PROFIBUS-PA总线的集成方式。自装置建成投产以来，该系统的稳定性不理想，从2012年10月份开始，该套DCS系统频繁出现PROFIBUS-PA总线通讯故障，监控画面数据回“0”现象，严重时导致系统故障重启，生产装置联锁动作跳停，已经严重影响生产装置的稳定运行。仪表专业技术人员通过一系列技术改造，最终消除了监控画面数据回“0”的故障。

本文针对PROFIBUS-PA现场总线与DCS融合的控制系统故障检查分析和处理进行具体说明，特别介绍了利用手持式FieldConnex总线诊断设备FDH-1排查总线故障的方法，希望对PROFIBUS-PA总线在DCS中的调试和维护工作起到一定的指导作用。

1 系统简介

60万t/a II硫磺制酸装置使用ABB(德国)公司的AC800F控制系统，采用传统IO站+PROFIBUS-PA总线的集成方式。S800为传统IO站，有一套完整的IO模块；PM803F为DCS的冗余现场控制器主单元，其中的FI830F为冗余PROFIBUS-DP V1 现场总线通讯模件，HS840为PROFIBUS-DP/PA耦合器，PL810为PROFIBUS-PA总线供电模块，通过它们将PROFIBUS总线设备与DCS完美融合。该系统使用了2块FI830F和2块HS840，10块PL810分成10条PA总线网段，采用了树型与线型的组合总线拓扑结构，下挂27个PA总线分线盒接入113台现场PA总线仪表设备，最终实现对该套生产装置各工艺参数的监视、控制、报警、联锁保护、历史记录等功能。图1是控制系统配置简图。

图1 系统配置图

FI830F模块作为PM803F与PROFIBUS-DP的接口，在PROFIBUS-DP网络中以主站的形式存在，同时兼备协议转换、数据转发的功能。从控制器主控单元到就地从站设备之间经过了PROFIBUS-DP/PA耦合器、PROFIBUS-PA总线供电模块、PA总线分线盒及PROFIBUS-PA总线电缆组成的通讯网络进行数据交换，在这中间的哪一层出现问题，都会直接影响到DCS的监控结果。PROFIBUS-PA自身有着严格的技术规范要求，但实际在建设、使用过程中，并不能完全满足这些规范，使用现场的环境一般比较复杂，存在很多不定因素，因而对通讯故障原因的排查具有一定难度。

2 故障检查及处理

2.1 故障现象

故障1，在生产装置正常运行2到3年后，DCS系统所有操作电脑突然大部分流程图数据无显示(为红××)；查看系统硬件状态，两台冗余控制器频繁自动切换，系统报警信息出现从设备不存在报警。严重时导致生产装置因联锁动作跳停。

故障2，在生产装置正常运行时干燥、吸收流程图画面中经常出现数据回“0”现象，将F2下的第4、第5 条PROFIBUS-PA总线网段供电模块PL810断电重启后恢复正常。

故障3，在生产装置正常运行中，当现场有检修工作电焊作业或使用对讲机时，经常出现监控画面数据回“0”现象，严重时导致系统故障重启，生产装置联锁动作跳停。将相应PROFIBUS-PA总线网段供电模块PL810断电重启后才能恢复正常。

故障4，在生产装置正常运行时，突然出现某个总线分线盒上的所有点在监控画面数据回“0”现象，将相应PROFIBUS-PA总线网段供电模块PL810断电重启后也不能恢复正常，在阴雨天尤为明显。

故障5，在生产装置正常运行时，一个或几个温度测点经常出现监控画面数据长时间保持不变现象，将温度变送器断电重启后恢复正常。

2.2 故障原因分析与处理

对于故障1，通过近5年来的研究、实践发现造成此类故障的原因为PROFIBUS-DP通讯故障，DCS系统的柜内使用PROFIBUS-DP接头因环境气体腐蚀损坏所致。根据EIA RS-485标准(也称为H2)一个总线段内的导线是屏蔽双绞电缆，段的两端各有一个终端器，终端电阻是为了消除在通信电缆中的信号反射，当信号出现反射时，整个网络数据就会混乱，最后导致DP站点通讯故障[2]，如图2所示。

图2 RS-485总线段的结构

检查时，首先将整条总线的所有PROFIBUS-DP接头拔出设备，用万用表测量总线上的回路电阻值，理论上电阻值在110Ω左右就没有问题。对于此类故障需要周期性更换为防腐蚀涂层的PROFIBUS-DP接头，以每三年更新一次为最佳。

对于故障2，通过对系统的PROFIBUS-PA总线配置、布局进行调查发现：第二条PROFIBUS-DP总线下的第四、五条PROFIBUS-PA网段测点相对较多，有6个测量点的PROFIBUS-PA电缆从分线盒到现场仪表布线已经超过40 m。PROFIBUS-PA总线配置、布局情况见表1。

