PROFIBUS-PA現場總線與DCS融合的控制系統故障檢查與處理

童祖濤

(云南磷化集團海口磷業有限公司，云南 昆明 650113)

PROFIBUS-PA 是一種用于自動化控制系統和現場儀表、執行器之間的串行通訊系統。它以符合國際標準的PROFIBUS-DP為基礎，增加了PA總線應用行規以及相應的傳輸技術，使現場總線PROFIBUS不僅能用于離散制造業，也能夠滿足各種過程工業對控制的要求。PROFIBUS-PA現場總線的優勢之一是：在生產現場，總線型現場設備按照不同的網絡結構進行連接，并由總線直接供電，不再需要額外的供電電源[1]。另外，由于采用總線連接設備而節約了大量的電纜、電源箱、配電柜、匯線槽、接線柜、端子箱、安全柵或隔離電路，也不再需要傳統的I/O模塊，因此將節省一筆可觀的費用。DCS作為一種安全成熟可靠、結構靈活多樣的控制系統已被工業控制領域廣泛采納。將兩者融合使用，即保證控制系統的可靠性又獲得豐富的設備信息，并給工業控制領域帶來更多便利。

我公司的 60萬t/a II硫磺制酸裝置就是使用ABB(德國)公司的AC800F控制系統，采用傳統IO站+PROFIBUS-PA總線的集成方式。自裝置建成投產以來，該系統的穩定性不理想，從2012年10月份開始，該套DCS系統頻繁出現PROFIBUS-PA總線通訊故障，監控畫面數據回“0”現象，嚴重時導致系統故障重啟，生產裝置聯鎖動作跳停，已經嚴重影響生產裝置的穩定運行。儀表專業技術人員通過一系列技術改造，最終消除了監控畫面數據回“0”的故障。

本文針對PROFIBUS-PA現場總線與DCS融合的控制系統故障檢查分析和處理進行具體說明，特別介紹了利用手持式FieldConnex總線診斷設備FDH-1排查總線故障的方法，希望對PROFIBUS-PA總線在DCS中的調試和維護工作起到一定的指導作用。

1 系統簡介

60萬t/a II硫磺制酸裝置使用ABB(德國)公司的AC800F控制系統，采用傳統IO站+PROFIBUS-PA總線的集成方式。S800為傳統IO站，有一套完整的IO模塊；PM803F為DCS的冗余現場控制器主單元，其中的FI830F為冗余PROFIBUS-DP V1 現場總線通訊模件，HS840為PROFIBUS-DP/PA耦合器，PL810為PROFIBUS-PA總線供電模塊，通過它們將PROFIBUS總線設備與DCS完美融合。該系統使用了2塊FI830F和2塊HS840，10塊PL810分成10條PA總線網段，采用了樹型與線型的組合總線拓撲結構，下掛27個PA總線分線盒接入113臺現場PA總線儀表設備，最終實現對該套生產裝置各工藝參數的監視、控制、報警、聯鎖保護、歷史記錄等功能。圖1是控制系統配置簡圖。

圖1 系統配置圖

FI830F模塊作為PM803F與PROFIBUS-DP的接口，在PROFIBUS-DP網絡中以主站的形式存在，同時兼備協議轉換、數據轉發的功能。從控制器主控單元到就地從站設備之間經過了PROFIBUS-DP/PA耦合器、PROFIBUS-PA總線供電模塊、PA總線分線盒及PROFIBUS-PA總線電纜組成的通訊網絡進行數據交換，在這中間的哪一層出現問題，都會直接影響到DCS的監控結果。PROFIBUS-PA自身有著嚴格的技術規范要求，但實際在建設、使用過程中，并不能完全滿足這些規范，使用現場的環境一般比較復雜，存在很多不定因素，因而對通訊故障原因的排查具有一定難度。

2 故障檢查及處理

2.1 故障現象

故障1，在生產裝置正常運行2到3年后，DCS系統所有操作電腦突然大部分流程圖數據無顯示(為紅××)；查看系統硬件狀態，兩臺冗余控制器頻繁自動切換，系統報警信息出現從設備不存在報警。嚴重時導致生產裝置因聯鎖動作跳停。

故障2，在生產裝置正常運行時干燥、吸收流程圖畫面中經常出現數據回“0”現象，將F2下的第4、第5 條PROFIBUS-PA總線網段供電模塊PL810斷電重啟后恢復正常。

