摘要：本文主要针对现场总线PROFIBUS 在现场应用中所产生故障的原因进行分析，结合现场实践，总结出对PROFIBUS总线进行故障诊断的方法，有助于及时排除总线故障及预防PROFIBUS网络故障的发生。
关键词：现场总线；PRIFIBUS；故障处理
Abstract：This paper mainly analyses the causes of the faults in the field application of PROFIBUS. Combining with the field practice，it summarizes the methods of fault diagnosis for PROFIBUS bus，which is helpful for eliminating bus faults and preventing PROFIBUS network faults in time.
Keywords：Fieldbus，PRIFIBUS，Fault Handling
1、前言
PROFIBUS–DP 是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O 的通信，也是应用最为广泛的。使用PROFIBUS－DP 可取代传统的并行24VDC 和4－20mA 信号传输，通过一根双芯屏蔽电缆连接中央控制器和现场设备，对于所有的设备，只需要一个通用的组态和工程工具，连接不同厂商的设备。PROFIBUS 网络通讯的本质是RS485 串口通讯，主要由DP、FMS、PA 三部分组成。总线故障比一般的电气故障较难解决，因此引起的停机时间较长。虽然它发生的频率较少，但是正因为这样，使设备人员忽略了对它的重视，也因此缺乏处理此类故障的经验。由于自动化现场的应用环境复杂，不少用户都遇到PROFIBUS网络通讯不稳定情况，一旦出现故障，常常摸不到头绪，进而生产受到影响。
2、PROFIBUS 硬件
PROFIBUS 网络主要涉及到的硬件包括PROFIBUS 接口、通讯介质、PROFIBUS 插头、中继器、光电耦合器、有源终端电阻等。
2.1 PROFIBUS接口
PROFIBUS 接口是RS485 串口，一般采用SUB-D female 的接口，即常见的9 针接口其管脚定义。该接口外部的金属部分一般连接到CPU 或者设备的内部的“PE”。而当CPU 安装在底板上时，其“PE”与底板是连通的，即同时接地。
2.2 通讯介质
PROFIBUS 网络支持RS485 的电缆、光纤2 种通讯介质，现在也有支持无线通讯的设备，但目前面对的主要还是有线介质的应用。
2.2.1 PROFIBUS 电缆
PROFIBUS介质是一根屏蔽双绞电缆，屏蔽可以提高电磁兼容（EMC）能力。标准PROFIBUS 电缆为屏蔽双绞电缆。
2.2.2 光纤及接口
光纤通讯具有传输距离远、抗电磁干扰性好、尺寸小、重量轻、耐腐蚀性好、便于敷设等优点。缺点为光纤弯曲半径不能过小，光纤连接处及终端不容易处理等。
2.2.3 PRFOBUS插头
PROFIBUS 插头用于连接PROFIBUS 电缆和PROFIBUS 的站点。
在PROFIBUS 插头上，有一个进线孔（In）和一个出线孔（Out），分别连接至前一个站和后一个站当各站点通过插头连接以及网线连接到网络上时，根据RS485 串口通讯的规范，每个物理网段支持32 个物理设备，且在物理网段终端的站点应该设置终端电阻防止浪涌保证通讯质量。而每个PROFIBUS 插头上都内置了终端电阻，需要是可以接入（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，因此连接在出线端口“Out”后面的网段的信号也将被中断。
2.2.4 终端电阻
PROFIBUS 电缆的两端应该连接终端电阻。终端电阻是为了消除在通信电缆中的信号反射，
有源终端电阻可以单独供电，安装在网段的两端，保证网段内任何一个设备出现问题，都不会影响网络的电阻匹配的问题。
2.2.5 RS485
按照RS485串口通讯的规范，当网络中的硬件设备超过32个，或者波特率对应的网络通讯距离已经超出规定范围时，就应该使用RS485中继器来拓展网络连接。使用RS485中继器时，需注意：
