PROFIBUS现场总线控制设计及故障诊断

PROFIBUS现场总线控制设计及故障诊断

郭兴杰

（大唐吉木萨尔五彩湾北一发电有限公司831700）

摘要：PROFIBUS现场总线是一种实时控制的工业网络系统，基于模块化的结构设计使得PROFIBUS现场总线能够连接多种类型的控制器和工业流程。本文主要介绍了PROFIBUS现场总线的基本原理和基于PROFIBUS现场总线的故障诊断方法，为PROFIBUS现场总线的在故障诊断方面的应用提供了思路。

关键词：PROFIBUS现场总线；故障诊断；控制系统

1.绪论

现场总线是一种用于实时分布式控制的工业网络系统。这是一种连接制造工厂中仪器的方法。现场总线适用于网络结构，通常允许链形，星形，环形，分支和树形网络拓扑结构。PROFIBUS中最早提出的是PROFIBUSFMS（FMS代表FieldbusMessageSpecification），是一个复杂的通信协议，为要求严苛的通信任务所设计，适用在车间级通用性通信任务。后来在1993年提出了架构较简单，速度也提升许多的PROFIBUSDP（DP代表DecentralizedPeripherals）。PROFIBUSFMS是用在PROFIBUS主站之间的非确定性通信。PROFIBUSDP主要是用在PROFIBUS主站和其远程从站之间的确定性通信，但仍允许主站及主站之间的通信。目前的PROFIBUS可分为二种，分别是大多数人使用的PROFIBUSDP和用在过程控制的PROFIBUSPA：PROFIBUSDP（分布式周边，DecentralizedPeripherals）用在工厂自动化的应用中，可以由中央控制器控制许多的感测器及致动器，也可以利用标准或选用的诊断机能得知各模块的状态。PROFIBUSPA（过程自动化，ProcessAutomation）应用在过程自动化系统中，由过程控制系统监控量测设备控制，是本质安全的通信协议，可适用于防爆区域（工业防爆危险区分类中的Ex-zone0及Ex-zone1）。其物理层（缆线）匹配IEC61158-2，允许由通信缆线提供电源给现场设备，即使在有故障时也可限制电流量，避免可能导致的爆炸。

2.PROFIBUS现场总线控制基本原理

PROFIBUS是一种智能的现场总线技术。系统上的设备连接到中心线。连接后，这些设备可以以有效的方式传递信息，但可以超越自动化消息。PROFIBUS设备还可以参与自诊断和连接诊断。以前，计算机使用RS-232（串行连接）连接，只有两个设备可以通信。这将等同于当前使用的4-20mA通信方案，该方案要求每个设备在控制器级别具有其自己的通信点，而现场总线相当于当前LAN类型连接，其仅需要一个通信点在控制器级别，允许同时连接多个（数百个）模拟和数字点。这减少了所需电缆的长度和所需的电缆数量。此外，由于通过现场总线通信的设备需要微处理器，因此通常由同一设备提供多个点。一些现场总线设备现在支持控制方案，例如设备侧的PID控制，而不是强制控制器进行处理。在最基本的层面上，PROFIBUS的快速普及受益于其OSI层和基本拓扑的设计。

PROFIBUS网络使用OSI网络模型的三个独立层。首先，PROFIBUS描述了应用层。有多个版本的PROFIBUS可以在应用层处理不同类型的消息传递。PROFIBUS支持的一些消息类型包括循环和非循环数据交换，诊断，报警处理和同步消息传递。PROFIBUS不定义第3到第6层。但是，它定义了数据链路和物理层，第一层和第二层。数据链路层通过现场总线数据链路或FDL完成。FDL系统结合了两种常见方案，即主从方法和令牌传递。在主从网络中，主设备（通常是控制器）向从设备，传感器和执行器发送请求。从设备相应地作出反应。PROFIBUS还包括令牌传递，一种在节点之间传递“令牌”信号的系统。只有具有令牌的节点才能进行通信。最后，PROFIBUS定义了一个物理层，但它为灵活性留下了空间。PROFIBUS系统可以有三种类型的介质。第一种是标准的双绞线布线系统，在这种情况下是RS485。还有两种更先进的系统。现在，PROFIBUS系统可以在更合适的情况下使用光纤传输进行操作。在化学环境易发生爆炸的情况下，还可以使用名为ManchesterBusPower或MBP的安全增强系统。

