畢延軍，楊國新，宮林祥

1 前言

PROFIBUS是Process Field Bus的簡稱，是按ISO/OSI參考模型制訂的現(xiàn)場總線標準[1]。目前該協(xié)議已應用的領(lǐng)域包括加工制造、過程控制和樓宇自動化等。中鋁山東第二氧化鋁廠在應用PROFIBUSDP現(xiàn)場總線通信協(xié)議中，由于安裝布線不規(guī)范，加上現(xiàn)場維護手段不到位等情況，隨著運行年限的增加，頻繁出現(xiàn)ProfiBus總線設(shè)備掉線、閃斷等故障，導致東區(qū)過濾工段控制網(wǎng)絡故障停車事故。對PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡進行優(yōu)化，以達到減少總線網(wǎng)絡故障、降低宕機時間、精簡系統(tǒng)維護成本的目的。

2 現(xiàn)場檢測

使用PROFIBUS通信診斷工具ProfiTrace對山東第二氧化鋁廠東區(qū)過濾工段的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡進行詳細檢測。DP總線網(wǎng)絡直線拓撲結(jié)構(gòu)通信前、中、后取3個接入點，監(jiān)測優(yōu)化前差分信號波形見圖1；DP總線網(wǎng)絡直線拓撲結(jié)構(gòu)通信前、中、后取3個接入點，第一行為A線對地信號波形，第二行為B線對地信號波形，上下對應監(jiān)測AB線對地信號波形見圖2；DP總線網(wǎng)絡通信中間接入點，監(jiān)測優(yōu)化前節(jié)點電壓值棒圖見圖3。

圖1 優(yōu)化前差分信號波形

圖3 優(yōu)化前節(jié)點電壓值

從示波器波形顯示中可以發(fā)現(xiàn)，不論是差分信號還是AB線對地信號，都與標準的PROFIBUS-DP波形相去甚遠，信號波動劇烈，產(chǎn)生嚴重畸變。同時節(jié)點電壓相比于標準的5 V電壓值來說，存在普遍偏離的現(xiàn)象。

上述狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果，證明網(wǎng)絡通信質(zhì)量較差，對生產(chǎn)的安全穩(wěn)定運行帶來較大的風險隱患，使得通信出現(xiàn)閃斷，嚴重時會使網(wǎng)絡設(shè)備誤動作或設(shè)備跳停，妨礙正常生產(chǎn)運行。因此，為了提高系統(tǒng)的安全可靠性，必須對原有控制總線網(wǎng)絡進行優(yōu)化整改，解決已有的通信故障隱患。

3 PROFIBUS網(wǎng)絡通信優(yōu)化及效果

根據(jù)檢測結(jié)果，提出PROFIBUS網(wǎng)絡通信優(yōu)化計劃書，具體實施內(nèi)容如下：1）召開項目調(diào)度會，明確工作的內(nèi)容和相關(guān)工作的負責人；2）確認PROFIBUS-DP網(wǎng)絡優(yōu)化方案；3）在進行網(wǎng)絡優(yōu)化前，對原來的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡通信狀況進行檢測；4）PROFIBUS-DP網(wǎng)絡通信線纜敷設(shè)滿足該總線安裝規(guī)范；5）新敷設(shè)的通信線纜因在動力線電纜槽中，特加裝金屬屏蔽軟管，減少EMI干擾；6）設(shè)備安裝，包含接插件和電源設(shè)備的安裝和電源線的敷設(shè)；7）理順PROFIBUS-DP網(wǎng)絡線纜走向標注標識；8）對15臺左右接線不規(guī)范的PROFIBUS-DP總線連接器重新進行連接；對原來劣化的5臺PROFIBUS-DP總線連接器進行更換；9）對優(yōu)化后的系統(tǒng)和設(shè)備進行上電單機聯(lián)機調(diào)試。

3.1 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化

首先從控制系統(tǒng)總線網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)上進行優(yōu)化?？刂葡到y(tǒng)原有的總線型拓撲結(jié)構(gòu)為DCS系統(tǒng)PB總線通訊下掛30臺ABB變頻器，現(xiàn)使用帶有分支功能的隔離中繼器，將原來的直線型結(jié)構(gòu)變?yōu)樾切头种ЫY(jié)構(gòu)。優(yōu)化后的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后PB現(xiàn)場總線系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

3.2 安裝與布線規(guī)范優(yōu)化

網(wǎng)絡改造之后，根據(jù)實際情況，需對原來部分設(shè)備進行更換，同時增加一批新的功能性設(shè)備。更換PROFIBUS-DP總線連接器進出線連接順序15臺，ABB變頻器連接PROFIBUS-DP總線連接器30臺。增加PROFIBUS-DP隔離優(yōu)化修復模塊1臺，雙電源有源終端電阻5臺，24 V直流電源12臺，空氣開關(guān)12臺，PROFIBUS-DP總線連接器36臺，其中30臺替換原連接器。

