Profibus-DP現場總線在輪胎生產設備中應用及常見故障排除

孫金銀，劉長城

(1.山東萬達寶通輪胎有限公司，山東 東營 252706；2.固鉑（昆山）輪胎有限公司，江蘇 昆山 215331)

1 Profibus 概述

Profibus是一種不依賴生產廠家的、開放式的現場總線。各種各樣的自動化設備都可以通過同樣的接口交換信息，也是目前國際上通用的現場總線標準之一。Profibus由三個部分組成，即Profibus-DP，Profibus-PA，Profibus-FMS其 中 Profibus-DP是一種高速低成本的通訊協議。它的通信分主站和從站。主站之間的通信為令牌方式，主站和從站之間為主從方式，以及這兩種方式的結合。Profibus-DP主要用于自動化系統中單元級控制設備與分布式I/O的通訊，它采用RS485數據接口，傳輸介質用光纖或雙絞電纜，傳輸波特9.6 kbps到12 Mbps，傳輸距離可以通過適配器進行擴展。

2 Profibus-DP 現場總線故障原因及排除方案

從事輪胎維修行業的人都非常清楚，由于輪胎設備現場的信號非常多，種類非常雜，采用了現場總線后可大大減少現場信號電纜的數量，降低成本，同時也降低了因為接線不良導致的小故障。但是采用Profibus-DP現場總線也有一致命的缺點，就是一旦出現總線的故障，將導致整個設備無法正常運轉。目前Profibus-DP總線采用菊花鏈鏈接，一個從站出現問題，其他從站不受影響，盡量避免網絡出現大面積癱瘓的情況。因此我們稱現場總線就像一個人的“神經系統”，主站就像人的大腦，從站就像人的各個器

官，一旦“神經系統”出現問題，“大腦”就無法給身上的“各個器官”下達命令，同時“各個器官”也無法向“大腦”傳遞狀態信息，導致整個“人”癱瘓。（見圖1）。

圖1 菊花鏈鏈接示意圖

輪胎制造車間現場工作環境比較惡劣，特別是煉膠車間，粉塵、炭黑等顆粒較多，經常導致設備出現總線故障，由于Profibus-DP的本質是遵循RS485協議的，所以每當故障發生時我們還是應該利用以前我們輪胎制造設備現場總線積累下的經驗來考慮問題。本文主要以德國貝爾斯托夫內襯層生產線網絡圖為例，分析了主要Profibus-DP的故障（見圖2）。

從圖2的網絡中可以看出，該網絡包括兩條Profibus-DP總線，一條控制的是外圍的遠程I/O模塊和變頻器和溫度控制儀表，另一條控制的為柜體內部的模塊和變頻器。一共多達50多個站點，因此每個站點出現故障，均會導致該設備停機。本人從事輪胎電氣控制系統維護多年，總結下來Profibus-DP 故障及排除方法主要有以下幾種：

圖2 德國貝爾斯托夫內襯層生產線網絡圖

（1）從站接口模塊報錯（丟站）

目前從站接口報錯有兩種，一種是BF閃紅，主要是通訊故障，我們稱之為“丟站” ，原因一般為通訊接口接觸不良或接口模塊損壞。另一種是SF 報警，這個故障一般為系統故障，主要原因為接口模塊下端掛的其他功能的模塊損壞，可通過STEP7軟件進行硬件診斷，方便排除故障模塊。另外，最難處理的是通信線路上的不規則“丟站”，這種情況有一部分原因是由DP接頭造成。筆者長期從事三復合、內襯層擠出壓延等設備的網絡維修，積累了一些經驗，主要采用“分段法”處理。還是以內襯層設備為例，故障排除主要步驟如下：

首先將網絡從中間斷開，我們一般是將中間的一個分站（兩輥壓延機分站）的DP接頭終端電阻由OFF撥碼開關置于ON位置，這樣這個接頭后面的網絡就已經和主網斷開。這時觀察前一段網絡是否穩定，如果發現壓延機分站前面所有的站均不報錯，這樣就可以確定這段網絡是沒有問題的。然后我們又將網絡斷開點往后延伸了10個站后（二號工位導開站）再斷開網絡（off轉到on），發現這時網絡又開始報錯，因此，我們可以初步確定故障點就在這10個站內，然后我們在這10個站內，逐個排除，最終找到故障點。

當發現故障后，主要的處理手段主要是打開DP接頭，檢查接線問題，目前Profibus-DP接頭接法主要有兩種：

a.只有一組 Profibus-DP 通訊線與接頭連接時，這種情況是 Profibus-DP起始和終結節點的連接情況，可分別將標準Profibus-DP 通訊線中的綠色線與A1 連接、紅色線與 B1 連接，并將撥碼開關置于 on位置，連接終端電阻。

b.有兩組 Profibus-DP通訊線與該插頭連接時，這種情況是 Profibus-DP中間節點的連接情況，兩根線分別為一進一出，可分別將兩組通訊線中的綠色線與 A1、A2 連接、紅色線與 B1、B2 連接，并將撥碼開關置于 off 位置，斷開終端電阻。

