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作者簡(jiǎn)介：彭瑜（1938－），男，湖南長(cháng)沙人，教授級高級工程師，1960年畢業(yè)于清華大學(xué)動(dòng)力系，長(cháng)期從事工業(yè)過(guò)程控制系統的研究開(kāi)發(fā)工作，1993年獲國務(wù)院特殊津貼，現任中國自動(dòng)化學(xué)會(huì )儀表與裝置專(zhuān)業(yè)委員會(huì )常務(wù)委員，上海市自動(dòng)化學(xué)會(huì )常務(wù)理事，中國儀器儀表學(xué)會(huì )專(zhuān)家委員會(huì )委員。
摘 要：本文從現場(chǎng)總線(xiàn)診斷技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程、物理層診斷的必要性、物理層診斷的基本原理和診斷工具、現場(chǎng)總線(xiàn)可能發(fā)生的故障類(lèi)型分析和故障檢測的高級測量技術(shù)等方面，闡述保障現場(chǎng)總線(xiàn)系統健康應用的一個(gè)重要方向的內涵及其擴展。
關(guān)鍵詞：現場(chǎng)總線(xiàn)；物理層；故障；診斷
隨著(zhù)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )及其相關(guān)網(wǎng)絡(luò )設備以及現場(chǎng)總線(xiàn)儀表和設備的應用，在質(zhì)量和數量上都有長(cháng)足的進(jìn)展。這些日益廣泛和深入的應用，印證了美國ARC咨詢(xún)集團“使用現場(chǎng)總線(xiàn)可以節省安裝和工程成本，但最大的利益還是體現在生產(chǎn)裝置投運之后長(cháng)期的維護和運行中”的論斷的正確性。顯然，在長(cháng)期運行和維護中使用現場(chǎng)總線(xiàn)帶來(lái)的利益主要來(lái)自三個(gè)方面，即現場(chǎng)智能儀表和設備為工廠(chǎng)企業(yè)的資產(chǎn)設備管理提供了基本信息和實(shí)時(shí)信息；將現場(chǎng)儀表和設備的維護從被動(dòng)的遇到故障才采取維護措施，提高到實(shí)施主動(dòng)的預測性維護和預防性維護，大大減少了非計劃停車(chē)所造成損失；為生產(chǎn)的平穩操作和加快生產(chǎn)節拍準備了技術(shù)條件。
本文著(zhù)重討論現場(chǎng)總線(xiàn)的故障診斷技術(shù)的問(wèn)題，特別是物理層診斷的問(wèn)題。這不但是因為大量現場(chǎng)應用所發(fā)生的影響現場(chǎng)總線(xiàn)系統正常運行的故障主要是物理層的問(wèn)題，提高故障診斷和排除的速度對使用現場(chǎng)總線(xiàn)的生產(chǎn)設備的正常運行關(guān)系極大；而且還在于我國在應用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)開(kāi)發(fā)控制系統的單位和人員的水平，以及系統的維護人員的水平參差不齊，有時(shí)候為了壓低成本或者常常是無(wú)知，沒(méi)有遵照現場(chǎng)總線(xiàn)應用和安裝的基本規范的要求，導致現場(chǎng)總線(xiàn)系統的長(cháng)期處于非健康的狀況。
據Profibus國際組織對全世界范圍內300多個(gè)現場(chǎng)的調查統計，Profibus-DP故障率最高的5點(diǎn)原因中至少有四方面屬于物理層所產(chǎn)生的問(wèn)題：
未接終端電阻或終端電阻不合要求（物理層）；
動(dòng)力線(xiàn)對信號線(xiàn)的影響，如靠得太近（物理層）；
沒(méi)有遵循通信電纜的布線(xiàn)規則（物理層）；
沒(méi)有遵循通信電纜的布線(xiàn)規則（物理層）；
組態(tài)出現故障；