故障3，在生產裝置正常運行中，當現場有檢修工作電焊作業或使用對講機時，經常出現監控畫面數據回“0”現象，嚴重時導致系統故障重啟，生產裝置聯鎖動作跳停。將相應PROFIBUS-PA總線網段供電模塊PL810斷電重啟后才能恢復正常。

故障4，在生產裝置正常運行時，突然出現某個總線分線盒上的所有點在監控畫面數據回“0”現象，將相應PROFIBUS-PA總線網段供電模塊PL810斷電重啟后也不能恢復正常，在陰雨天尤為明顯。

故障5，在生產裝置正常運行時，一個或幾個溫度測點經常出現監控畫面數據長時間保持不變現象，將溫度變送器斷電重啟后恢復正常。

2.2 故障原因分析與處理

對于故障1，通過近5年來的研究、實踐發現造成此類故障的原因為PROFIBUS-DP通訊故障，DCS系統的柜內使用PROFIBUS-DP接頭因環境氣體腐蝕損壞所致。根據EIA RS-485標準(也稱為H2)一個總線段內的導線是屏蔽雙絞電纜，段的兩端各有一個終端器，終端電阻是為了消除在通信電纜中的信號反射，當信號出現反射時，整個網絡數據就會混亂，最后導致DP站點通訊故障[2]，如圖2所示。

圖2 RS-485總線段的結構

檢查時，首先將整條總線的所有PROFIBUS-DP接頭拔出設備，用萬用表測量總線上的回路電阻值，理論上電阻值在110Ω左右就沒有問題。對于此類故障需要周期性更換為防腐蝕涂層的PROFIBUS-DP接頭，以每三年更新一次為最佳。

對于故障2，通過對系統的PROFIBUS-PA總線配置、布局進行調查發現：第二條PROFIBUS-DP總線下的第四、五條PROFIBUS-PA網段測點相對較多，有6個測量點的PROFIBUS-PA電纜從分線盒到現場儀表布線已經超過40 m。PROFIBUS-PA總線配置、布局情況見表1。

表1 PROFIBUS-PA布局表

根據IEC 61158-2定義的電纜長度與分支連接設備的數量的對應關系(A型電纜)：及PROFIBUS-PA應用技術手冊的規定，詳見表2與表3。

表2 電纜長度與分支連接設備的數量的對應關系表

表3 分支電纜建議長度表

造成該故障的原因是PROFIBUS-PA總線配置、布局存在問題，需要對總線布局和規劃進行優化。通過在第一條PROFIBUS-DP總線F1下新增一套PROFIBUS-DP/PA耦合器、PROFIBUS-PA總線供電模塊，將第二條PROFIBUS-DP總線F2下的第二條PROFIBUS-PA網段移到F1下，進行負荷調整；根據現場儀表分布情況將F2下的第四、第五條網段中分別新增一個PROFIBUS-PA分線盒，將分支電纜超過 40 m 的6個測量點重新布線，更換電纜，使所有的分支電纜不超過 30 m[3]。改造完成后故障現象消除，經過1年多的觀察效果良好。

對于故障3，經過近9個月以來的研究、實踐發現，造成該故障現象是由于PROFIBUS-PA總線中的屏蔽對地的絕緣不好導致。詳見下面表4中每條PROFIBUS-PA總線通訊電纜的檢查數據。

表4 各PA網段通訊電纜電阻檢測表

導致PROFIBUS-PA總線中的屏蔽對地的絕緣不好的原因有：

1)現場的PROFIBUS-PA總線電纜的外層絕緣套破損，導致電纜屏蔽層與金屬穿線管形成多點接地。

應對措施：對每條PROFIBUS-PA總線進行通訊電纜檢測，將絕緣不好的通信電纜進行逐一更換。

2)原有現場PROFIBUS-PA總線分線盒的短路和過載保護功能不能滿足現場環境使用要求。

現場使用的PROFIBUS-PA總線分線盒為德國圖爾克的JBBS-48SC-T615/3G，圖3為該接線盒的內部接線圖：

圖3 接線圖

分線盒里面的屏蔽線的接地為：主干線、分支均和機殼通過一個電容接地，現場使用環境中經常出現電容被擊穿，導致主干線和分支屏蔽線出現多點接地，對一整條PROFIBUS-PA總線通訊造成干擾。