表1 PROFIBUS-PA布局表

根据IEC 61158-2定义的电缆长度与分支连接设备的数量的对应关系(A型电缆)：及PROFIBUS-PA应用技术手册的规定，详见表2与表3。

表2 电缆长度与分支连接设备的数量的对应关系表

表3 分支电缆建议长度表

造成该故障的原因是PROFIBUS-PA总线配置、布局存在问题，需要对总线布局和规划进行优化。通过在第一条PROFIBUS-DP总线F1下新增一套PROFIBUS-DP/PA耦合器、PROFIBUS-PA总线供电模块，将第二条PROFIBUS-DP总线F2下的第二条PROFIBUS-PA网段移到F1下，进行负荷调整；根据现场仪表分布情况将F2下的第四、第五条网段中分别新增一个PROFIBUS-PA分线盒，将分支电缆超过 40 m 的6个测量点重新布线，更换电缆，使所有的分支电缆不超过 30 m[3]。改造完成后故障现象消除，经过1年多的观察效果良好。

对于故障3，经过近9个月以来的研究、实践发现，造成该故障现象是由于PROFIBUS-PA总线中的屏蔽对地的绝缘不好导致。详见下面表4中每条PROFIBUS-PA总线通讯电缆的检查数据。

表4 各PA网段通讯电缆电阻检测表

导致PROFIBUS-PA总线中的屏蔽对地的绝缘不好的原因有：

1)现场的PROFIBUS-PA总线电缆的外层绝缘套破损，导致电缆屏蔽层与金属穿线管形成多点接地。

应对措施：对每条PROFIBUS-PA总线进行通讯电缆检测，将绝缘不好的通信电缆进行逐一更换。

2)原有现场PROFIBUS-PA总线分线盒的短路和过载保护功能不能满足现场环境使用要求。

现场使用的PROFIBUS-PA总线分线盒为德国图尔克的JBBS-48SC-T615/3G，图3为该接线盒的内部接线图：

图3 接线图

分线盒里面的屏蔽线的接地为：主干线、分支均和机壳通过一个电容接地，现场使用环境中经常出现电容被击穿，导致主干线和分支屏蔽线出现多点接地，对一整条PROFIBUS-PA总线通讯造成干扰。

应对措施：将现场原来使用的德国图尔克PROFIBUS-PA总线分线盒更新为德国P+F公司的F2-JBSC-6.PA.CGS型现场总线仪表分线盒。通过近2年的实践，该现场总线仪表分线盒具有良好的短路和过载保护功能，能满足现场环境使用要求。图4为该接线盒的内部接线图。

图4 接线盒的内部接线图

分线盒里面的屏蔽跳线：PA与T之间的跳线需要拆除(主干线与机壳接地)，PA和S(分支与机壳接地)之间的跳线需要拆除，拆除以后则主干线和分支均不和机壳接地了，机壳的接地为保护接地。将T和S连接起来，则分支与主干线的屏蔽连接起来了，这样主干线进入控制室以后由PL810输入进行总接地，从而保证了等电势接地。改造完成后故障现象消除，经过1年多的观察效果良好。

对于故障4，造成的原因为该PROFIBUS-PA总线分线盒接入的分支线中存在短路，排查方法为将各分支电缆由分线盒端子拆下，用万用表逐一检测，找出短路的分支，再对短路的分支电缆进行检查，多为电缆进出穿线管处破损所致，更换受损电缆就能将问题解决。

对于故障5，造成的原因为现场使用的PROFIBUS-PA总线温度变送器因使用年限长，电子元器件的老化，性能不稳定。应对措施：更换总线温度变送器就能消除故障。因PROFIBUS-PA总线采用数字化位同步的数据传输，数据传输速度为 31.25 kbit/sec 以及防错的起止界定符，信号电压为 0.75 V～1 V。不同于传统的4-20 mA 的模拟技术，利用万用表无法检测出PROFIBUS-PA总线设备出现问题，借助手持式FieldConnex总线诊断设备FDH-1就能方便快速的检测出具体是哪块PROFIBUS-PA总线设备出现问题。

2.3 利用手持式FieldConnex总线诊断设备FDH-1排查总线故障的方法

为了快速方便地排查、排除PROFIBUS-PA总线故障，我公司于2016年3月采购了一台倍加福公司(Pepperl+Fuchs)生产的手持式FieldConnex总线诊断设备FDH-1，如图5。

图5 FDH-1

借助它排查总线故障的方法有两种方式，一种是直接将FDH-1装上测试接头，连接到现场总线网段中，通过FDH-1上的各功能按键完成现场总线各网段的检测，根据实时检测数据排查故障，此方法本文不作介绍。另外一种是在一台电脑上安装配置的软件FDH-1 Manager，将FDH-1检测出来的现场总线各网段数据导成测试报告来分析排查故障或打开实时检测数据画面进行分析排查故障[4]，如图6所示，本文针对这种方法进行介绍。

图6 接线图

将设备按图6接线后，在电脑中打开软件FDH-1 Manager，点击设备FDH-1，在弹出的操作画面中点击“Measurement”进入实时检测数据画面如图7。

图7 测量参数

下面对测量出的总线网段各参数进行详细说明：

其中的Voltage指的是网段电压，正常应该在9～32V之间，超出将导致整条网段工作不正常，上面挂的所有测点无显示。

Unbalance指的是网段不平衡度，正常应该在 -60%～60%之间，若<-84%，多为PROFIBUS-PA总线电缆中的“-”信号线与屏蔽线短路；若>84%，多为PROFIBUS-PA总线电缆中的“+”信号线与屏蔽线短路。不平衡的影响之一就是降低抗噪音的能力。