接口損壞或采用了未經(jīng)認證的接口（物理層）。
這足可為上述物理層診斷的必要性給出佐證。
這足可為上述物理層診斷的必要性給出佐證。
1 現場(chǎng)總線(xiàn)診斷技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程
從上世紀70年代起，現場(chǎng)儀表和控制系統的診斷最初僅僅是一些輸出信號和I/O狀態(tài)是否正常等簡(jiǎn)單的診斷，之后HART技術(shù)的問(wèn)世為儀表和過(guò)程診斷帶來(lái)了許多新的概念和方法。不過(guò)，限于HART的主從通信機制及其處理能力和帶寬的限制，致使HART儀表的診斷能力有限，只能發(fā)出診斷報警，較為詳細的故障信息還必須由主機發(fā)出查詢(xún)后才可發(fā)出，因此有人將此歸類(lèi)于所謂“被動(dòng)式診斷”。自從90年代現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，隨之帶來(lái)了較為復雜的傳感器和過(guò)程診斷的加速，例如對于FF智能儀表其診斷數據是作為設備反饋信息的一部分不斷地在刷新。直到最近幾年才出現了高級物理層診斷，整個(gè)系統的監控范圍大為擴展，不但可以對故障做出診斷，而且還能夠對那些尚未發(fā)生故障、但有可能發(fā)展為故障的一些問(wèn)題發(fā)出預警。這就是診斷技術(shù)的進(jìn)展歷程（見(jiàn)圖1）。
圖1現場(chǎng)儀表和系統的診斷技術(shù)的進(jìn)展歷程［1］
與此同時(shí)，無(wú)線(xiàn)技術(shù)的工業(yè)應用的迅速發(fā)展，尤其是無(wú)線(xiàn)HART的協(xié)議公布和產(chǎn)品推出，又為HART儀表診斷先進(jìn)、但帶寬受限給出了新的診斷信息的傳送通道。典型的HART儀表包含35～40個(gè)數字數據項，其中有最多可有4個(gè)過(guò)程測量值，以及儀表設備專(zhuān)用的診斷信息（如接線(xiàn)故障、電子電路故障、超出測量范圍等），它們都可以被用來(lái)改善工業(yè)生產(chǎn)的績(jì)效。圖2示出了這個(gè)思路［2］。
圖2 無(wú)線(xiàn)HART為智能HART數據給出了新的信傳送通道
近些年來(lái)總部設在德國的過(guò)程工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的用戶(hù)組織NAMUR十分活躍，提出了許多推薦型技術(shù)文件，受到全球業(yè)內人士的重視和推崇。其中《現場(chǎng)設備的自監測和診斷》（文件號：NE 207）［3］就是專(zhuān)門(mén)針對現場(chǎng)儀表變送器和執行器提出的自監測和診斷要求，為發(fā)展現場(chǎng)儀表的診斷技術(shù)給出了指導性的意見(jiàn)。
2 物理層診斷的必要性
當決定采用現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的方案后，在施工、調試投運和正式運行等各個(gè)階段，都對其測試和診斷技術(shù)和工具有迫切的要求。這使現場(chǎng)總線(xiàn)診斷的發(fā)展有了明確的發(fā)展方向。尤其是現場(chǎng)總線(xiàn)系統投運以后，不少用戶(hù)反映，通信似乎是一個(gè)黑盒子，當主系統上指示產(chǎn)生了一個(gè)故障或發(fā)生了一個(gè)報警事件，常常不知道該如何處理。而實(shí)際上最常見(jiàn)的現場(chǎng)總線(xiàn)問(wèn)題是：從物理層的角度看，現場(chǎng)總線(xiàn)設備不處在通信狀態(tài)，最壞的是某個(gè)設備周期性的出現不參與通信的情況；從應用層的角度看，存在傳輸過(guò)來(lái)的是無(wú)效數據（數據測量值未作校驗或有問(wèn)題）。有些問(wèn)題如I/O出問(wèn)題可以由現場(chǎng)總線(xiàn)設備本身進(jìn)行診斷。
