頂驅常見Profibus 網(wǎng)絡拓撲分析及故障處理

胡小波

（中石油長城鉆探頂驅技術分公司，遼寧盤錦 124010）

0 引言

Profibus 工業(yè)自動化網(wǎng)絡具有通信速率高、通信誤碼率極低，以及抗干擾能力強等優(yōu)點，在國內(nèi)外頂驅裝置中得到廣泛應用。隨著應用范圍的擴大，頂驅Profibus 網(wǎng)絡在使用中出現(xiàn)的故障也越來越受到重視和關注[1]。從廣泛應用的VARCO 頂驅和北石頂驅網(wǎng)絡拓撲入手，在不同驅動系統(tǒng)以及不同PLC 控制系統(tǒng)下，對比分析各自特點和異同點，為現(xiàn)場頂驅通信網(wǎng)絡故障處理提供一個理論依據(jù)和解決思路。

1 常見頂驅網(wǎng)絡拓撲結構分析

1.1 老式VARCO TDS-11SA 頂驅Profibus 網(wǎng)絡拓撲結構

老式VARCO TDS-11SA 頂驅網(wǎng)絡采用西門子6SE70 變頻驅動系統(tǒng)和西門子S7-300 PLC 控制系統(tǒng)搭建，整體網(wǎng)絡結構相對簡單，如圖1 所示。

在電控房內(nèi)，驅動系統(tǒng)中的CUVC 控制板作為底座，CBP-2通信板作為與CPU315-2DP 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換的通信接口板。315-2DP 模塊作為CPU 模塊，同時具有總線耦合器的功能，將電控房內(nèi)的數(shù)字輸入模塊、數(shù)字輸出模塊和繼電器輸出模塊等通過總線背板掛接到網(wǎng)絡中。

在司鉆箱內(nèi)，由于各個模塊之間沒有背板連接，3 個ET200模塊（4AO、4AI 和24DO/8DI）全部通過DP 接口連接到網(wǎng)絡中。由于CBP2 板和ET200-24DO/8DI 處于網(wǎng)絡終端，終端電阻設置成ON，其他模塊都設置成OFF。

圖1 老式VARCO TDS-11SA 網(wǎng)絡拓撲結構

1.2 新式VARCO TDS-11SA/10SA 頂驅Profibus 網(wǎng)絡拓撲結構

新式VARCO TDS-11SA 頂驅和10SA 頂驅的網(wǎng)絡拓撲結構完全相同，均采用ABB ACS-800 變頻驅動系統(tǒng)、貝福CPU 模塊和WAGO 公司PLC 模塊搭建，整體網(wǎng)絡結構與老式VARCO系統(tǒng)相似，如圖2 所示。

圖2 新式VARCO TDS-11SA/10SA 網(wǎng)絡拓撲結構

在電控房內(nèi)，ACS800 驅動系統(tǒng)中的RDCU-02 電機控制板作為底座，RPBA-01 通信模塊插接到RDCU 上，通過RPBA 模塊與網(wǎng)絡中的貝福CX1020 CPU 模塊相連。但此時與老式VARCO 中315-2DP 模塊不同，CX1020 不再具有總線耦合器的功能，僅僅是作為網(wǎng)絡中的終端模塊存在。電控房內(nèi)的數(shù)字輸入模塊、數(shù)字輸出模塊以及編碼器模塊等都是通過單獨的總線耦合器WAGO 750-333 掛接到網(wǎng)絡中。

在司鉆箱內(nèi)，由于各個模塊之間利用背板連接，通過司鉆箱內(nèi)的總線耦合器WAGO 750-333 掛接到網(wǎng)絡中。

RPBA-01 板和司鉆箱內(nèi)的WAGO 750-333 模塊處于網(wǎng)絡終端，終端電阻設置成ON，其他模塊都設置成OFF。

1.3 北石DQ70BSC 頂驅Profibus 網(wǎng)絡拓撲結構

1.3.1 北石DQ70BSC 頂驅網(wǎng)絡搭建

在現(xiàn)場應用中，北石DQ70BSC 頂驅的網(wǎng)絡拓撲結構最為復雜，與VARCO 頂驅的網(wǎng)絡搭建模式完全不同，其網(wǎng)絡結構由西門子S120 變頻驅動系統(tǒng)和西門子S7-300 PLC 模塊組建，網(wǎng)絡結構如圖3 所示。同時，在北石通信網(wǎng)絡中，還設計引入了西門子中繼器模塊（圖3 中RT、RT1、RT2 和RT3），其樣式如圖4 所示。西門子中繼器模塊作用如下。

（1）中繼器模塊將模塊上下連接的Profibus 通信線隔離成上下兩個網(wǎng)絡，兩個網(wǎng)絡之間沒有直接電氣連接。

（2）提供信號中轉發(fā)大的作用。由于1 個中繼器連接上下兩個網(wǎng)絡，每個模塊上面也就存在兩個終端電阻開關設置。中繼器的存在將網(wǎng)絡劃分成多個通信子網(wǎng)。

在電控房內(nèi)，模擬輸入輸出模塊、數(shù)字輸入輸出模塊以及編碼器模塊通過IM153總線耦合器掛接到網(wǎng)絡中；驅動系統(tǒng)通過CU320 模塊的通信接口與中繼器RT2 和RT3連接，形成冗余備用模式掛接到網(wǎng)絡中。