Noise指的是网段噪音，正常应该≤50 mV，越小越好，若>100 mV，为网段上有干扰信号。若测量的网段上只有一个或少数几个地址的噪音值>100 mV，问题一般在分线盒或单台现场总线设备上；若测量的网段上所有地址的噪音值都>100 mV，则为PROFIBUS-PA总线电缆有问题。网段不平衡度的影响之一就是降低抗噪音的能力，发生短路的现场总线设备的地址在测量中噪音值都>100 mV，这对于故障排查的指向性非常重要。

Jitter指的信号畸变，是物理层非常重要的一个参数。就是信号波形实际跨0点的时间(“zero crossing point”)偏离理想的时间的幅度。正常应该<=2.4 μs，越小越好，若>3.2 μs，则为PROFIBUS-PA总线电缆老化或使用了不合适型号的电缆，必须更换电缆。

Signal Level minimum/Signal Level maximum指的信号幅值。正常应该在400～1200 mV 之间，超出说明PROFIBUS-PA总线回路中的终端电阻有问题。若>1200 mV，为PROFIBUS-PA总线回路中首末端的终端电阻至少缺少一个；若<200 mV，为PROFIBUS-PA总线回路中有3个或更多的终端电阻。

实例：2016年4月18日，DCS系统监控画面中的转化器画面上大部分数据出现回“0”现象。图8为F1下的第四条PROFIBUS-PA总线网的测量数据，发现其中的网段不平衡度和网段噪音都出现超限，16个现场总线设备地址中的36、37、38的网段噪音出现超限，其他均正常，通过查看图9网段配置图发现这三个点均在同一个PROFIBUS-PA总线分线盒内，直接到现场检查该总线分线盒，故障为因下雨分线盒内进水所致，更换这个总线分线盒后故障消除。

图8 测量数据

图9 网段配置图

FDH-1可以在PROFIBUS-PA总线网段的任意位置接入检测，不会对系统运行造成影响，不需要生产装置停车，出现问题可方便快速的排查故障，提高故障处理速度。

3 总结

通过现场使用过程中对大量故障问题的排查处理和实践经验，可以看出，PROFIBUS-PA总线自身有着严格的技术规范要求，在实际的工程项目建设过程中，并不能完全满足这些规范，这就导致了在后续的生产装置运行中，PROFIBUS-PA总线的整体性能受到影响，出现通讯不稳定、数据频繁出现回“0”现象，甚至通讯中断等故障。这些故障常常会影响控制系统的正常工作，如果不能及时处理，将对生产造成严重的影响。我们在现场诊断故障时，应着重检测以下几项。

1)检查总线电缆接头。检查插头本身以及内部的连接情况，看是否有损坏、虚接，A/B(绿/红)线是否存在反接，屏蔽层是否完全接触金属部分、是否暴露在插头外面、是否与A/B线有接触。如果现场使用环境存在腐蚀性气体的存在，建议周期性更换总线电缆接头。

2)检查总线终端。检查总线终端电阻的设置与网络拓扑图是否一致，设置是否正确，系统中是否连接了有源终端。终端电阻的设置原则是在一个物理网段的两端需要设置终端电阻，中间站点不要设置终端电阻。

3)检查屏蔽和接地。屏蔽在通讯中有着至关重要的作用，因为工业现场的电磁兼容环境比较恶劣，往往会对通讯造成较大的影响，因而通讯电缆要求有良好的屏蔽并做接地处理。实践发现对于PROFIBUS-PA总线电缆的屏蔽线要避免出现现场多点接地的情况，要进行等电势接地，否则会导致屏蔽层电流产生，形成干扰，最好所有PROFIBUS-PA总线设备统一使用系统柜内的系统接地。

4)检查布线情况。通讯电缆应尽可能远离强的干扰源(例如较大的用电设备、电源线、变频器等)。动力电缆尽量不要与通讯电缆及信号电缆长距离平行布线，如果无法避免，也应尽量将使用金属隔板或尽量远离。根据IEC 61158-2定义的电缆长度与分支连接设备的数量的对应关系(A型电缆)，分支电缆长度不超过 30 m。

由于PROFIBUS-PA总线采用数字化位同步的数据传输，数据传输速度为31.25kbit/sec以及防错的起止界定符，信号电压为0.75～1 V，不同于传统的4-20 mA 的模拟技术，利用日常工作中熟悉的万用表无法检测出PROFIBUS-PA总线故障问题之所在，PROFIBUS-PA总线毕竟为新技术，维护人员往往缺乏处理的经验，一旦出现故障，常常摸不到头绪，我们要勇于和善于创新地使用专业总线诊断设备来快速方便地排除PROFIBUS-PA总线故障。建议每次生产装置停车检修时，使用总线诊断设备来对所有PROFIBUS-PA总线网段进行检测，做到预防性维护，减少事故检修。