應對措施：將現場原來使用的德國圖爾克PROFIBUS-PA總線分線盒更新為德國P+F公司的F2-JBSC-6.PA.CGS型現場總線儀表分線盒。通過近2年的實踐，該現場總線儀表分線盒具有良好的短路和過載保護功能，能滿足現場環境使用要求。圖4為該接線盒的內部接線圖。

圖4 接線盒的內部接線圖

分線盒里面的屏蔽跳線：PA與T之間的跳線需要拆除(主干線與機殼接地)，PA和S(分支與機殼接地)之間的跳線需要拆除，拆除以后則主干線和分支均不和機殼接地了，機殼的接地為保護接地。將T和S連接起來，則分支與主干線的屏蔽連接起來了，這樣主干線進入控制室以后由PL810輸入進行總接地，從而保證了等電勢接地。改造完成后故障現象消除，經過1年多的觀察效果良好。

對于故障4，造成的原因為該PROFIBUS-PA總線分線盒接入的分支線中存在短路，排查方法為將各分支電纜由分線盒端子拆下，用萬用表逐一檢測，找出短路的分支，再對短路的分支電纜進行檢查，多為電纜進出穿線管處破損所致，更換受損電纜就能將問題解決。

對于故障5，造成的原因為現場使用的PROFIBUS-PA總線溫度變送器因使用年限長，電子元器件的老化，性能不穩定。應對措施：更換總線溫度變送器就能消除故障。因PROFIBUS-PA總線采用數字化位同步的數據傳輸，數據傳輸速度為 31.25 kbit/sec 以及防錯的起止界定符，信號電壓為 0.75 V～1 V。不同于傳統的4-20 mA 的模擬技術，利用萬用表無法檢測出PROFIBUS-PA總線設備出現問題，借助手持式FieldConnex總線診斷設備FDH-1就能方便快速的檢測出具體是哪塊PROFIBUS-PA總線設備出現問題。

2.3 利用手持式FieldConnex總線診斷設備FDH-1排查總線故障的方法

為了快速方便地排查、排除PROFIBUS-PA總線故障，我公司于2016年3月采購了一臺倍加福公司(Pepperl+Fuchs)生產的手持式FieldConnex總線診斷設備FDH-1，如圖5。

圖5 FDH-1

借助它排查總線故障的方法有兩種方式，一種是直接將FDH-1裝上測試接頭，連接到現場總線網段中，通過FDH-1上的各功能按鍵完成現場總線各網段的檢測，根據實時檢測數據排查故障，此方法本文不作介紹。另外一種是在一臺電腦上安裝配置的軟件FDH-1 Manager，將FDH-1檢測出來的現場總線各網段數據導成測試報告來分析排查故障或打開實時檢測數據畫面進行分析排查故障[4]，如圖6所示，本文針對這種方法進行介紹。

圖6 接線圖

將設備按圖6接線后，在電腦中打開軟件FDH-1 Manager，點擊設備FDH-1，在彈出的操作畫面中點擊“Measurement”進入實時檢測數據畫面如圖7。

圖7 測量參數

下面對測量出的總線網段各參數進行詳細說明：

其中的Voltage指的是網段電壓，正常應該在9～32V之間，超出將導致整條網段工作不正常，上面掛的所有測點無顯示。

Unbalance指的是網段不平衡度，正常應該在 -60%～60%之間，若<-84%，多為PROFIBUS-PA總線電纜中的“-”信號線與屏蔽線短路；若>84%，多為PROFIBUS-PA總線電纜中的“+”信號線與屏蔽線短路。不平衡的影響之一就是降低抗噪音的能力。

Noise指的是網段噪音，正常應該≤50 mV，越小越好，若>100 mV，為網段上有干擾信號。若測量的網段上只有一個或少數幾個地址的噪音值>100 mV，問題一般在分線盒或單臺現場總線設備上；若測量的網段上所有地址的噪音值都>100 mV，則為PROFIBUS-PA總線電纜有問題。網段不平衡度的影響之一就是降低抗噪音的能力，發生短路的現場總線設備的地址在測量中噪音值都>100 mV，這對于故障排查的指向性非常重要。

