某典型PROFIBUS DP 故障的研究与解决方案

刘希国

（山东钢铁集团日照有限公司冷轧厂，山东日照 276800）

0 引言

国内某冷轧厂推拉式酸洗线是由奥地利安德里兹公司设计调试的一条带钢酸洗线，电气自动化系统采用西门子S7-400 PLC、传动系统采用西门子S120 变频器，PLC 与变频器之间采用PROFIBUS DP 的通信结构，是一种典型的控制结构，在多数的工业自动化控制中应用比较广泛。该结构优点突出，但其缺点也是显而易见的，通信故障是该结构最大的致命问题，该故障原因复杂，排查难度大，往往会给生产带来严重的影响。该产线在投用之初，由于产量任务少、作业率底，设备问题并未暴露出来，但投用一年后，随着作业率的不断提升，设备问题逐渐暴露，年通信故障次数多达45 次，平均每个月3.75 次，总故障时间2350 min。此间采取了多项措施，通过不断的分析和尝试，最终从根本上解决了问题。本文重点论述了针对通信故障所产生的因素及采取的解决方案，希望给大家提供一种解决思路。

1 问题描述

自2020 年9 月份酸洗线满产以来，多次发生因传动柜DP网络故障导致的产线快停。仅9 月份，因DP 网络共发生7 次停机，造成停机时间超过900 min。故障没有规律，随机出现，很难锁定故障原因。尝试更换DP 通信插头、通信电缆、变频器CU控制单元、处理通信电缆的屏蔽等，均未能解决问题。频繁的停机严重制约着酸洗线的产量，容易造成钢卷过酸洗使酸洗卷品质降低。

2 原因分析

通信网络故障的原因复杂，对网络故障的相关研究和文献有很多，结合现场实际情况，对网络故障的原因进行分析，主要有以下4 个：

（1）原网络为DP 整体串行在同一网段。从PLC 段到最后一个远程站的网络布置均使用同一条线路走向，中间设置2 个中继。任意站点出现问题，就容易引起整片网络故障或无规则网络故障，查找故障点非常困难。存在一个小故障引发一片大故障的情况。

（2）PLC 的ET200 远程站同变频器的CU 单元在同一段网段内。经过几次测试发现，ET200 站相较CU 单元更易受到干扰，且变频器与PLC 的控制电源用的是同一个电源，存在干扰。

（3）变频器整流单元的CU 单元同其他CU 单元在同一网段内。当整流单元的CU 收到干扰后会造成全线停电，对电气设备、现场设备均有较大的影响，存在发生较大事故的概率。

（4）开卷机、卷取机、平整机等大功率变频器的CU 单元同其他CU 单元在同一网段内。大功率变频器电流波动较大，相较小功率变频器更易引起干扰。

3 实施方案

3.1 解决信号干扰问题

解决信号干扰问题，重新对电气柜的接地系统进行检测确认，敷设新的接地电缆，确保接地系统可靠。将电气柜内的通信电缆路径重新规划敷设。可靠的接地是消除干扰的重要保障，为此，将动力电缆接地与通信电缆的接地进行柜内分离，避免相互干扰。

3.2 网络拓扑结构优化

对网络拓扑结构进行优化，将原来的串行结构改成多路并行结构，将不同类型设备进行分组，避免相互影响（图1、图2）。

图1 改造前的网络拓扑

图2 改造后的网络拓扑

图1 中的网络拓扑结构是一种串行结构，其缺点是网络中任何一个出现故障，就可能会导致整个网络出现故障，且故障点很难锁定。在实际应用中，类似故障频繁发生，且报警站点无规律，常规的判断方法不能很快找到故障点，往往需要很长时间排查故障，方法是更换通信插头、通信电缆、通信模块等。在网络结构上主要采取以下措施：

（1）串行网络改为并行网络，利用5 通道HUB 将串行网络分解为并行网络方式。

（2）不同网段间进行信号隔离，一定距离后增加信号放大功能。合理利用博森泰克HUB 的信号隔离、信号放大等功能。

（3）将该网段内ET200 站单独规划为一个网段。

（4）通过增加网段的方式尽量减少负载干扰的影响。在控制系统中，往往存在很多具备储能特性的负载，由于没有加装信号隔离装置或者浪涌吸收器，当控制出点切换时将会产生高于电源电压数倍甚至数十倍的反向电动势，对系统中的相关设备产生较大冲击。采用将网段细分的方法，将可能存在问题的一些设备分离到各网段中，尽可能减少负载的干扰影响。