在連接DP接頭時，一定注意將通訊線中的屏蔽層（金屬網和鋁箔）與插頭中的金屬片可靠連接，以消除電氣干擾。

（2）Profibus-DP接頭損壞及通訊電纜老化或過長導致線上電阻增大

Profibus-DP線路和接口模塊連接主要通過DP接頭（見圖3），而每個接頭都有一個終端電阻和兩個偏置電阻，終端電阻的阻值是220 Ω，偏置電阻390 Ω（具體內部電路見圖4），當我們發現整個線路通訊上的所有站都異常時，我們首先要考慮終端電阻是否正常。

圖3 DP接頭示意圖

圖4 終端電阻和偏置電阻電路圖

具體故障檢查及排除方法：

a. 首先把起點終端DP插頭撥碼開關撥為ON；b. 其余DP插頭全部撥為OFF ；

c. 使用萬用表歐姆檔，測量起點終端DP插頭之間3、8引腳的電阻，如電阻為220 Ω，表示起點DP插頭接線正常，否則反之；

d. 再把相鄰的DP 插頭撥為ON ，仍然測量起點終端DP插頭之間3、8引腳的電阻， 如電阻為110 Ω，表示該DP插頭接線正常，否則反之；

e. 若該相鄰DP插頭接線正常，把它撥為OFF，再把其下一DP插頭撥為ON仍然測量起點終端DP插頭之間3、8 引腳的電阻, 如電阻為110 Ω，表示該DP插頭接線正常，否則反之；

f. 重復第五步驟，直到測量起點終端DP插頭之間3，8 引腳的電阻遠遠偏離110 Ω，此時可斷定該DP插頭或DP 插頭接線有問題。

注意：測量Profibus-DP網絡終端電阻時要將所有DP終端全部從模塊上拔下，不能帶電。

（3）通訊電磁干擾

此類故障比較難于排查，根據西門子廠家設備安裝布線規范，要求Profibus-DP總線必須和高壓電器設備（特別是變頻器，直流調速器等大功率電氣設備、電纜）進行隔離，為了消除通訊干擾，在設備安裝初期，需嚴格按照施工標準進行施工，主要有以下幾個方面：

a.在配電柜內部的Profibus-DP電纜需要穿金屬纏繞管或者金屬網管進行信號隔離，同時在線槽內走線時盡量和弱電電纜同一線槽走線，

b.在外部橋架的電纜，要求橋架內部必須安裝金屬隔板，保證通訊電纜和動力電纜分開，做到有效隔離，對于信號交叉區域，考慮到接觸面價較小，如果條件不允許可以不予隔離。

c.對于每根通訊電纜兩端在從電纜橋架接到配電柜時，需用接地卡子對電纜的屏蔽層進行有效接地，以消除干擾。

d.如果是已經安裝完成的設備出現了干擾，則需要排查干擾源，特別是非本機設備的干擾，必要時進行對干擾源進行信號隔離。

e.如果在移動的場合一定要選用藍色的Profibus-DP通訊電纜，這種電纜是拖曳式柔性電纜，切記不要用紫色的普通電纜替代。

（4）通訊傳輸速率錯誤

此類故障一般很少發生，只有在設備調試初期可能會出現，一般Profibus-DP網絡設置傳輸率為1.5 Mbps，配置文件采用標準。如果網絡距離不長，在通訊中偶爾出現報故障的情況，可以臨時降低通訊傳輸效率，設為500 kbps,保證傳輸質量，但此類處理方法只用于臨時處理，治標不治本（見圖5） 。

圖5 設置通訊傳輸率

3 Profibus-DP 現場總線發展分析

目前西門子公司推出的Profibus-DP總線由于抗干擾能力比較差，故障率比較高，導致目前正在被西門子最新推出的Profinet 總線逐漸淘汰，profinet總線采用RJ45接口和目前的以太網接口通用，抗干擾能力更強，傳輸效率更快。

profibus和profinet主要參數對照見表1：

表1 profibus和profinet主要參數對照

4 結束語

profibus通訊故障一直是困擾現場電氣維護人員的難題。目前西門子的官方資料上也沒有發表過故障排除方面的標準手冊。我們只能從一些現場的故障處理經驗上提煉一些可用的信息進行整理。同時，目前也有第三方廠家推出一些故障檢測設備，如profibus tester等檢測儀，目前正在摸索和總結使用經驗。類似的產品還很多，這種診斷儀器具備檢測每個通訊站點通訊電壓功能，同時具有示波器功能，能清楚的顯示出profibus-DP段所有主從站的電氣信號質量，并以直觀地柱狀圖顯示。并具備主站仿真、拓樸掃描的功能。為現場電氣維護工程師提供了一些必要的幫助，縮短了故障排查時間。