基于Profibus-DP 现场总线工程实践的故障分析

唐慧瑛

（深能合和电力（河源）有限公司，广东河源 517000）

0 引言

现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线[1]。由大量分散在工业生产现场且具备数字通信能力的智能测控仪表作为网络节点，以总线电缆串联各节点作为数据通信的纽带，把控制功能彻底下放到现场，现场总线技术实现了全工艺流程状态的数字化。

1 国内某电厂现场总线使用现状

凭借其通信量大及高速传输的优势，国内某电厂大量采用Profibus-DP 现场总线技术。DCS 系统采用艾默生Ovation 控制系统，2 台百万机组及其公用系统连接270 余块DP 卡，用作现场总线网络的Profibus主站。锅炉侧、汽机侧、水网侧和公用系统现场总线通信柜分别为6 个、5 个、2 个和2 个。全厂的总线对象涵盖电动执行机构、化学分析仪表、变频器、阀岛等。网络拓扑方面采用线型结构，传输速率为500 Kbit/s，同时采取冗余总线配置以提高设备控制的安全性和稳定性。

2 总线故障判断与处理

2.1 硬件类故障

（1）总线DP 插头接触不良。标准Profibus 电缆为屏蔽双绞线，分别用红绿两种颜色区分，线芯外部由铝箔和屏蔽编织网包裹，对信号传输时自身的干扰以及外部的电磁干扰起到抑制作用[2]。针对直接接线的现场设备，需将屏蔽层剥出一定长度并拧成麻花状，再接入到设备接地点，确保设备接地良好。针对支持使用DP 插头的现场设备，则需将屏蔽层剥开，压接在插头内金属部分。若屏蔽层与插头金属部分无法实现充分接触，数字信号将受到外界噪声干扰。同时剥出用于压接的屏蔽部分需避免长度过长暴露在插头外，易成为引入外界干扰的导体，表现在通信上将出现信号时断时续的波动现象。

（2）终端电阻拨码错误。在Profibus 插头上，有一个进线孔IN 和一个出线孔OUT，分别连接前一个从站及后一个从站，而且Profibus 插头上都内置了防止浪涌保证通信质量的终端电阻。需要时通过拔码开关接入ON 和切除OFF，当终端电阻设置为ON 时，表示一个物理网段的终结[3]。终端电阻也可用于某网段整体掉线后，通过拨动开关，改变插头ON/OFF 位置判断网段故障位置。结合国内某电厂施工情况，当中间某设备拨到ON 时，外部表现为此设备后全部设备通信集体掉线。

（3）光纤损坏。国内某电厂使用的DP 总线传输速率为500 Kbit/s，根据RS485 传输技术规定，相对应的最大网段长度是400 m。国内某电厂部分DCS 控制柜至就地设备范围远超最大长度限制，为保证通信信号稳定持续，对于远距离设备采用光导纤维传输技术。结合国内某电厂施工经验，存在过分扭曲导致光纤损坏或光电转换器损坏的情况，外部表现为采用光纤传输的某路网段突然整体掉线。检查光纤质量的方法是使用强光从光纤一端进行照射，若从光纤的另一端看见亮光说明线路正常。

（4）现场设备通信板故障。随着现场总线技术的普及推广，众多设备厂家相应推出适应总线技术的智能仪表及通信模块，但由于生产厂家的设备质量不一，部分通信板抗干扰能力弱，信号时断时续。结合国内某电厂施工经验，基于线性结构的整体性，网段上某一设备引入的干扰甚至会引起整个网段其他设备信号波动，外部表现为某一网段的设备间隔几十秒就掉线、上线。

2.3 软件组态类故障

（1）设备GSD 文件错误。适用现场总线技术的智能设备，需要与相应设备固件进行匹配的GSD 文件对传输至上位机的参数进行解释描述以获得控制相关的信息，如生产厂家、软硬件版本、输入/输出通道的数量及类型等，属于ASCII 文件，若文件不匹配将导致就地设备无法与上位机进行通信。

（2）逻辑组态错误。经现场总线传输至上位机的数据，在与上位机进行通信时，将需要的设备参数变成数据包传输到上位机，进行解包和打包操作。根据相关协议约定，某位信号将代表设备的某个参数状态，如第3位代表电动门的全开信号。若逻辑组态错误，则会导致参数混乱，设备实际状态与显示状态不一致。

3 Profitrace 总线分析仪

3.1 分析仪简介

Profitrace 是用于Profibus 网络功能最强大的分析仪，是一系列总线监测技术设备中最先进的一代产品，它将所有主要工具：分析仪、示波器、条线图、拓扑图及DP-V0/V1 主站集成在一起，可以实时监听设备状态[4]。

3.2 分析仪常用功能

“Live List”列出扫描到的所有设备清单，工程师可以根据设备相应地址的背景颜色判断通信错误原因。其中，绿色表示设备正常进行数据交换，紫色代表组态错误，红色代表GSD 文件错误，白色代表未进行组态。

“ScopeWare”是用于检测信号质量的实时示波器。正常信号一般显示为方波，平均振幅为5 V，同时可以通过选择设备地址号观测对应设备波形。当信号不稳定时，表现为波形失真。

