矯直機Profibus總線現場調試過程中的故障分析

付 君

（西寧特鋼有限公司加工分廠，西寧 810005）

近年來，隨著制造業自動化和過程自動化中分散化結構的快速增長。Profibus現場總線的應用越來越廣泛。由于現場總線系統結構的簡化，使其從設計、安裝、投運到正常生產運行及檢修維護，都體現出優越性。不僅減少了硬件數量與投資，節省了安裝費用，而且系統的維護費用也大大降低。現場總線控制系統不僅精確度與可靠性高.而且在使用和維護方面使用統一的組態方式。使安裝、運行、維修簡便。現階段，現場總線控制系統在鋼鐵企業的應用逐步普及。

由于鋼鐵企業現場環境非常惡劣，灰塵大、震動強、溫度變化大，且需要24h連續不斷地運行，因此對生產現場控制設備較其他行業有更高的要求。2011年由于公司技術改造需要，將原大棒材精整線∮180矯直機進行搬遷至一軋車間后部區域。在搬遷調試中出現了一些問題，將在下面進行分析。

1 PLC系統在∮180矯直機中的應用

∮180矯直機主要由前部送料系統（含上料架、前臺輸入輥道）、矯直機本體（包括矯直機主機、主傳動裝置）、后部出料系統（后部下料架、出料輥道）。

1）硬件及軟件組成

（1）硬件：1個 Profibus-DP主站 S7-300 CPU315-2DP；兩個從站ET200M接口模板IM153-1及輸入/輸出模板：6SE7036-0EK60變頻器（帶Profibus-DP接口模板）兩臺，用于主傳動控制；兩臺ATV71HD37N4施耐德變頻器（用于控制前后臺輥道）；研華工控機1臺，用于調整尺寸監視及程序調試、故障處理；Profibus通信電纜。

（2）軟件：STEP 7 V5.4；WINCC 6.0；變頻器GSD文件

2）系統的組成

矯直機PLC控制系統由1個主站、兩個ET200M從站、4個變頻器從站和 1個 HMI站和 1根Profibus-DP網線構成。矯直機PLC控制系統配置如圖1所示。

3）系統的功能

本系統采用Profibus-DP現場總線方式，1個主站帶7個從站。主站CPU3 15-2DP及變頻器從站、一個ET200M從站設在電磁站內，另一ET200M從站及工控機分別設在操作臺上。主站（CPU315-2DP）與從站變頻器、ET200M間采用相同的Profibus-DP總線通信協議進行實時通信，實現數據的傳輸與控制。工控機由于僅作為調試監控使用，故采用Profibus電纜連接至操作臺ET200站，作為從站使用。

圖1

2 調試中出現的故障分析

由于本次搬遷沒有進行系統變動，所以一切都是按照原有圖紙組織施工。但是由于對 Profibus總線系統理解不深，在調試過程中仍然出現一些問題，下面將本次搬遷中的通信故障進行逐一分析：

1）工控機連接約1min后，通信中斷

系統上電后，工控機通信時斷時續，通信中斷后，再次連接又可通信一段時間。于是懷疑通信線路有問題，對工控機連接Profibus通信接頭進行檢查，發現 Profibus連接頭接反，正確的接法應如圖2所示。

圖2

Profibus-DP接頭的電路原理圖如圖3所示。

工控機作為從站的末端，其連接電纜應為IN，施工人員施工中卻接至OUT端。

圖3

我們從終端電阻的作用原理可知，電信號（電流、電壓信號）在沿導線傳輸過程中，由于分布電感、電容和電阻的存在，導線上各點的電信號并不能馬上建立，而是有一定的滯后，離起點越遠，電壓波和電流波到達的時間越晚。電信號波在傳輸過程中會產生一個與入射信號波方向相反的行波，通常稱為反射波。這種信號反射，與光從一種媒質進入另一種媒質引起的反射是相似的。根據傳輸線理論，在網絡的終端設置終端電阻可以吸收網絡上的反射波，消除反射波對信號的干擾。兩端的終端電阻并聯后的值應近似等于傳輸線相對于通信頻率的特性阻抗。總線上沒有站發送數據時（即總線處于空閑狀態），390Ω的上拉電阻和下拉電阻用于確保A、B線之間有一個確定的空閑電位。

