关于冷轧厂 PROFIBUS 设备总线故障的分析及解决方法 关键词 : profibus 故障闪断 Profibus 检测仪 profibus 故障排除摘要 : 钢铁企业作为国内 ROFIBUS 现场总线的重要用户之一, 在享受这现代工业自动化技术优势的同时, 对于其在应用中所存在的一些问题, 也有着不少的忧虑 安全稳定的生产对于各钢厂来说, 可谓是重中之重, 那么怎样来解决诸如总线设备闪断 掉站之类的普遍问题呢, 本文就各个钢厂普遍使用的 profibus 现场总线, 结合多个钢厂的现场实例, 说明一下对于闪断 掉站问题的故障诊断以及解决办法 一 引言 冷轧, 是在热轧板卷的基础上加工轧制出来, 主要是在常温状态下由热轧板加工而成, 一般来讲是热轧 酸洗 冷轧这样的加工过程 其主要的工艺流程包括原料准备 酸洗 轧制 脱脂 退火 ( 热处理 ) 精整等 作为主流的总线技术之一:PROFIBUS 现场总线技术在冷轧厂的各个车间得到了非常广泛的应用, 如上卷卸卷自动控制 炉辊联动控制 加热炉等等 在多年的使用过程中, 我们对 PROFIBUS 总线控制系统在冶金行业中的应用有了更进一步的了解, 同时, 一些看似无关却又有着千丝万缕联系的故障又使我们在其中不断学习 成长 本文主要对发生在冷轧厂一起 PROFIBUS-DP 网络故障进行介绍 分析, 使我们日益发展的 PROFIBUS 总线技术的使用和维护有了更新的认识 二 故障案例 1 故障描述冷轧厂能源供应中心水处理段在正常的生产过程中, 时不时会出现闪断 掉站等通讯故障, 不仅仅影响水处理段的正常使用, 有时反而会影响到主系统, 从而造成能源供应中心瘫痪, 严重影响了正常生产并带来了巨大的经济损失 以下水处理段网络实际拓扑图 :
2 故障分析由于现场工程师尝试了多种解决方案依然没有彻底解决掉此故障问题, 因而该钢厂设备维护负责人找到了我们由我们提供技术服务并做出解决方案 我们的技术人员到达现场后用我们的专业检测工具 ProfiTrace 检测后发现该区域的通讯波形非常不好, 正常的波形应该是类似方波一样的波形如下图 : 而该区域的主站波形以及几个典型的从站波形
通过以上波形对比可以发现清洗段的主站与各个从站通讯波形畸变和毛刺很大, 这表明该区域 PROFIBUS 网络通讯极不稳定, 我们技术人员结合现场实际和一系列的检测数据得出现场主要存在的问题有干扰严重 网络负载大 接地太乱等问题 3 解决方案通过以上分析我们提出建议就是对现有网络进行拓扑结构的优化, 使用 PROFIBUS Hub 产品使总线型的网络结构变为星型网络结构从而达到以下目标 (1) 稳定性: 要求改造后网络通讯稳定性大于 99.9%, 年故障次数不超过 1 次 (2) 不影响生产: 单个站点出现故障不影响整个系统的运行 (3) 快速诊断: 当网络出现故障后可在 30 分钟内找出故障点 (4) 保持原网络一切功能, 不影响原程序和软件 以下是优化后的网络拓扑图 :
方案说明如下 : (1) 如图所示, 网络结构优化后, 将采用超强 PROFIBUS 五路分支中继器, 将串行的 PROFIBUS 网络分成几个星型网络 在星型网络结构中, 各段的 PRFIBUSDP 网络间实现电磁隔离, 不会相互影响 由于减少了每个网段分支上的 DP 站数量, 大大降低了网络故障产生的概率 五路分支中继器同时起到了增强网络信号的功能 (2) 在每条网络支路的末端增加网络终端器 终端器为基于 RS485 的 PROFIBUS 网络提供了有效而可靠的终端 使用此组件可以在不干扰总线通讯的情况下实现关闭 移动 拆卸装置 (3) 网络改造时增加设备为免组态设备, 不用原有程序进行任何修改 (4) 网络改造时保留原系统布线和设备, 若改造有问题可以迅速恢复原网络结构, 避免改造风险 4 优化后的结果按照我们解决方案施工完成并经过一段时间得运行观察后 : 发现现场网络的稳定性得到了大大的提高, 基本不再出现闪断 掉站等故障 并由我们的专业工具测量也发现该段整个通讯的波形也得到了极大的改善, 已经趋于一个正弦的方波, 一下是优化之后主站与从站波形 :
三 故障案例分析 目前工业现场应用中的 PROFIBUS DP 大部分是线性总线结构, 采用总线型结构设计存在 以下问题 : A 当一条 PROFIBUS-DP 网络上的任何一个 DP 站节点出现问题时, 会对整个网络的通讯 产生影响 而现有的中继器分段网络结构还带来了一些其他的问题, 例如分支线问题, 一 米规则问题等 使得本来一些意图改善网络通讯稳定性的手段反而对于网络中的通讯质 量造成了一定的影响 B 由于一条串行的 PROFIBUS-DP 网络上的站点众多, 站点间相互影响, 当出现故障时很 难查到故障点 网络中可能出现多个节点频繁掉站的情况, 但引起故障的原因可能只有 一个, 这样的情况下会对维护人员的判断造成影响, 进而直接影响到对于问题的解决效 果 C 由于采用串行的网络结构, 当更换网络上某一节点设备时, 都会对网络上其它节点产
