浅析现场总线在环境与设备监控系统中的应用与故障处置

倪瑾

摘 要：介绍了现场总线的定义和结构特点，两种流行现场总线（ControlNet和PROFINET）在无锡地铁环境与设备监控系统中的应用，并进行现场总线故障诊断和常见原因，分析现场总线故障确定方法，查找故障原因，进行故障处理，提高现场总线系统运行的稳定性，并提高现场总线系统的稳定性和完善性、为总线错误处理速度提供技术支持。

关键词：现场总线定义;应用;故障分析

0 引言

简单、可靠、经济和实用的现场总线（Fieldbus），近年来已在许多情况下得到应用。国内广州地铁、南京地铁、上海地铁、深圳地铁等环境与设备监控系统中均有现场总线的运用，目前无锡地铁一、二号线环境与设备监控系统（BAS系统）采用的是ControlNet现场总线，三号线采用的是PROFINET现场总线。

1 现场总线的定义和结构特点

根据国际电工委员会对IEC61158标准的定义，现场总线是指在制造或处理区域中安装的现场设备与控制室中的自动控制单元之间的数字，串行和多点通信数据总线。

典型的现场总线网络仅使用7层模型（也称为OSI模型）中的三层，即物理层，数据链路层和网络层。

2 在无锡地铁环境与设备监控系统中的应用

2.1 ControlNet现场总线

无锡地铁1号线和2号线的BAS系统使用的是AB公司的ControlNet现场总线。借助ControlNet总线，将OSI七层模型中的物理层与数据链路层相融合，多个控制器可以共存且支持输入数据的多路传输，大大减少了网络流量，大大提高了网络效率和网络性能。

无锡地铁1号线和2号线每个车站A、B两端组成冗余的双环网结构，主要为ControlLogix PLC与RI/O以及通讯网关AB7006之间通过冗余的ControlNet现场总线相连，构成BAS网络，实现数据通信。其中RI/O包括给排水、照明配电、传感器等接口，通讯网关包括变频器、智能低压、电扶梯、EPS等接口。A端与B段之间同样用一段Controlnet现场总线连接，从而使整个车站的BAS系统网络贯通连接。

2.2 PROFINET现场总线

无锡地铁3号线的BAS系统采用的是西门子公司的PROFINET现场总线，PROFINET保持了Profibus的开放性，优化了OSI  7层模型的第二层数据链路层，通过不使用IP地址寻址，而是使用接收设备的MAC地址来确保网络的实时性能。

无锡地铁3号线每个车站A、B两端组成冗余的三环网结构。三个环网彼此相互独立，A 端环网出现故障不会影响 B 端环网数据，B端环网不会影响 A 端环网，冗余 PLC 控制器环网出现故障不会影响A，B 端环网数据，以达到数据的安全性和可靠性。

3 故障分析

目前一、二号线的ControlNet总线系统自开通运营以来，通信一直比较稳定，但随着设备投入使用年限的增长，现场总线出现的故障愈加频繁;三号线的PROFINET现场总线系统伴随着三号线的开通也将面临着运营的考验。现将调试和运营过程中的一般常见现场总线系统通信故障进行了汇总和分析。

3.1 硬件故障

（1）硬件损坏。硬件设备的质量是保持现场总线通信稳定的基础。总线模块稳定性很高，可一旦主、备模块均损坏，则A、B通道都会受损，所连接的机电接口设备都无法监控。当分支线缆发生故障时，那对应单个通道的通訊会受到影响。终端电阻可以消除通信电缆中的信号衰减，当发现无法扫描全部总线设备或者发生通信时好时坏的故障时，就可检查终端电阻是否损坏或遗失。

（2）电缆敷设问题。电缆敷设的好坏关系到总线信号的质量，项目建设初期，工人因为施工经验不足，导致线缆弯曲半径过大，都会导致终端设备的通信故障。

（3）未作好屏蔽接地。电磁干扰对现场总线传输的数字信号影响甚大，项目建设初期，就一定要做到总线系统和设备接地，现场总线屏蔽在系统端单点接地。

3.2 软件故障

（1）程序丢失。程序的丢失这类故障是现场总线故障中情况最为严重的故障，这故障发生后，所有接口设备都将无法监控，需要在第一时间使用程序软件加载备份程序上去。

（2）数据突然离线。现场运维人员日常巡检时，突然发现某远程模块箱的数据离线。需要立即通过通讯管理软件登录，在其中查询该远程I/O的节点，当找不到时候，表明网络连接确实已丢失。当确定同轴电缆或连接器无问题时，可重新进行网络规划进行故障恢复。

4 提升措施

（1）从前期施工中要注意远离干扰、做好屏蔽和加强培训。要做到现场总线电缆和电源电缆缆放在各自桥架中，当确有困难时，可考虑中间使用隔板;屏蔽好现场总线设备和电缆;加强对现场人员的培训，规范安装流程，缆线的布放正确并在两端配备端子号，方便后期排查检修。

（2）运营维护中要注意，加强运维人员的巡查力度，提升人员的专业素养，对总线软硬件设备认识深刻，对总线故障有充足的预判，第一时间消除对正常运营的影响。

5 总结

现场总线系统技术目前已经逐步成熟，尤其是无锡地铁一、二号线的总线系统运营一直比较稳定。但是总线故障的判断在实际应用中，尤其是遇到一端网络上有多个节点时或者当远程模块箱处于区间时，排查工作将会复杂又耗时还需要请点施工。这时可以考虑开发一款可以快速判断总线故障的程序软件，方便现场检修人员能在第一时间查出问题症结所在，这是后续研究的方向。

参考文献：

[1]佟为明.ControlNet现场总线技术[J].微处理机，2005（2）：59-61.

[2]李正军.现场总线及其应用技术[M].北京：机械工业出版社，2005.