3.3 EMI屏蔽隔離

首先，將PROFIBUS-DP站點3樓的30臺ABB變頻器設(shè)備進行分段隔離透明傳輸，將原來的網(wǎng)絡隔離為5路，避免了設(shè)備之間形成通信串擾，并對傳輸信號進行了修復；其次，依據(jù)DP安裝與布線規(guī)范對新增電纜鋪設(shè)走向、距離、折彎、屏蔽、接地做了處理。為了加強對干擾信號的屏蔽性能，新敷設(shè)的PROFIBUS-DP通信電纜全部穿金屬軟管，并單獨敷設(shè)，使其遠離動力線纜，改造完善了DP線路EMI屏蔽隔離，這樣可以有效避免EMI干擾問題。此外，發(fā)現(xiàn)部分站點的進出線順序不規(guī)范，對其通信線的進出順序進行優(yōu)化調(diào)整。

3.4 優(yōu)化效果

對網(wǎng)絡優(yōu)化后整體的通信狀況進行了DP總線網(wǎng)絡通信任意接入點監(jiān)測，優(yōu)化后差分信號波形均為標準規(guī)范方波,如圖5所示，其中方波上升沿和下降沿尖峰為測試工具ProfiTrace短接線造成，非系統(tǒng)本身干擾。

圖5 優(yōu)化后差分信號波形

從圖5站點的通信波形發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后原來圖1網(wǎng)絡中存在的各種故障波形全部消除，在整個系統(tǒng)范圍內(nèi)取任意測量點得到的通信波形都更加標準規(guī)范，符合正常通信質(zhì)量要求，原來受到干擾引起的劇烈抖動也得到最大限度的修復。

從圖3和圖6優(yōu)化前后節(jié)點電壓值棒圖對比也可以明顯看出優(yōu)化后各個節(jié)點電壓值更穩(wěn)定一致。優(yōu)化后的站點通信電壓明顯比優(yōu)化前有所提高，符合正常的通信值。正常的節(jié)點電壓，更有助于對干擾的抑制作用，同時可以解決在傳輸過程中產(chǎn)生的信號衰減問題。

圖6 優(yōu)化后節(jié)點電壓值

通過上述的對比可以看出，優(yōu)化后的網(wǎng)絡通信質(zhì)量更好，站點的通信電壓更標準穩(wěn)定，符合PROFIBUS通信規(guī)范的要求，且網(wǎng)絡抗干擾的能力更強，可以實現(xiàn)正常安全可靠高質(zhì)量通信的目的。

3.5 后期維護

1）判斷故障點。優(yōu)化后網(wǎng)絡分成了相互隔離透明傳輸?shù)?個總線分支網(wǎng)段，在隔離修復器上每段都有獨立的故障診斷燈?？筛鶕?jù)故障燈的狀態(tài)，判斷該段是否有故障存在，這就極大地縮小了排故的范圍；建議使用PROFIBUS故障在線檢測模塊COMBricks，可以遠程對網(wǎng)絡狀態(tài)全面監(jiān)測，可視化更加直觀。

2）在線監(jiān)測網(wǎng)絡優(yōu)化健康狀態(tài)。具體措施：在隔離優(yōu)化修復模塊分支隔離網(wǎng)段通道上加裝5臺COMBricks在線監(jiān)測模塊；通過遠程增設(shè)監(jiān)控站進行在線實時監(jiān)控各分支總線運行狀態(tài)，實現(xiàn)遠程智能維護；在遠程增設(shè)監(jiān)控站現(xiàn)場總線網(wǎng)絡智能診斷系統(tǒng)FNIDS；室內(nèi)加裝空調(diào)，溫度控制在25℃左右。

4 結(jié)語

通過對過濾工段的PROFIBUS-DP網(wǎng)絡進行優(yōu)化，消除了原來網(wǎng)絡安裝中存在的不規(guī)范問題，加強了總線系統(tǒng)的整體抗干擾性能。使用具有分支功能的隔離優(yōu)化修復模塊，不僅起到增強信號，隔離濾波透明傳輸?shù)淖饔茫瑫r網(wǎng)段上的劃分使得網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)更加清晰簡潔。優(yōu)化前過濾工段每月都有5、6次網(wǎng)絡故障報警，優(yōu)化后半年未發(fā)生網(wǎng)絡故障報警事件，縮短了排故時間，降低了停機對企業(yè)造成的經(jīng)濟損失和事故發(fā)生概率。

［1］（德）韋格曼，基利恩.西門子PROFIBUS工業(yè)通信指南［M］.北京：人民郵電出版社，2007.