PROFIBUS-DP网络诊断方法在盾构机维保中的应用

PROFIBUS-DP网络诊断方法在盾构机维保中的应用

闵秋怡

身份证号：3101151985****3856

摘要：盾构机自动化控制系统通常采用西门子公司的S7-300、S7-400系列PLC控制器，并运用PROFIBUS工业通信网络。本文深入探讨了PROFIBUS-DP工业通信网络的结构原理，以及多种故障诊断方法，旨在提升工业通信网络故障判断的准确率和修复效率。文章详细分析了工业通讯网络故障的根本原因，强调了使用PROFIBUS-DP网络诊断方法的实用性，为盾构机自动化控制系统的稳定性和可靠性提供了有力的支持。

关键词：盾构机；工业通信网络；故障诊断

1. 概述

隧道施工中广泛使用的盾构机配备有自动控制系统，通常采用西门子S7-300或S7-400系列可编程控制器（简称PLC）作为主站，主站需要实时控制分散安装在盾构机车架四周的从站设备，为了有效监控和控制这些从站设备，通常运用PROFIBUS-DP工业通信网络。由于工业通信网络涉及的设备较多，一旦发生故障，可能导致部分设备无法正常运行，从而对工程施工进度产生不良影响。因此，深入了解工业通信网络的各种诊断方法显得尤为重要，可以帮助实现对故障点的精准判断，并迅速采取修复措施。

以上海北横通道工程施工为例，该工程采用了由海瑞克公司编号S-1000的泥水气平衡盾构机，其直径达15.53米。在该盾构机的PLC控制器主机架上，安装了西门子CPU 319-3 PN/DP的CPU模块，大多数从站设备通过 PROFIBUS-DP 工业通信网络与 CPU 319-3 PN/DP 主站进行通信。该系统的稳定运行对于保证项目的高效建设至关重要。从站设备清单详见表格1

表格 1海瑞克盾构机工业通信网络从站设备清单

2. PROFIBUS-DP的网络结构及通信方式

PROFIBUS工业通讯网络硬件包括主站、从站、网络组件、网络组态和诊断工。PROFIBUS-DP 工业现场总线上一共有三种不同类型的站存在。1类DP（DPM1）主站是系统的中央控制器，DPM1预定的周期内与分布式的站（例如DP从站）循环交换信息，并对总线通信进行控制和管理[1]。通常情况下，1类主站是CPU模块。其次是2类DP主站（DPM2），其主要任务是通过DP网络对主站程序进行编辑、诊断和设备的管理。这类主站通常包括编程用的PG/PC、安装了WINCC组态软件的PC、以及操作员面板/触摸屏（OP/TP）等设备。最后是3 类 DP 从站仅与 PROFIBUS 网络上相应的DP主站交换数据，并通知主站有关本地过程中断和诊断中断的信息。作为网络中的一种被动节点，这类从站通常是成本较低的分布式I/O设备，其中包括西门子公司的ET200M和带有PROFIBUS-DP接口的驱动器等设备。PROFIBUS-DP网络图详见图1

图 1PROFIBUS-DP网络图

3. PROFIBUS-DP的各种诊断方法

PROFIBUS-DP的诊断方法通常LED指示灯诊断、STEP7软件诊断、诊断中继器诊断、系统功能诊断、示波器诊断等方法。以下详细介绍各种诊断方法。

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3.1使用LED指示灯诊断

PROFIBUS网络上的每个站几乎都有BUSF的总线故障指示灯，通过这个指示灯可以快速判断故障类型，在西门子S7-300/400的主站CPU型号不同，CPU上的MPI/DP插口数量也不同，每个插口都有对应的BUSF的指示灯。

BUSF指示灯出现常亮情况可能的故障原因

总线故障（硬件故障）

DP插口故障

多DP主站模式下传输速率不同

DP接口（设置为从站/主站）被激活状态下总线短路

被动的DP从站搜索不到总线上有其它激活的节点（比如主站）

BUSF指示灯出现闪烁情况可能的故障原因

CPU作为DP主站可能出现的问题：连接的站存在故障，无法访问一个或多个已经组态的从站、项目组态存在错误。

CPU作为DP从站可能出现的问题：超过了响应监视时间、PROFIBUS-DP通信中断、PROFIBUS地址错误和项目组态错误。

通过BUSF指示灯，维护及调试人员可以快速判定PROFIBUS网络是否存在问题，但是并不能再做进一步的诊断。

3.2使用STEP7软件诊断

STEP7是西门子的编程软件，软件提供了用于诊断的强大在线功能。通过打开项目中的硬件组态在线诊断视图（图2），视图中显示了该站已组态的所有从站模块信息及各模块实时状态。

图 2在线诊断图

图2中71、76、77号站图标的左上角有一个红色的斜杠，代表这3个站并没有与主站连接，存在断线或者未上电的可能。如果有从站发生故障，并且这个故障从站的图标左上有一个红色圆圈内有一个红叉，可以打开这个故障从站图标得到进一步的故障信息。