現場(chǎng)總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )通信出現故障，可以使用哪些工具或方法來(lái)查找故障呢？
目測（觀(guān)察現場(chǎng)總線(xiàn)設備上的指示燈）是最基本的診斷。以Profibus-DP為例，絕大多數設備上有3個(gè)發(fā)光二極管指示燈：ON，BF，SF。這些LED對維修人員極為重要，通過(guò)它們可以明確判斷設備的狀態(tài)。不過(guò)，大多數Profibus-PA儀表沒(méi)有LED指示燈，因為由總線(xiàn)供電，要節省功耗以及考慮防爆的功率限制。
而且這種指示只能告訴用戶(hù)發(fā)生了某種故障，常常不能給現場(chǎng)總線(xiàn)的維護人員指示問(wèn)題究竟出在哪里。最重要的工具當然是網(wǎng)絡(luò )分析儀，但這類(lèi)昂貴的儀器需要較深的專(zhuān)業(yè)知識，在現場(chǎng)使用頗多不變，因此難以普及。所以發(fā)展更有效的診斷工具就提到了日程上。
從現場(chǎng)總線(xiàn)診斷的視角看，可以將目前在工業(yè)通信中運用的現場(chǎng)總線(xiàn)劃分為三大類(lèi)：①從自動(dòng)化儀表發(fā)展過(guò)來(lái)的現場(chǎng)總線(xiàn)，主要是HART、FF的H1和Profibus-PA；②從PLC的遠程I/O發(fā)展過(guò)來(lái)的現場(chǎng)總線(xiàn)，主要有Profibus-DP、DeviceNet和CC-Link等，這里又可細分為基于RS 485的現場(chǎng)總線(xiàn)和基于CAN的現場(chǎng)總線(xiàn)。③專(zhuān)為運動(dòng)控制應用開(kāi)發(fā)的現場(chǎng)總線(xiàn)，如SERCOS、EtherCAT、PowerLink等。運動(dòng)控制用現場(chǎng)總線(xiàn)發(fā)展較晚，目前有關(guān)的診斷工具的開(kāi)發(fā)主要從網(wǎng)絡(luò )分析在發(fā)展，作為診斷工具尚有待于提到議事日程。前兩類(lèi)現場(chǎng)總線(xiàn)的應用都有了很大的范圍，對診斷的需求呼聲很高，所以近年來(lái)發(fā)展較快。它們的物理層的原理相似，但機制有較大不同，診斷工具自然不會(huì )一樣。在以下的分析中將把它們分別展開(kāi)。
3 物理層診斷的基本原理和診斷工具
以FF H1和Profibus-PA為例，其物理層由以下部分組成：主干電纜或主連接電纜，分支電纜或儀表連接電纜，端子排，置于主干電纜兩端的終端電阻器，現場(chǎng)總線(xiàn)的電源，設備接口硬件，故障保護裝置（如網(wǎng)段保護器等），現場(chǎng)總線(xiàn)通信的物理學(xué)（如信號等），圖3給出了物理層的構成［2］。
圖3 FF H1和Profibus-PA物理層的構成
由此可以推斷，物理層診斷就是將診斷測試設備通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)主干電纜與現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )直接連接，來(lái)連續測試、監控和診斷整個(gè)網(wǎng)絡(luò )，及時(shí)發(fā)現網(wǎng)絡(luò )中各個(gè)物理部件的性能是否變壞或偏離，以防止由此引起故障或整個(gè)網(wǎng)段通信中斷。圖4示出在線(xiàn)診斷模塊在現場(chǎng)總線(xiàn)系統中的位置。還可以通過(guò)物理層診斷來(lái)證實(shí)網(wǎng)絡(luò )是否符合或一直符合現場(chǎng)總線(xiàn)標準，以及嚴格的設計規則。