“Bar graph”显示整个网段上所有设备的电压水平。正常总线电压一般大于7 V。当设备出现接线短路时，对应地址电压将远低于平均电压。当设备出现断路时，后续设备地址将无电压显示。

“ProfiCaptain”使软件能作为连接的网段主站参与数据收发。使用主站功能时，需确保设备总线通信已从DCS 系统的网段上脱开。利用主站功能对被连接设备发送信号并监测返回信号状态，可排查单体设备的通信硬件是否存在问题。

4 国内某电厂现场总线设备实例

4.1 电动门

国内某电厂两台百万机组21 号控制器C2/D3 总线网段电动门采用双冗余配置，主辅网配置在不同DP卡的P01 端口。自投入商业运营以来，地址11、16、17、18 的电动门均显示主网通信错误，一直保持单网运行，无法实现设备冗余通信，21 号控制器C2/D3 总线P01 端口网段如图1 所示。

图1 21 号控制器C2/D3 总线P01 端口网段

针对多个设备，特别是连续多个设备出现问题，进行检查如下。

第一步，检查设备硬件。此网段总线直接引出，不用经过光纤及光电转换器。同网段内部分设备通信正常无闪烁，说明有源终端电阻工作正常。

第二步，检查软件组态。打开“Ovation”对同型号设备组态信息进行对比。同时在就地将Profitrace 分析仪通过接线连入总线网段，单击“Init ProfiCore Ultra”启动分析模式。除去地址10、11、16、17、18 的设备，其他设备均已上线，其中地址10 的设备已知是因为电动门断电故显示通信掉线，排除通信问题。“Live List”上线设备均显示为正常绿色，“ScopeWare”检查波形状态，发现波形有小突起。“Bar graph”查看电压等级发现有上线设备均超过平均值5 V，但随着地址号递增，电压水平呈递减趋势。

第三步，检查通信介质。考虑到DP 总线采用线型结构，查看电缆敷设完工图及DP 网段分配图，发现地址16、17、18 电动门为此网段最后3 个设备，判断可能是地址15 出线口或者地址16 进线口接线出现问题。确保电动门断电后，拆下地址15、16 电动门接线端子排检查接线情况。发现地址16 电动门总线进线处接线端子，因电动门接线头内部空间狭窄及未按接线要求环绕总线导致总线电缆紧绷，且接线铜芯剥开较长，最终导致铜芯断裂，总线后部网段断路。

根据总线施工要求对进线处电缆重新剥线连接后，地址16、17、18 电动门主辅网通信正常。

针对单个设备，特别是网段中间部分设备出现问题，进行检查如下。

因为通信异常设备均处于同一网段，第一步硬件情况与第二步软件情况可与上述步骤合并检查。根据电缆敷设连接清单，地址11 电动门处于网段中部，自身辅网通信正常，且主网前后设备通信正常，判断可能是设备自身通信板存在问题或者抗干扰信号弱导致通信异常。

确保总线接线从网段上脱开后，使用总线电缆连接电动门主网接线口与Profitrace 分析仪，在软件内启动“ProfiCaptain”功能，发现“Live List”无上线设备。将主网接口更换为辅网接口后，重现启动主站功能，发现地址11 上线，表明电动门主网存在硬件问题。更换备件后重新进行检测，地址11 上线。重新将设备接入原网段后通信显示正常。

4.2 混合接线方式网段

国内某电厂投入商运一段时间后，净水站102 控制器C3 网段P01 端口设备自地址11 后全部掉线。此网段涉及水泵变频器、电磁流量计、气动阀岛箱、浊度表，102 控制器C3 网段P01 端口网段如图2 所示。

图2 102 控制器C3 网段P01 端口网段

第一步，连接Profitrace 分析仪监测网段状态。上线设备只有地址10、11，进一步检查地址11 变频器总线出线及地址12 流量计总线进线，发现变频器DP 插头出线处屏蔽层未压接到位，屏蔽未与插头金属块充分接触导致通信异常，重新接线后地址12、13、14、15设备上线。

第二步，利用DP 插头拨码开关排查故障位置。阀岛箱及浊度表均采用DP 插头进行连接，检查地址15至16 的设备不存在接线问题后，将地址16 设备总线插头终端电阻拨码开关由OFF 位拨至ON 位。地址16上线，说明地址10 至16 设备通信连接正常。重复以上操作，拨至地址18 开关时，地址18 设备未上线，表明存在线路故障。检查插头发现接线符合规范，考虑DP插头故障。

第三步，检查DP 插头。利用多用表测量DP 插头阻值，发现OFF 位时，红线进出线之间存在阻值。更换新插头后重新接线，再将插头拨至OFF 位，后续设备通信正常。

5 结束语

现场总线连接方式大大降低了电缆的敷设密度及资金成本。总线技术的结构特殊性导致的故障多样性也为设备层面的检修维护工作带来一定困难。要体现现场总线技术的优势，需要通过培训及现场实操提高总线维护人员水平，要求掌握总线相关技术，学会应用相关专业软件对总线问题进行快速判断和处理。利用Profitrace 总线分析仪的强大功能，便于检修维护人员迅速定位设备故障位置及原因，并为分析判断故障提供了数据支持，极大提高了检修效率。