1）安装问题。a.RS485中继器上下分为2个网段，其中A1/B1 和 A1’ / B1 ‘ 接口是网段1的一个PROFIBUS接口，A2/B2 和 A2’ / B2 ‘ 接口是网段2的一个PROFIBUS接口，PG/OP 接口属于网段1；b.信号放大是在网段1和网段2之间实现的，同一网段内信号不能放大；因而需进行距离扩展的网络须接在网段2上；c.两个网段之间是物理隔离的，因而RS485中继器除了扩展网段外，还有一个作用就是可以进行网络隔离；2）终端电阻的设置问题。由于2 个接口分别属于不同的物理网段（图4），因此中继器上终端电阻的设置往往比较容易混淆。中继器面板上有3 个拨码开关，分别为物理网段1 终端电阻、网段隔离开关、物理网段2 终端电阻，实际接线和设置时须注意不能错误。
图4 RS485中继器上的终端电阻
2.2.6 光电耦合器
除电缆外，PROFIBUS通讯还支持光纤做为传输介质，通过光纤连接的PROFIBUS网络具有网络距离远的特点，且光纤本身不受电、磁的影响，比较适合长距离、户外铺设和抗电磁兼容的环境。
3、PROFIBUS 常见故障处理
总线故障主要由以下原因引起：网络接头不好使；线路有破损；中间网络接头终端电阻位置不对；电源干扰；接头处进线出线搞反；某一通讯模块损坏。网络故障比一般的电气故障较难解决，因此引起的停机时间较长。虽然它发生的频率较少，但是正因为这样，使设备人员忽略了对它的重视，也因此缺乏处理次类故障的经验。造成PROFIBUS 通讯出现故障的原因，80％都是最简单的原因，比如现场没有接地处理、布线时与动力电缆没有分开等
1）通讯电缆
a. 检查电缆外观状况：看是否使用专用的PROFIBUS电缆，电缆是否有损伤，折断等情况，安装是否符合弯曲半径的要求；b. 检查电缆的型号与应用是否匹配：如须使用脱拽电缆或者防腐电缆处理方法：如果发现电缆出现问题，则需要及时更换电缆，以及注意清理连接处，保证良好接触。
2）总线连接：总线电缆连接头。a. 检查接线顺序，进线与出线应按顺序连接至“In/Out”。物理网段两终端的两个插头都应将电缆连接在“In”口，特别注意检查RS485中继器的连线
顺序。b. 接头检查。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。这里可以使用BT200手持设备对连线进行检查。c. 检查PB连接头与站点的接口处的螺丝是否紧固。
处理方法：在做现场发现很多PROFIBUS网络的问题都是PROFIBUS接头的故障引起的：比如线序接反造成通讯线短路，通讯电缆的屏蔽层没有压接在接头的屏蔽金属层上，插头没有插紧等，因而总线连接头的连接情况直接关系到网络通讯的质量。
3）总线终端：检查总线终端电阻的设置与原理图是否一致，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。终端电阻的设置一般只需要在PROFIBUS接头上设置，但有时为了防止网段终端的两个站掉电造成的网络终端电阻缺失，可以在网络的两端各安装一个有源的终端电阻，可以保网络中任何一个站掉电都不会影响到整个网络的通讯。
4）屏蔽：除了在PROFIBUS插头上需要检查电缆屏蔽层的连接外，还应该检查PROFIBUS电缆在进/出控制柜时，是否设计了接地排，屏蔽层是否做了正确的接地处理。
4、现场通讯故障处理
1）邯钢冷轧厂1#热镀锌生产线2009年加热炉出现网络不稳定现象，当时为21站后网络不稳定，21站前未出现故障，故障出现时为瞬间闪断，导致加热炉停炉，闪断站也为21站后各站，无规律，于是对21站后各站进行DP头检查，未发现故障，检查线路时发现21站出线有放大器，放大器后DP电缆有被柜门挤伤痕迹，于是对该电缆进行更换，更换后故障消失。
2）邯钢冷轧厂1#热镀锌生产线自2018年年初开始，多次出现入口PROFIBUS网络不稳定现象，问题出现时，只是个别站突然闪断，无规律，而且闪断间隔时间不等，短时可几分钟闪断一次，长的可10天左右网络稳定，稳定时无任何故障，检修时经仔细查找，发现网络中有一个DP头A1端子滑丝，不能完全压紧线路，对该DP头进行更换后网络稳定，彻底消除了网络不稳定故障。
3）对接地系统定期检测发现问题及时处理。根据实测接地电阻值分析，发现原传动接地系统接地阻值偏大，不满足规定要求，在电镀锌偏跨另埋六根接地角钢，重新制作另一组接地系统并与原接地系统并接，对接地系统起到了改善的作用。另外，对各段接地螺栓检查紧固，对系统稳定运行也具有改善作用。对DP头拨动开关进行焊接，保证DP头正常，且每季度测量DP头阻值，出现阻值增大现象立即更换。
参考文献：
[1]PROFIBUS总线系统设计与应用 周志敏 中国电力出版社；
[2]Profibus现场总线控制系统的设计与开发 梁涛，杨彬，岳大为 国防工业出版社。
论文作者:沈晓宇,冯国昌
论文发表刊物:《电力设备》2018年第35期
论文发表时间:2019/5/28
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