就其功能而言，物理層診斷工具可以分為：①簡(jiǎn)單手持式診斷設備：離線(xiàn)測試和初步診斷。②基本在線(xiàn)診斷設備：可在調試投運時(shí)進(jìn)行初步的故障診斷，并可一直連在現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上以檢測運行時(shí)的故障和查找報經(jīng)原因。③移動(dòng)式高級在線(xiàn)診斷設備：可在調試投運期間，甚至當控制系統和相關(guān)的現場(chǎng)總線(xiàn)電源都不能使用時(shí)進(jìn)行高級測試，或在運行期間作詳細的故障查找。④高級在線(xiàn)診斷設備：可在現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )施工、調試投運和系統測試時(shí)，查找故障，按用戶(hù)定義的方式報告/制作技術(shù)文檔，以及早期給出故障預警。該設備永遠與現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)段相連，并在整個(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的生命周期一直在工作。表1給出這四種診斷工具的功能比較表。
圖4 將在線(xiàn)診斷模塊通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)主干電纜接入現場(chǎng)總線(xiàn)系統
所謂基本物理層診斷范圍包括DC電壓、DC接地、高頻、數據信號。而高級物理層診斷范圍：除基本物理層診斷范圍包括的項目外，還能診斷全部波形、AC波動(dòng)情況、連線(xiàn)DC電流、數據的極性、AC不平衡和將波形存貯起來(lái)仔細分析（存貯示波器功能）。采用高級在線(xiàn)物理層診斷的優(yōu)越性在于可測試和連續測試現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的通信質(zhì)量，通信電纜的基本設施狀況，現場(chǎng)總線(xiàn)用的電源、終端器和其他設備的工作狀態(tài)，網(wǎng)段中所有的電子電路。這樣一來(lái)，對于用戶(hù)而言，現場(chǎng)總線(xiàn)的運行狀況是可見(jiàn)的，透明的。一方面可加速調試運行的時(shí)間，并具有自動(dòng)生成技術(shù)文檔的能力。另方面可測試現場(chǎng)總線(xiàn)系統的性能，在控制室內通過(guò)對現場(chǎng)總線(xiàn)運行狀況的監測，及時(shí)發(fā)現FCS的變化，在現場(chǎng)總線(xiàn)系統存在隱患、有可能對生產(chǎn)造成不良影響之前，就能發(fā)現問(wèn)題，及時(shí)排除。
目前已將高級物理層診斷功能集成到現場(chǎng)總線(xiàn)FF H1的供電電源母版上，這主要是用一個(gè)在線(xiàn)物理層診斷模塊同時(shí)監測幾個(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)段，可進(jìn)一步降低成本?？紤]到診斷性能、設備的復雜性和硬件成本的折中，P+F公司的FieldConnex高級物理層診斷模塊設計成一個(gè)模塊可同時(shí)對4個(gè)網(wǎng)段進(jìn)行診斷，并將它集成到現場(chǎng)總線(xiàn)的供電電源中，作為標準電源產(chǎn)品供貨。近年來(lái)Emerson和橫河等DCS供應商與P+F均簽有這方面的技術(shù)轉讓協(xié)議。用戶(hù)可以直接從這些廠(chǎng)商訂購帶高級物理層診斷的FCS系統。目前物理層高級在線(xiàn)診斷還僅用于流程工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)的FF H1和Profibus-PA，而其他的現場(chǎng)總線(xiàn)診斷大都是移動(dòng)式高級在線(xiàn)診斷。