3.3使用诊断中继器诊断

诊断中继器是具有诊断功能的RS-485中继器，用于系统正常工作时进行线路诊断。[1]工作于DP从站模式，作为RS-485中继器集成到PROFIBUS-DP网络中，具有对铜材质总线电缆的物理在线监测功能，当运行过程中出现故障时，自动检测故障类型和位置。并向 DP 主站发送诊断消息。可以使用上位机采集软件或HMI(人机界面)显示出故障位置及故障原因。诊断中继器可以提高对故障模块或DP总线电缆的中断位置的定位能力，减少系统停机时间，许多设备厂商会在PROFIBUS-DP网络中安装诊断中继器。

诊断中继器可以诊断出以下故障

总线中A线或B线断路

总线的屏蔽层与A线或B线之间存在短路

终端电阻缺失

连接松动

无效的级联深度

在一个网段中出现一个或多个测量电路

在一个网段中出现的节点过多

节点距离中继器长度超出通信范围

报文错误

通过PG连接诊断中继器不能使用PC适配器连接，需要使用PG接口的CP5611通信接口，并且STEP7软件中“设置PC/PG接口”设置为PROFIBUS。STEP7软件中使用拓扑显示视图可以诊断网络故障，并且对故障信息有相应的说明与解决方案，通过诊断中继器的诊断缓冲区查看历史故障时间信息。

3.4使用系统功能诊断

在PLC程序中编制PROFIBUS网络故障读取程序，并配合使用HMI或上位机来显示故障信息，可以直观看到网络通讯发生故障的大致位置。通常使用系统功能SFC51来编写读取“系统状态列表”（SSL）、部分列表或CPU的SSL列表摘录的诊断程序。主要通过读取部分别表的中央组态中的机架的当前状态/DP主站系统站的当前状态。当网络出问题后，出问题部分连接的站会出现丢站现象，并在HMI或上位机显示。图3为设备状态读取程序，图4为报警显示程序，当读取不到状态时会在HMI或上位机中显示，由于PLC使用了2个PROFIBUS-DP网络，所以程序调用了2次SFC51读取2个网络中设备状态。

图 3读取系统状态程序

图 4报警显示程序

3.5使用示波器诊断

现场设备通信状况表面上良好，但是了解真实的底层信号质量一直是现场维护人员最关心的问题，这关系到网络长期运行的稳定性和抗干扰能力。PROFIBUS的通信接口为RS485，它是一种平衡驱动输出，差分输入的半双工异步串行通信接口，当A线与B线间的电压差+(2-6)V表示逻辑“真”；两线间的电压差-(2-6)V表示逻辑“假”使用普通示波器即可对物理层的信号质量进行检测。每个PROFIBUS RS85接口（少数高防护等级从站除外）带有RTS信号，可以将RST信号作为触发信号来区分每个站点的信号。

通过观察AB线上的波形可以判断物理层信号质量情况，图5为正常信号波形。AB线正逻辑信号电压差为4.24V，负逻辑信号电压差为-5.02V

图 5正常信号波形

图6为PREOFIBUS-DP总线连接器终端电阻未打开的信号波形，波形上有反射干扰产生，AB线的信号电压差也比正常高。

图 6终端电阻未打开的信号波形

4现场故障诊断步骤流程

当PROFIBUS网络上设备发生故障报警，首先判断网络上的设备硬件供电是否正常，排除供电问题后，通过故障设备上的BUSF总线故障指示灯状态与使用STEP7软件的在线监控硬件组态查看故障类型与原因。如图7所示

图 7PROFIBUS网络初步故障排除

整个PROFIBUS网络只有某一个设备站故障报警，可以重点检查发生故障的这个设备站，检查这个设备站的总线连接器插头是否有松动，检查该站的通信线是否有损坏。如图8所示

图 8单个设备站故障检查方法

整个PROFIBUS网络有多个设备站同时发生故障，可通过波动总线连接器上的终端电阻开关来判断故障点起始位置，缩小检查范围后，检查总线连接器插头是否松动，通信电缆是否有短路，开路等故障。如图9所示

图 9多个设备站故障检查方法

设备站偶尔发生故障报警，故障发生后又自行恢复正常，出现这类情况需要通过示波器来判断整个PROFIBUS网络的物理层通信质量是否正常，如果整个网络信号波形出现干扰，可以检查总线连接器与终端电阻、通信电缆紧固情况、电缆屏蔽层接地、通信电缆走线远离干扰源等方面情况来排除此类偶尔故障报警的情况。

4. 结语

PROFIBUS工业通讯网络故障的排除和诊断方法有多种，在日常对盾构机工业通讯网络维护过程中，根据自己的认识与理解做好总结，除了保证故障诊断的准确性和速度外，还应得出结论。按照现场盾构机实际情况，找到排查故障和诊断技术的最佳方法。不要盲目的拘泥于某种方法，我们必须明白，无论选择哪种方法，主要目的都是为了准确判断并快速排除故障，以提高盾构机的工作效率，保障设备稳定、安全运行。

参考文献：

[1] 廖常初.西门子工业通信网络组态编程与故障诊断.北京: 机械工业出版社,2009