在司鉆箱內(nèi)，PLC 的輸入輸出模塊通過IM153 總線耦合器掛接到網(wǎng)絡中。在本體站內(nèi)，PLC 的輸入輸出模塊通過ET200pro 總線耦合器掛接到網(wǎng)絡中。北石頂驅與VARCO 頂驅除了網(wǎng)絡搭建方式不同，另一最大不同在于本體作為通信網(wǎng)絡的終端存在。這就涉及到北石頂驅特有的模式選擇開關，當選擇通信模式時，本體站與電控房的通信通過圖3 中的光纖完成；當選擇電纜模式時，本體站與電控房的通信通過圖3 中的Profibus電纜完成。

1.3.2 北石DQ70BSC 頂驅通信子網(wǎng)劃分與設置

（1）MPI 網(wǎng)絡。電控房內(nèi)，工控機和315-2DP 模塊的MPI 接口組成MPI 網(wǎng)絡，其終端電阻都設置成ON。

（2）Profibus 通信子網(wǎng)1。電控房內(nèi)的RT1、RT2 和RT3 的上端與315-2DP 模塊、IM153 模塊、OLM 模塊、RT 中繼器模塊的上端組成Profibus 通信子網(wǎng)1，RT3 模塊的上端和RT 模塊的上端處于網(wǎng)絡終端，終端電阻設置成ON，其他模塊都設置成OFF。

（3）Profibus 通信子網(wǎng)2。電控房內(nèi)的RT2 下端與CU320 模塊1 組成通信子網(wǎng)2，終端電阻都設置成ON。

（4）Profibus 通信子網(wǎng)3。電控房內(nèi)的RT3 下端和CU320 模塊2 組成通信子網(wǎng)3，終端電阻都設置成ON。

（5）Profibus 通信子網(wǎng)4。電控房內(nèi)的RT1 下端與本體站的OLM 模塊以及ET200pro 模塊組成通信子網(wǎng)4，RT1 下端和ET200pro 處于網(wǎng)絡終端，終端電阻設置成ON，其他都設置成OFF。

（6）Profibus 通信子網(wǎng)5。電控房內(nèi)的RT 模塊下端與司鉆箱的IM153 模塊和觸摸屏模塊組成通信子網(wǎng)5，RT 模塊下端和觸摸屏處于網(wǎng)絡終端，終端電阻設置成ON，其他都設置成OFF。

圖3 北石DQ70BSC 頂驅網(wǎng)絡拓撲結構

圖4 西門子中繼器模塊

2 Prifibus 網(wǎng)絡故障點及排除方法

分析上述各種常見頂驅的網(wǎng)絡拓撲結構后可以發(fā)現(xiàn)，無論是何種網(wǎng)絡結構，無論采用何種驅動系統(tǒng)模塊和PLC 控制系統(tǒng)，搭建頂驅的Profibus 網(wǎng)絡裝置都可以分為3 大類，即網(wǎng)絡終端模塊（CPU、總線耦合器、工控機、觸摸屏、中繼器、OLM 模塊等）、通信線和DP 插頭。當頂驅出現(xiàn)通信故障后，可以按照以下方法進行快速排查。

（1）快速檢查各個終端模塊的電源指示和終端電阻設置。任何一個處于網(wǎng)絡中的終端模塊在無電源保證時，或者終端電阻設置不正常時，網(wǎng)絡通信無法正常建立。當發(fā)現(xiàn)有模塊的供電損壞或者掉電時，電源恢復后通信即可恢復正常；當終端電阻設置錯誤時，按照網(wǎng)絡結構恢復后，通信即可恢復正常。

（2）在各個終端模塊供電正常情況下，排查各個模塊的通信指示燈。若一個或者多個模塊出現(xiàn)通信故障指示，則說明故障出現(xiàn)在這一路網(wǎng)絡中，鎖定故障區(qū)域。

（3）檢查故障區(qū)域DP 插頭或者中繼器。在檢查DP 插頭或者中繼器的電氣連接之前，應對其終端電阻的狀態(tài)進行核對。核對準確無誤后，再檢查其電氣連接。

對于DP 插頭，當打到ON 位時，插針3 與8 之間的電阻約為220 Ω；當打到OFF 位時，電阻無窮大，此時DP 插頭的A1和A2 通，B1 和B2 通；同樣，在ON 位時，中繼器的A1 和A2 之間電阻為220Ω，在OFF 位時，A1 和A2 通，B1 和B2 通。如果不是上述狀態(tài)，則說明插頭已壞，需要更換。

（4）如果DP 插頭或者中繼器在測量完好情況下，檢查故障區(qū)域的通信電纜。檢查通信電纜，比較直接，檢查A1，B1 線有無斷線，有無短路現(xiàn)象，屏蔽層是否接地良好。若存在問題，則立即更換。

（5）若終端模塊的電源供電、DP 插頭或者中繼器以及通信電纜檢查完畢，沒有故障而通信故障仍然存在，則檢查故障區(qū)域模塊工作是否正常，發(fā)現(xiàn)指示燈不正常或者燒毀跡象，嘗試更換終端模塊，重新上電調(diào)試。

需要特別說明的是，對于新式VARCO 頂驅中的變頻驅動系統(tǒng)APBU-01 通信模塊，其內(nèi)部已經(jīng)集成了終端電阻及開關，當其DP 插頭設置為ON 時，其模塊本身的終端電阻設置開關必須打到OFF 位。

經(jīng)過上述幾步快速排查，頂驅通信故障即可快速鎖定和排除。