表1 四種診斷工具的功能比較表
|
測 量 |
移動(dòng)式高級診斷 |
高級在線(xiàn)診斷 |
手持式現場(chǎng)總 線(xiàn)測試儀 |
基本在線(xiàn)診斷 |
|
潛在故障早期診斷用所有測量項目隨時(shí)間的 去世與記錄 |
有 |
有 |
無(wú) |
有（有限） |
| 主干電纜電流測量 |
無(wú) |
有 |
無(wú) |
無(wú) |
| 抖動(dòng)測量 |
有 |
有 |
無(wú) |
無(wú) |
| 數據信號幅度 |
有 |
有 |
有 |
有 |
| 屏蔽對信號±極的AC和DC不平衡（%） |
有 |
有 |
無(wú) |
無(wú) |
| ±極間直接短路 |
有 |
有 |
有 |
有 |
|
全頻譜分析 |
有 |
有 |
無(wú)（部分有） |
無(wú)（部分有） |
| 高頻噪聲測量 |
有 |
有 |
有 |
有 |
|
數字存貯示波功能 |
有 |
有 |
無(wú) |
無(wú) |
| 主干電纜電壓測量 |
有 |
有 |
有 |
有 |
| 高級軟件分析和硬拷貝打印輸出 |
有 |
有 |
無(wú) |
無(wú) |
| ±信號錯誤反接報警 |
有 |
有 |
無(wú) |
有 |
| 分離型診斷信息總線(xiàn)（任何網(wǎng)段故障不會(huì )影響操作 |
有 |
有 |
有 |
無(wú) |
| 有總線(xiàn)拉出零電流線(xiàn) |
有 |
有 |
無(wú) |
無(wú) |
| 無(wú)需用電纜或端子盒緊靠終端器或接口 |
無(wú) |
有 |
無(wú) |
有 |
| 可同時(shí)監測所有網(wǎng)段 |
無(wú) |
有 |
無(wú) |
有 |
| 從現場(chǎng)總線(xiàn)安裝直到投運一直留在現場(chǎng)安裝點(diǎn) |
無(wú) |
有 |
無(wú) |
有 |
4 現場(chǎng)總線(xiàn)可能發(fā)生的故障類(lèi)型分析
毫無(wú)疑問(wèn)，一個(gè)設計得很好又得到很好維護的現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)段，可以運行多年而沒(méi)有任何問(wèn)題。但是，就像任何電子系統會(huì )在其生命周期內發(fā)生某些不可預測的故障一樣，現場(chǎng)總線(xiàn)系統仍然會(huì )在某些網(wǎng)段的某個(gè)點(diǎn)上會(huì )發(fā)生故障?，F場(chǎng)總線(xiàn)的故障可能在任意時(shí)間發(fā)展或發(fā)生而毫無(wú)警告。損壞或故障涉及的范圍從一個(gè)不顯著(zhù)的變化到一個(gè)頗為麻煩的報警，或一個(gè)致命性的事故。
為了能充分了解現場(chǎng)總線(xiàn)物理層診斷的具體內容，下面會(huì )較詳細地討論在一個(gè)廣泛的范圍內可能發(fā)生的故障類(lèi)型。
· +/-極對屏蔽的故障（不平衡） 電纜導線(xiàn)的+/-極可能會(huì )與屏蔽接觸產(chǎn)生一個(gè)低電阻，這種故障出現的概率較高，一般都是因為導線(xiàn)的終端與儀表的外殼接觸，或是在安裝過(guò)程中電纜受到損壞。但并不是所有的故障會(huì )直接短路或者產(chǎn)生一個(gè)低的接觸電阻，有時(shí)有可能產(chǎn)生一個(gè)電容或高接觸電阻。電纜的安裝走線(xiàn)不良或者電纜的制造缺陷，也有可能導致電纜產(chǎn)生了不可接受的電容不平衡，如果儀表本身也有些不平衡，這就是情況復雜化了，有時(shí)還可能電纜受潮或不慎受到水浸，使傳導性能變壞。雖然這些問(wèn)題在一段時(shí)間內可以容忍，但由此而導致由一般的小問(wèn)題發(fā)展成為故障，例如產(chǎn)生電容對地短路和一個(gè)極直接對屏蔽短路。不平衡往往會(huì )使對噪聲的靈敏度增加，因而提高了通信出錯的幾率。