所以由于施工接線錯誤，導致將Profibus-DP網絡連接器上的撥動開關打到“ON”位置時，終端電阻并沒有被接入，從而引起了網絡的不穩定。將PROFIBUS通信電纜進行了重新連接，工控機聯網正常，可以進行相應調試工作。

2）前臺輸入輥道變頻器連接不上

工控機通信連接之后，進入系統調試過程，通過PLC Hardware diagnostics故障診斷，發現前臺輸入輥道ATV 71變頻器未連接上。懷疑通信電纜連接頭有問題，重新更換連接頭后仍未正常。故障診斷顯示地址錯誤（前臺輸入輥道地址應為8）。檢查ATV 71地址撥碼開關位置，發現撥碼撥錯。

施耐德變頻器ATV 71撥碼開關如圖4所示。

圖4

撥碼開關對應列表如表1所示。

如圖4所示，撥碼開關撥至下位為1，上位為0。地址8所對應的開關為應為0000 1000，而現場調試中可能施工人員出于好奇，撥至 0000 1100（地址12），導致通信地址錯誤，網絡連接不上。重新撥至0000 1000（地址8）后系統正常。

表1

3）矯直機運行過程中通信網絡中斷

系統網絡打通之后，調試工作順利完成，矯直機投入使用。運行一段時期后，操作人員反映操作中有時出現系統連接不上，操作不動作現象。經過到現場仔細觀察，發現這種故障現象偶有發生，但是每次總是發生在主傳動起動的瞬間，判斷應該與主傳動變頻器有關系。變頻器的輸出采用IGBT電子開關元件，在輸出能量的同時也在輸出線上產生較強的輻射干擾，影響周邊電器的正常工作。由于在搬遷施工中沒有充分考慮變頻器對外界的干擾問題，電纜敷設時動力電纜與通信電纜都布置在電纜溝最下層，雖然變頻器輸出電纜采用了屏蔽電纜，但是由于通信電纜與動力電纜距離過近，并不能有效的解決變頻器的干擾輻射。導致通信有時出現中斷現象。

于是對利用矯直機檢修期間，對通信電纜進行重新規范，將通信電纜及PLC信號電纜全部敷設在電纜溝橋架最上層，并全部穿鋼管。保證強電與弱電傳輸電纜相對距離越大越好（現場由于空間所限，目前均在400mm左右），同時在柜內也將通信電纜與動力電纜距離分開。原計劃要做一套單獨的接地系統，由于現場附近土質及場地限制，暫時沒有實施。

通過以上工作完善后，矯直機在運行中再未出現過此類故障。

3 結論

Profibus總線的應用場合非常多，應用環境也各不相同，但只要嚴格按照Profibus的規范進行網絡拓撲的設計、遵守布線規則、處理好系統的“地”與“接地”等，將在很大程度上避免總線網絡使用中出現的各種問題。同時要清楚的掌握其他傳動裝置的總線協議及連接方法，也將很大程度上的減少調試時間。

[1]西門子公司.西門子STEP7 V5.4編程手冊[Z].

[2]施耐德公司.施耐德ATV 71變頻器使用說明書[Z].

[3]張燕賓.SPWM 變頻調速應用技術[M].北京:機械工業出版社, 2002.

[4]廖常初.S7 300/400 PLC應用技術[M].北京:機械工業出版社, 2008.

[5]廖常初.西門子工業通信網絡組態編程與故障診斷[M].北京:機械工業出版社, 2009.

[6]西門子公司.Profibus現場總線安裝指導[Z].