生影响 D 网络上没有网络监控设备, 无法监控网络通讯状态或判断故障点 仅凭现有系统中集成的对于网络中节点设备的状态量检测, 只能判断设备的工作状态 但是维护人员更加关心的发生故障的原因和具体位置没有办法进一步的提供 通常试验性质的维护可以解决问题, 但是很难提高维护的效率, 降低维护的成本 另外, 进行了维护之后没有办法准确的确认维修或者技改的效果 串行网络接线方式 对于以上存在的问题, 星型或树形拓扑结构则可以有效地解决此类问题, 但 DP 协议并不支持这两种拓扑结构 但是通过 ProfiHUB 产品应用于 PROFIBUS 现场总线网络中, 可将网络的总线型拓扑结构改变为树型结构或混合型结构, 同时保留了中继器的技术功能 本产品以方便工程现场的安装布线 增加网络的传输距离和站点个数为目的, 同时还具有网络隔离和通信诊断功能 四 产品介绍 1 PROFIBUS Hub 技术概念 PROFIBUS-DP 采用基于 RS485 技术的物理层, 是目前应用最普遍的一种形式 一般的 RS485 网络在高达 12M 数据传输速率的情况下, 仍让它保持较高的可靠性, 这是很难做到的 因此, 在 PROFIBUS 标准中又对 RS485 技术做了进一步的严格定义和补充, 其中包括了网络拓扑结构 段 终端 中继 分支等概念, 并对所使用的电缆 连接器 中继器等网络部件做出详细的技术规范
⑴ PROFIBUS 基于 RS485 技术的物理层传输时, 一般采用总线型的网络结构, 如图 1-1 所示, 图中标出段 终端 中继器 连接器等网络设备和概念 ⑵ PROFIBUS 站点数在逻辑上可以有 126 个 ( 站地址 0~125 可用于一般主 / 从站 ) 一个 PROFIBUS 段内最多有 32 个站点 如果需要 PROFIBUS 总线上连接多于 32 个站的站点就必须使用中继器类的设备扩充成几个段 ⑶ 一个 PROFIBUS 段的两个终端站点必须设置终端电阻, 而且两个终端站点在网络运行期间不能断电 终端站点设置终端电阻通常是通过标准 PROFIBUS 插头上的终端电阻开关设置的 因此判断哪个站是段的终段站点至关重要 ⑷ 一个 PROFIBUS 段中的通信电缆的最大长度与波特率有关 见下表 1-2: 表 1-2 不同传输速率下一个 PROFIBUS 段的最大电缆长度
⑸ 实现以上技术的必要条件是 : 必须使用 PROFIBUS-DP 专用电缆 A 型电缆, 及 PROFIBUS 专用插头 有关 A 型电缆参数请查阅相关资料 在实际的 PROFIBUS 应用工程中确实出现都很多可靠性问题, 主要原因是用户不能像一般的 RS485 网络那样去组网 PROFIBUS, 它需要专门的设备与技术 : 1 严格按照 PROFIBUS 规范设计 安装, 选取经过 PROFIBUS 产品认证的设备 ; 2 选用优质品质的 PROFIBUS 网络设备组网 ; 3 选用网络运行下的监控诊断设备 ; 2 ProfiHub 产品介绍
⑴ 集线器功能 : 改变 PROFIBUS 网络总线型拓扑结构, 实现树形及混合型的网络结构采用 PROFIBUS 专用电缆 专用插头来实现站点的总线形连接是非常方便的 ( 见图 1-1), 但很难实现 PROFIBUS 的树形及混合型拓扑结构的网络要求 ProfiHub B5 可方便实现 PROFIBUS 的树形及混合形结构, 见图 1-2 ⑵ 中继器功能 :ProfiHub B5 的每个接口相当于一个中继器接口, 可以独立驱动一个 PROFIBUS 段, 可以实现级连 这样, 通过 ProfiHub B5 组成的混合型 PROFIBUS 网络结构, 站点数可达 126 站点 ⑶ 隔离抗干扰的功能 :ProfiHub B5 每个接口可扩展为一个 PROFIBUS 段 ( 可称为 接口段 ), 每接口段之间是电气隔离的, 也就是段之间隔离 因此, 某一段上的断线 短路都不影响其他段的正常运行 五 结束语 现在, 大型自动化控制系统逐渐在进行着从 集中控制 到 分散控制 再到 现场控制 的演变, 从 点对点 的数据传输方式到 总线 方式的数据传输的演变 近些年来, 现场总线技术在各行各业的应用中得到了空前的发展, 但是随之而来的就是一根简单的数据线 通讯电缆对于一个系统来说显得更加重要, 所以在实际应用过程中, 我们要根据现场情况, 灵活运用 ProfiHub 产品对 PROFIBUS 总线进行分段保障网络稳定运行从而保证我们所驾御的这些大型自动化设备正常 可靠的运行