· +極對-極的故障 這種故障同樣也會(huì )發(fā)生。在主干網(wǎng)電纜中兩極之間的短路是不能容忍的，這會(huì )導致整個(gè)網(wǎng)段出現故障，也有可能并非直接短路，而是呈現一定的電阻，這時(shí)儀表的濾波電容或過(guò)載保護的半導體器件會(huì )發(fā)生漏電，電纜或接線(xiàn)盒浸水，也會(huì )引起此類(lèi)故障。
·串線(xiàn)、噪聲和干擾 噪聲會(huì )以多種形式出現，且其會(huì )覆蓋整個(gè)頻譜。如果靠近變頻裝置，或電纜自身受到振動(dòng)，受到電磁干擾，或從鄰近的電纜引來(lái)串線(xiàn)干擾，都會(huì )引發(fā)噪聲。接地回路和接地耦合噪聲會(huì )通過(guò)電纜的屏蔽傳導過(guò)來(lái)，并對主干電纜和分支電纜產(chǎn)生干擾。事實(shí)上，接地故障常常被認為是通信信號最大的問(wèn)題，是許多禍害問(wèn)題之源?，F場(chǎng)總線(xiàn)標準規定了從DC到幾十兆赫茲整個(gè)頻譜噪聲電平的限制，最具破壞力是那些在通信帶寬內、且電平超過(guò)75mV（峰—峰值）的噪聲。
·終端器故障 簡(jiǎn)單的終端器是公共的故障點(diǎn)。即使是有冗余電源的所謂電子終端器，其實(shí)總是主干電纜的現場(chǎng)側的單一終端器。終端器的故障是由于終端器的電阻被擊穿至開(kāi)路而引起終端器不齊作用，或者是電阻值降低造成通信信號的嚴重畸變。終端器中的電容發(fā)生故障的形式有：開(kāi)路，是終端器失效；短路，導致網(wǎng)段受到致命的沖擊或元器件損壞；電容值向低漂移；電容損壞呈電阻性或彼岸變成導體，以致終端器逐漸失效。
·終端過(guò)載/欠載 現場(chǎng)總線(xiàn)系統可以在一定程度上容忍終端的過(guò)載或欠載，這與網(wǎng)絡(luò )的配置和起始發(fā)出的信號質(zhì)量有關(guān)?，F場(chǎng)總線(xiàn)的電源/電源調理器，以及設備的負載也會(huì )對此有所影響。在長(cháng)主干電纜的終點(diǎn)一旦發(fā)生終端器失效或為接入終端器，就會(huì )使通信信號產(chǎn)生反射，致使信號畸變。
·現場(chǎng)總線(xiàn)電源漂移或阻抗故障 現場(chǎng)總線(xiàn)電源的無(wú)源阻抗是固定不變的，而其有源阻抗則取決于電容和晶體管，當將兩個(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)電源配成互為冗余時(shí)，這些元器件會(huì )隨時(shí)間產(chǎn)生漂移或損壞。有源現場(chǎng)總線(xiàn)電源的阻抗發(fā)生漂移或失效，并不一定導致信號衰減，倒是常常會(huì )使信號的頂部由平變陡，如果電容過(guò)大，會(huì )使波形的上升沿呈兩段上升折線(xiàn)；如果電感過(guò)大，會(huì )使波形的下降沿沿呈兩段下降折線(xiàn)。信號的這些畸變首先會(huì )導致“抖動(dòng)”不穩定出錯，接下去在產(chǎn)生致命性故障前會(huì )引起多次的數據重發(fā)。
·水浸入 現場(chǎng)發(fā)生重大故障、接線(xiàn)盒密封失效或者電纜斷裂、折損或滲水，致使通信電纜浸泡在水中，或接線(xiàn)端子排浸在水里，這時(shí)會(huì )造成絕緣受損、導電性顯著(zhù)增加，或主干電纜的電流改變、對地泄露，但一般不會(huì )引起噪聲。絕緣受損使得端子之間有導電現象產(chǎn)生，從而發(fā)生電蝕，隨著(zhù)時(shí)間推移電纜也會(huì )受到電蝕。
·現場(chǎng)總線(xiàn)設備故障 許多現場(chǎng)設備內設有故障切斷電路，就是說(shuō)當它檢測到破壞性的“信號”會(huì )立即自動(dòng)將設備從網(wǎng)段中斷開(kāi)。不過(guò)不是所有的問(wèn)題都可以得到保護，因為在網(wǎng)段或分支電路上的保護器能有效動(dòng)作之前有一段時(shí)間，設備的阻抗就可能發(fā)生漂移至產(chǎn)生破壞性的程度。為使設備能與主干電纜雙向連接，有些設備設有二極管橋路。橋路有可能損壞使阻抗變低，或者發(fā)生短路故障。
