一种和温度有关的Profibus-DP通信故障分析及解决方法

一种和温度有关的 Profibus-DP通信故障分析及解决方法

王兵义 马玉宾

河钢邯钢冷轧厂，河北省 邯郸市 056015

摘要：目前Profibus-DP作为一种高速经济的设备级网络，主要用于现场控制器与分散I/O之间的通信，可满足交直流调速系统快速响应的时间要求。由于具备高可靠性、高性能，且实时性好、设计独特，Profibus-DP备受青睐，广泛应用于钢铁工业自动化领域。

关键词：温度；Profibus-DP；通信故障；解决措施；分析

1导言

冷轧热镀锌产线Profibus-DP网络结构分配地址的站点共有84个，包括的设备有西门子S7-400PLC，现场触摸屏，EMG纠偏装置，加热炉装置，焊机、锌锅、涂油机、打捆机等单体设备ET200子站以及变频器等；全线主要设备的连接依靠Profibus-DP通信装置完成，各站点连接线全部采用带屏蔽层的双绞铜芯Profibus-DP通信电缆相连，为了保证生产线各个设备在运行过程能接收到较为稳定的信号，采取在每一个网段间增加数量不等的中继器，目的也是为了保证全线通信顺畅。

2关于Profibus-DP信号波形分析

Profibus-DP通信的物理层是RS485规范。其数据传送的一般格式是起始位加数据位加停止位，按顺序传输。数据通过高低电平表示，RS485采用差分信号负逻辑，逻辑“0”以两线间的电压差为+(2－6)V表示，逻辑“1”以两线间的电压差为－(2－6)V表示。借助示波器检测，标准信号波形基本上为一簇簇方波波形。在实际应用中，由于现场环境复杂、强弱电多有交叉、动力设备较多、接地不良等因素，往往会导致波形产生畸变，出现传输载波混乱、信号失真，导致网络出错，无法通过效验，或控制系统失控，或执行部件误动作，影响设备正常运行。在检测中发现产生的信号畸变波形状态，基本上可以分为两种畸变波形。一种为反射波形，其特征为在方波的上升或下降沿处出现尖刺。在通信过程中，有两种原因导致信号反射:阻抗不连续和阻抗不匹配。其产生原理是:在高频范围内，信号在传输过程中，信号沿到达的地方，信号线和参考平面(电源或地平面)间由于电场的建立，会产生一个瞬间电流。如果传输线是各向同性的，那么只要信号在传输，就始终存在一个电流I。而如果信号的输出电平为V，在信号传输过程中，传输线就会等效成一个电阻，大小为V/I，把这个等效的电阻称为传输线的特性阻抗Z。信号在传输的过程中，如果传输路径上的特性阻抗发生变化，信号就会在阻抗不连续的结点产生反射。因此，它的干扰源来自通信网络内部。

另一类为干扰波形，其波形特征为在方波的高电平或低电平上出现波形叠加，使信号电平不再平滑。其产生原理主要是外界环境产生的干扰波形直接叠加到信号方形波上，畸变位置不固定。总之，上述两种畸变波形，其实质都是信号干扰造成的，只是干扰源不同(通信网络的内部和外部)、波形不同和产生原理不同。反射波型在方波起端，每个方波起端都有。干扰波形位置不确定，随机出现。当两种波形畸变严重时，甚至无法看出是方波图形。区分的目的主要用来指导查找问题方向。采用示波器检测信号波形是否正常，判断是否有反射或干扰等异常信号。

3和温度有关的通信故障现象及其解决方法

3.1故障现象

随着夏季的来领，厂房内部环境温度上升时，冷轧热镀锌产线加热炉Profibus-DP通信网络就会出现突然连续闪断的现象，发生闪断的通信站点随机。该故障每次发生时，持续时长短不一。据现场统计其间如果全线断电重启，可以维持设备稳定运行一段时间；而当厂房及Profibus-DP通信设备环境温度逐渐回落之后，通信又可以自主恢复，并且整个相对低温环境下工作不会再出现网络故障。该故障不是连续发生，而是随机发生，而热镀锌产线加热炉正常运行期间监控通信系统的各项指标均无明显异常。每年临近国庆，整体气温回落之后，该故障便不再出现，整个冬季直到次年入夏前故障消失。该故障困扰最大、影响最坏，是最为复杂、最无迹可寻的通信故障。

3.2解决方法

一是首先，那个网段出现故障就对全网段DP接头进行更换，重新接线，严格按照规范处理电缆屏蔽，完成后利用示波器抽样检测DP信号波形，均为正常方波；接着分段更换DP电缆，保证各段电缆完好；在更换电缆的过程中，严禁线路盘曲或者将DP通信电缆与动力电缆混合在相同的桥架内；考虑到Profibus-DP通信网络存在3个线路终端，给线路终端也安装了有源终端电阻，消除可能由终端电阻问题引起的线路信号反射问题。二是通过一段时间的分析整理，将目标锁定在信号干扰问题上。采用具有较厚的金属编织层的液压专用金属软管代替普通金属软管，对冷轧热镀锌全线上所有与大功率动力电缆相邻或者相近的DP通信电缆进行套管处理，处理完成后故障消失。三是通过在网段中增加中继器，来放大信号，增加信号的稳定性；对于不需要调整的DP头，采用单一的终端与非终端DP头，最大限度减少故障点，提高事故分析以及处理能力。

4故障处理原则

一是先一般后特殊；对于Profibus-DP故障现象较为单一且固定的，可以优先采取二分法进行判断；而对于故障现象复杂多变，没有确定现象的，则应进行专项分析。二是先硬件后电缆；在分析Profibus-DP通信故障时，往往先检查DP接头、通信装置接口等硬件的好坏；如果已经确认硬件正常，那么可以考虑通过测量相应故障段的DP电缆阻值等手段来检测电缆质量，或者在方便操作的情况下直接更换电缆测试。三是先基础后专项；在排查Profibus-DP通信故障过程中，应该重视检查DP接头接线、DP电缆安装是否规范等基础工作，有时复杂的故障现象往往是由简单的失误造成的；在基础排查完成后，如果故障仍然存在，就应该选择故障特征最为明显的方向进行专项分析。四是先宏观后微观；尤其在遇到Profibus-DP通信网络出现闪断、数据丢失或者其他一些无规律的复杂故障时，首先应该从宏观上排查硬件状态、电缆质量、安装规范等具有比较明确的判断标准的部分；如果故障依旧存在，就要转而考虑信号传输强度或者信号干扰等微观层面的问题，这些问题往往没有一个明确的表征指向，也不可能花费大量的人力物力进行专业检测，主要通过试验法排除。

5结语

本文所述的故障现象，由于故障发生存在时间性，复杂多变，查找相关资料、多次咨询专业技术人员，也没有得到有效的处理建议，所以前后耗时很久才将该故障彻底解决。回头分析，可以判定该故障其实是由两个主要因素共同作用导致，即温度和信号干扰；温度影响了信号的传输，减低了信号的强度。所以在实际应用过程中，我们要根据现场实际情况，准确判断出干扰类型、干扰源，以最快速度排除故障，并且有效做好预防措施，提高通信质量，保证这些大型自动化设备正常、可靠地运行。同时在网络分配中要合理优化，通过增加中继器来提高信号强度，减少各个Profibus-DP站点间的互相影响，最大限度保证产线正常运行。

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