3.基于PROFIBUS总线的实时控制系统设计

凭借其模块化设计，PROFIBUS在世界市场上取得了领先地位。通信协议可以与大量特定于应用程序的，相互兼容的技术模块（传输技术，应用程序简档，集成技术）组合。这确保了在大范围应用中的完全连续性。通过这种“模块化系统”（图1），可以涵盖制造和过程工业中自动化技术的所有应用，包括安全相关任务。模块化系统的核心是用于中央可编程控制器和分布式现场设备之间通信的相同通信协议PROFIBUSDP（分散式外围设备）。根据应用的不同，可提供各种替代方案用于数据传输：RS485传输技术旨在用于制造业以及一般过程工业中的无爆炸应用。RS485-IS（本质安全，本质安全）目前涵盖防爆领域。MBP（曼彻斯特编码总线供电）或MBP-IS传输技术专门针对过程工业，除了数据传输之外还可以为设备供电。此外，可以使用各种光传输技术。为了在用户级别的现场设备之间进行统一的数据交换，为PROFIBUS指定了应用程序配置文件。

模块化系统通过组合适当的组件，可以通过专门设计的为不同的应用提供最佳地解决方案。例如制造业，过程自动化，驱动技术或安全相关系统的解决方案。只有通信协议对所有解决方案都是相同的，并确保已经提到的高度PROFIBUS一致性。用户可以通过集成到所有生产链应用程序中的PROFIBUS解决方案来避免此类解决方案。

4.基于PROFIBUS总线的故障诊断

故障诊断主要有三类：1.通过DCS组态或硬件组态诊断。利用DCS组态，对整条链路上的相关设备信息进行查看，分析出大致的故障点，然后就地排查，确定故障点，在做好整条链路设备的相关安全措施后，进行故障处理；对于可编程逻辑控制器系统的总线设备，通过硬件组态，在线查看模件信息判断故障点位置。2.通过总线上各设备故障指示灯诊断观察。从站上IM153-2模块、DP/PA耦合器或Y-LINK耦合器、光电转换器的指示灯，在发生故障时根据点亮指示灯的颜色和闪烁状态判断故障类型及故障区域。3.通过PROFIBUS分析工具及软件诊断利用PROFIBUS分析工具与已安装软件的笔记本电脑连接，对总线链路进行检测及故障诊断。该连接具有超强数据统计分析及高速数字示波器等功能，可以检测终端电阻设置、总线地址设置、总线链路长度、通信质量等，为故障诊断定位提供依据，但是有时在连接设备时，需要更换接头，从而使链路中断，这也限制了其在线运行时的使用。

5.总结

PROFIBUS现场总线是一种优秀的工业网络系统，广泛应用于工业自动化设计领域。基于PROFIBUS现场总线的故障诊断系统能够有效提高故障诊断效率。

参考文献

[1]高飞.输煤控制系统全分布式Profibus现场总线设计与应用[J].发电设备,2018(06):394-398.

[2]潘银涛,王春辉.Profibus现场总线技术在火电厂的应用[J].河北电力技术,2018,37(05):21-22+53.

[3]陶丁,李彦文,赵涵,刘晖.一种Profibus现场总线故障诊断系统的设计与实现[J].河北电力技术,2018,37(04):22-26.

作者简介

郭兴杰，性别:男，出生年月:1974年3月，籍贯:安徽阜阳，学历:本科，现职称:助理工程师工作。