·瞬間電壓抑制二極管（TVS）和電涌放電器 為防止電壓瞬間過(guò)載損壞分支保護器和設備中的敏感電子元器件，一般總會(huì )在現場(chǎng)總線(xiàn)電源中設有TSV或電涌放電器。雖然他們能起到保護作用，但事實(shí)上它們自身又成了一個(gè)公共故障點(diǎn)。TVS是直接扣壓接在主干電纜，其性能的漂移或漏電、甚至可能短路，都有可能造成這些設備共有的損壞方式。在正常運行期間，TVS有可能在沒(méi)有電應力和熱應力的情況下失效，形成一個(gè)不確定的故障因素。尤其是在受到一次高電壓的浪涌其性能變差，結果導致漏電或阻抗發(fā)生有問(wèn)題的改變。
·現場(chǎng)總線(xiàn)噪聲濾波電容器問(wèn)題 現場(chǎng)設備、現場(chǎng)總線(xiàn)電源和保護電路通常都用一個(gè)小電容跨接在±極與屏蔽之間，起到噪聲濾波的作用。在一個(gè)網(wǎng)段中要介入好多個(gè)設備，例如接12個(gè)設備，就會(huì )接上36個(gè)電容器，故障的可能性就會(huì )大為增加。因為電容器可能開(kāi)路、短路或者向低電容值漂移，結果會(huì )造成不同的作用，某些情況下可能是破壞性的，或者由于沒(méi)有引起注意導致釀成復合型的故障。
·信號極性接反 許多設備是雙極性的，這就是說(shuō)有可能以任意極性與網(wǎng)段相連。然而有些設備如電源或中繼器是非雙極性的，這樣就有可能發(fā)生意外的極性接反問(wèn)題。這使數據信號反轉，在某些時(shí)候系統容忍這種反接，不過(guò)設備之間的通信就會(huì )出問(wèn)題。如果在安裝和調試投運期間極性接反了，直到正式投產(chǎn)，有可能好多問(wèn)題還難以發(fā)現。
·現場(chǎng)總線(xiàn)供電電源的狀態(tài)正常監測和故障 現場(chǎng)總線(xiàn)電源的輸出電壓可能會(huì )在用了很長(cháng)時(shí)間后超出了容許范圍。即使有采用冗余電源，由于或門(mén)二極管短路，或者有一個(gè)電源的內阻變低而使輸出變低了等原因，致使兩個(gè)電源中的任一個(gè)發(fā)生故障，都應采取緊急措施加以更換。
5 故障檢測的高級測量技術(shù)
要采用一定的測量技術(shù)才有可能在實(shí)際現場(chǎng)總線(xiàn)系統的運行過(guò)程中及時(shí)檢測出潛在故障的所在，并判別出其類(lèi)型，進(jìn)行早期的預警。
實(shí)際上，可以把上述故障類(lèi)型檢測加以一定的分類(lèi)，例如DC性質(zhì)的故障檢測、AC性質(zhì)的故障檢測、信號電平衰減的故障檢測、屏蔽對±極的AC和DC的故障檢測、噪聲及其干擾的故障檢測、電源的故障檢測和信號極性反接的檢測等等。
以“DC性質(zhì)的故障檢測”為例，因為不論是現場(chǎng)設備噪聲濾波器和二極管橋的DC泄露、TVC的DC泄露、設備電壓改變的原因推斷、浸水、終端器的DC故障、設備的電流故障，以及±極之間的DC故障，所有這些可能的問(wèn)題都可以通過(guò)主干電纜中流過(guò)的電流的微小變化和隨著(zhù)時(shí)間而發(fā)生增量型的變化加以檢測。相對于信號電平的變化來(lái)說(shuō)，主干網(wǎng)的電流變化的檢測能夠更靈敏的反映問(wèn)題，具有較好的可檢測性。尤其是對于還在逐漸變壞著(zhù)的±極受到水浸故障的早期預警、終端器中電容的漏電、設備濾波器電容或二極管橋的漏電、保護二極管（TVS）的漏電和設備電流故障或漂移，用主干電纜的電流變化來(lái)檢測問(wèn)題更為有效。
