PROFIBUS现场总线在DCS中的常见故障分析与诊断方法

【摘 要】 PROFIBUS现场总线作为一种常见的现场总线技术已广泛应用于自动化领域。由于自动化现场的应用环境复杂，PROFIBUS总线结合DCS应用时，PROFIBUS网络在使用中经常出现通讯不稳定的现象，影响DCS整体运行情况。结合PROFIBUS现场总线的理论知识和DCS采集总线数据的方法，本文针对PROFIBUS现场总线与DCS无缝融合项目的常见故障给出一套诊断和排除方法。同时也有助于预防并减少工程中的故障发生。

【关键词】 PROFIBUS DCS 故障诊断 ProfiTrace

1 概述

伴随着现场总线技术在工业控制领域的大规模应用，我国的工业自动化水平有了显著的提高。而PROFIBUS做为现场总线的一种，以其传输速度快（9.6kbps～12Mbps）、数据安全性高（HD=4）、传输距离远（使用光纤最远可达1800km），且安装简易、使用方便、节省成本等特点，逐渐成为工控现场应用最广泛的一种现场总线。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。如果能将两者融合使用，即保证控制系统的可靠性又获得丰富的设备信息，将给工业控制领域带来更多便利。

国电肇庆热电责任有限公司有#2台300MW的燃煤机组，使用北京国电智深控制技术有限公司EDPF-NT+DCS做全厂控制，超过80%的主要设备采用了PROFIBUS现场总线协议方式，是国电集团首个全厂级现场总线控制的火电项目，受到极大关注与重视。在项目调试过程中遇到大量现场问题，值得结合PROFIBUS现场总线理论知识进一步归纳总结。本文将结合肇庆热电DCS项目，针对PROFIBUS总线型DCS的故障诊断步骤和方法进行具体说明，希望对PROFIBUS总线在DCS中的调试和维护工作起到一定的指导作用。

2 系统介绍

国电肇庆大旺热电联产（2×300MW级）工程DCS控制系统使用了北京国电智深技术有限公司的EDPF-NT+系统。该系统的分散控制单元——DPU有一套完整的IO模块，其中EDPF-PB模块做为PROFIBUS总线IO采集模块，将PROFIBUS总线设备与DCS完美融合。

EDPF-PB模块作为DPU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。DPU与PROFIBUS从站之间是通过EDPF-PB卡通讯的，从就地从站设备到监控站之间经过了三层数据转发，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。工控现场的调试环境一般比较复杂，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。

3 PROFIBUS总线型DCS通讯故障的诊断步骤与方法

通过大量的现场问题处理，我们发现：大多数通讯问题，是物理层问题或通讯配置问题所致。因此，在这里主要针对如何定位这些问题点进行总结，提出一些常规的检查步骤，供调试维护人员参考。

3.1 调试装备

对于这种层层转发的通讯方式，当出现通讯故障时，我们将逐层排查，寻找问题点。因为每层的通讯协议不同，这当中将用到多种检测设备。

EFPB-PB卡与下层DP设备之间是遵循PROFIBUS协议的通讯方式，物理层传输信号是RS485差分信号，且信号为“0～1”变化的、幅值大于±2.5V的方波信号。因而我们可以借助一些PROFIBUS诊断专用设备对物理层信号进行监测，同时通过专用软件对通讯网络状态进行检测，借助分析报文，最终对通讯故障进行定位。

EFPB-PB卡与上层DPU及DPU和上位机之间都是遵循UDP通讯协议的通讯方式，使用以太网线作为联通介质。我们可以借助以太网抓包软件对此段网络上的数据进行监听，查看有无异常。

3.2 检测步骤

根据现场调试经验，当通讯网络出现故障时，根据通信数据流，可遵循以下步骤进行故障排查。

（1）检查PROFIBUS主站和从站（EDPF-PB卡和DP设备）之间的通讯是否正常。根据手头工具情况分为详细诊断和粗略诊断两种形式。比较详细的诊断方式是借助ProfiTrace工具包，将ProfiTrace总线监听工具串入总线网络，查看主站和从站是否状态正常，问答数据报文是否正常。ProfiTrace软件可以直观的显示总线网络中的节点状态，从而很容易判断出问题节点。当网络中出现串扰信号，且无法判断干扰源时，可以让ProfiTrace工具做标准主站，排除EDPB-PB卡的问题。再观察ProfiTrace软件中的各站电压柱状图，电压最高和最低的从站往往是故障所在，例如图1中所示的23号从站。通过ProfiTrace的示波器功能可以观察整个网络或个别从站的波形，从而判断接地、AB线短接、终端电阻等方面的问题。在没有ProfiTrace工具包的情况下，可以使用示波器观察网络中的波形，判断问题原因，这需要有一定的经验。如手头没有ProfiTrace工具包和示波器，可以使用串口线连接EDPF-PB卡，登陆后，使用EDPF-PB卡内置命令对从站的配置和数据通讯状态进行粗略诊断。（2）检查DPU与EDPF-PB卡之间的通讯是否正常。登陆DPU或EDPF-PB卡，先使用ping命令，查看网络好坏。一般情况下，网络中的物理故障是很常见的，不要忽略了最简单、最表象的故障可能。DPU与EDPF-PB卡之间的通讯完全是通过以太网线的UDP协议通讯，可以在怀疑有问题的网络中接入HUB，使用连在HUB上的任一上位机通过以太网抓包工具监视网络报文，判断DPU和EDPF-PB卡哪一侧出现问题。在现场条件不允许时，也可以使用串口方式或telnet方式登录EDPF-PB卡，通过EDPF-PB卡的内置命令简单排查一下故障点。EDPF-PB卡的内置命令可以打印EDPF-PB卡收到DPU发来的查询报文和回复给DPU的应答报文。（3）检查DPU与上位机之间的通讯是否正常。DPU与上位机之间的通讯是EDPFNT+DCS通用的UDP通讯协议方式。数据传输和解析依托于上位机中I/O卡件组态情况。I/O卡件组态依据是DPU中的eio.conf文件配置情况和EDPF-PB卡中从站配置情况。这就需要详细了解每个DP从站设备的读写数据长度，以及通信数据类型等。只有当这些对应关系都正确时，上位机才能正确解析DPU送上来的数据报文。前提是物理网络正常，能收到DPU送给上位机的数据。这些数据映射间的对应关系都是检查的重点。

3.3 注意事项

PROFIBUS自身有着严格的技术规范要求，但许多用户在使用该总线的过程中，并不能完全满足这些规范，可能导致PROFIBUS的整体性能受到影响，出现通讯不稳定、丢站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PROFIBUS网络规则。

（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。（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。对于PROFIBUS通讯网络来讲，要求对每个站都进行接地处理，一般要求不出现单点接地的情况。（4）检查布线规则。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。总线通讯速率大于500kpbs时，所有电缆长度总和不超过400m，分支线长度总和不超过20m。

参考文献：

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