（5）将整流CU 单元单独作为一站，保障全作业区变频等设备的总电源安全。尽量避免其他原因造成的DP 故障影响到整流的停送电，从而使冷轧部区域电流波动在正常范围，同时降低设备因为电源原因造成的损坏。

（6）调整大功率变频器分布到不同网段或者单独作为一个新网段。

（7）规避DP 线缆附近电流、电压干扰。

（8）线路调整、减少干扰。通过测试不同线路走向时的信号干扰情况，重新布置网络的走向，规避存在或可能存在的干扰源。

（9）为DP 网络独立铺设钢管作网络屏蔽处理，降低外界对网络的影响。

改造后的网络拓扑结构如图2 所示，采用为多路并行结构，PLC 与变频器、ET200 之间的通信通过HUB 分成并行的多路，本案例中采用了5 路。多路并行结构的特点是减少了整个的网络负载，5 路通信并行互不影响，能够缩小故障影响范围，快速锁定故障点，而且HUB 本身具有信号隔离与放大功能，提高网络的信号质量，大大提高了网络的稳定性（图3、图4）。

图3 改造前的网络信号检测

图4 改造后的网络信号检测

3.3 电源分离

将PLC 的电源与变频器的控制电源进行分离，避免电源之间存在的干扰。由于2 个系统的电位存在差异，且PLC 系统受外部信号的影响较大，当外部负载发生异常时，24 V 电源产生波动，变频器的控制电源也会受到影响，可能会导致变频器控制板损坏，引发通信故障。

3.4 程序优化

程序优化，增加滤波功能。通信故障往往表现为瞬间的闪断，一般在1 s 内很快就恢复正常。网络瞬间闪断会造成产线快停甚至急停，影响较大，恢复系统需要较长时间，严重影响生产的正常运行。通过评估，通信瞬间的闪断，如果不触发快停或急停，并不会造成大的影响，生产也能正常运行。基于这种思路，优化控制程序，增加通信闪断的滤波功能，将瞬间的闪断给滤掉。

3.5 增加隔离变压器

给控制电源增加隔离变压器，使一次侧与二次侧的电气完全绝缘，也使该回路隔离。另外，利用其铁芯的高频损耗大的特点，抑制高频杂波传入控制回路，消除谐波的干扰。

4 效果分析

（1）通过对接地系统进行重新优化，故障发生的范围及通信故障发生的次数有所降低，但效果不明显，未能从根本上解决问题。

（2）通过改造网络的拓扑结构，将网络由串行结构改成并行结构，通信故障次数明显降低，效果显著。一方面是由于并行结构，缩小了故障产生的范围；另一方面由于HUB 具有的隔离放大功能，增强了通信信号的强度，降低了因网络传输距离所产生的衰减。

（3）PLC 与变频器之间的电源分离及隔离变压器的引入，有效的解决了电源之间的相互干扰及电网中的谐波对控制电源的干扰，降低了谐波对电路产生的损害。最明显的效果是变频器CU 控制单元的损坏率显著降低，改造前因变频器CU 控制单元损坏造成的故障不断，改造后未再发生过控制单元损坏的情况。

（4）对程序进行优化。虽然不能从根本上解决通信问题，但可避免通信闪断引发的不必要的报警，大大减少停机时间。从实际运行的情况来看，效果良好。

5 结语

通过对一起典型PROFIBUS DP 故障的研究和分析，制定方案，进行改造优化，最终彻底解决系统故障。对于解决网络故障问题，可得出如下结论：

通信故障的成因是复杂多样的，涉及硬件、软件、网络结构、电磁干扰、现场因素等5 个方面，要综合分析，从这5 个方面着手逐步排查。为避免这些故障的产生，在最初的设计和施工中就应该要充分考虑这些因素，合理的对网络系统进行配置。

在工业控制网络设计中，要对网络结构进行合理的配置，尽量避免串行结构，将所有设备都串在一个网络中，最好采用多路并行结构，用HUB 将不同类型的设备分别配置在并行的多路网络中。同类型的设备配置在一个网络中，对生产影响不大的设备配置在同一个网络中，能缩小故障范围，便于快速锁定故障点；对生产影响不大的设备即便发生通信故障也不会对生产造成影响。加爵通信故障的关键点在信号的干扰方面，要解决干扰问题，需要考虑接地的问题，电磁干扰的问题，谐波干扰的问题。不同系统之间的隔离是非常必要的，设计中要尽量对不同系统的电源进行隔离，必要的地方要增加隔离变压器和相应的滤波设备。