Jitter指的信號畸變，是物理層非常重要的一個參數。就是信號波形實際跨0點的時間(“zero crossing point”)偏離理想的時間的幅度。正常應該<=2.4 μs，越小越好，若>3.2 μs，則為PROFIBUS-PA總線電纜老化或使用了不合適型號的電纜，必須更換電纜。

Signal Level minimum/Signal Level maximum指的信號幅值。正常應該在400～1200 mV 之間，超出說明PROFIBUS-PA總線回路中的終端電阻有問題。若>1200 mV，為PROFIBUS-PA總線回路中首末端的終端電阻至少缺少一個；若<200 mV，為PROFIBUS-PA總線回路中有3個或更多的終端電阻。

實例：2016年4月18日，DCS系統監控畫面中的轉化器畫面上大部分數據出現回“0”現象。圖8為F1下的第四條PROFIBUS-PA總線網的測量數據，發現其中的網段不平衡度和網段噪音都出現超限，16個現場總線設備地址中的36、37、38的網段噪音出現超限，其他均正常，通過查看圖9網段配置圖發現這三個點均在同一個PROFIBUS-PA總線分線盒內，直接到現場檢查該總線分線盒，故障為因下雨分線盒內進水所致，更換這個總線分線盒后故障消除。

圖8 測量數據

圖9 網段配置圖

FDH-1可以在PROFIBUS-PA總線網段的任意位置接入檢測，不會對系統運行造成影響，不需要生產裝置停車，出現問題可方便快速的排查故障，提高故障處理速度。

3 總結

通過現場使用過程中對大量故障問題的排查處理和實踐經驗，可以看出，PROFIBUS-PA總線自身有著嚴格的技術規范要求，在實際的工程項目建設過程中，并不能完全滿足這些規范，這就導致了在后續的生產裝置運行中，PROFIBUS-PA總線的整體性能受到影響，出現通訊不穩定、數據頻繁出現回“0”現象，甚至通訊中斷等故障。這些故障常常會影響控制系統的正常工作，如果不能及時處理，將對生產造成嚴重的影響。我們在現場診斷故障時，應著重檢測以下幾項。

1)檢查總線電纜接頭。檢查插頭本身以及內部的連接情況，看是否有損壞、虛接，A/B(綠/紅)線是否存在反接，屏蔽層是否完全接觸金屬部分、是否暴露在插頭外面、是否與A/B線有接觸。如果現場使用環境存在腐蝕性氣體的存在，建議周期性更換總線電纜接頭。

2)檢查總線終端。檢查總線終端電阻的設置與網絡拓撲圖是否一致，設置是否正確，系統中是否連接了有源終端。終端電阻的設置原則是在一個物理網段的兩端需要設置終端電阻，中間站點不要設置終端電阻。

3)檢查屏蔽和接地。屏蔽在通訊中有著至關重要的作用，因為工業現場的電磁兼容環境比較惡劣，往往會對通訊造成較大的影響，因而通訊電纜要求有良好的屏蔽并做接地處理。實踐發現對于PROFIBUS-PA總線電纜的屏蔽線要避免出現現場多點接地的情況，要進行等電勢接地，否則會導致屏蔽層電流產生，形成干擾，最好所有PROFIBUS-PA總線設備統一使用系統柜內的系統接地。

4)檢查布線情況。通訊電纜應盡可能遠離強的干擾源(例如較大的用電設備、電源線、變頻器等)。動力電纜盡量不要與通訊電纜及信號電纜長距離平行布線，如果無法避免，也應盡量將使用金屬隔板或盡量遠離。根據IEC 61158-2定義的電纜長度與分支連接設備的數量的對應關系(A型電纜)，分支電纜長度不超過 30 m。

由于PROFIBUS-PA總線采用數字化位同步的數據傳輸，數據傳輸速度為31.25kbit/sec以及防錯的起止界定符，信號電壓為0.75～1 V，不同于傳統的4-20 mA 的模擬技術，利用日常工作中熟悉的萬用表無法檢測出PROFIBUS-PA總線故障問題之所在，PROFIBUS-PA總線畢竟為新技術，維護人員往往缺乏處理的經驗，一旦出現故障，常常摸不到頭緒，我們要勇于和善于創新地使用專業總線診斷設備來快速方便地排除PROFIBUS-PA總線故障。建議每次生產裝置停車檢修時，使用總線診斷設備來對所有PROFIBUS-PA總線網段進行檢測，做到預防性維護，減少事故檢修。