再如屬于“AC性質(zhì)的故障檢測”的有TVS和現場(chǎng)設備阻抗變化、有源電源故障或阻抗故障、終端過(guò)載或欠載、±極之間的AC故障等，抖動(dòng)測量顯然是用于任意傳送中的AC故障檢測最重要的測量方法。因為抖動(dòng)測量忽略特定的或分立的故障如噪聲電平或信號衰減，而集中于檢測通信數據的精確度，看數據的傳輸是否足夠的好。它可檢測由于網(wǎng)絡(luò )阻抗變化、信號畸變、網(wǎng)絡(luò )諧振、有源現場(chǎng)總線(xiàn)電源阻抗漂移、終端器電容或電阻漂移、設備濾波器電容漂移、設備阻抗故障和全帶寬噪聲的影響等所造成的信號幅度的變化。噪聲影響或信號衰減/畸變有時(shí)單獨尚滿(mǎn)足所求的規范的限制，不過(guò)合在一起便會(huì )產(chǎn)生故障。如果數據信號存在向故障變化的趨勢，用較長(cháng)的時(shí)間進(jìn)行抖動(dòng)測量，就可以在發(fā)生數據傳輸遭遇破壞前發(fā)現問(wèn)題信號電平測量可以用來(lái)檢測由于集中有源電源阻抗故障或漂移、電纜衰減、終端過(guò)載/欠載或者設備阻抗故障所造成衰減?，F場(chǎng)總線(xiàn)可以在信號電平很低的情況下運行，但可能造成數據丟失，所以在信號變得低于可接受的電平之前就應發(fā)出預警。將抖動(dòng)測量與信號電平測量組合使用，使我們可以更好地實(shí)現有目標的故障診斷。
并不是所有的“屏蔽對±極的AC和DC故障”都是簡(jiǎn)單的短路，可以將它們視為不同程度的電容性和電阻性故障，由此來(lái)評定是哪個(gè)極出現問(wèn)題。電容性的故障或不平衡可能是由于現場(chǎng)儀表中的解耦電容器損壞，或者是由于制造中的缺陷致使電纜異常的不平衡，還有可能是安裝問(wèn)題。此外，浸水和現場(chǎng)設備噪聲濾波器的電容漂移等，常常是通過(guò)電容檢測、電阻測量來(lái)發(fā)現問(wèn)題。對于那些正在因浸水而緩慢發(fā)展的±極對屏蔽的可能故障，用這種測量發(fā)出早期預警是很有效的。
至于串線(xiàn)干擾、噪聲干擾和電磁干擾，可以用頻帶內有害噪聲檢測，以及全頻譜分析予以檢測，對于源于終端器故障、現場(chǎng)總線(xiàn)電源阻抗故障、接地故障、串線(xiàn)、驅動(dòng)電機等引起的低頻噪聲，更容易用全頻譜分析方法測量。
綜上所述可以知道，現場(chǎng)總線(xiàn)的物理層故障檢測是需要用很多測量方法來(lái)輔助檢測、判斷和評估的。而要把這些方法綜合在一個(gè)故障診斷系統內，除了用連接在現場(chǎng)總線(xiàn)主干電纜上的故障診斷模塊或診斷適配器來(lái)采集相關(guān)的信號和信息而外，很重要的是有一套運行于計算機中、集合網(wǎng)絡(luò )分析器（檢查通信協(xié)議運行質(zhì)量）、示波器（通過(guò)網(wǎng)絡(luò )運行時(shí)測試數字通信的波形檢查信號質(zhì)量，其中包括信號幅度、反射、噪聲、EMC等在內）和生成網(wǎng)絡(luò )故障分析報告諸功能的軟件。如果這個(gè)診斷系統是專(zhuān)為Profibus-DP設計的，那么它還必須是Profibus-DP的主站，具備主站所必需的諸如網(wǎng)絡(luò )組態(tài)、I/O測試、網(wǎng)絡(luò )掃描及動(dòng)態(tài)清單，以及設置從站地址等功能。否則就不能進(jìn)行現場(chǎng)總線(xiàn)運行時(shí)的在線(xiàn)診斷了。
目前能對Profibus-DP總線(xiàn)運行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測、分析和故障診斷，有多家公司的產(chǎn)品，如荷蘭PROCENTEC公司的ProfiTrace2（它包括多個(gè)部件，有ProfiCore適配器、進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測和分析的ProfiTrace、測試通信電纜的質(zhì)量、終端電阻的質(zhì)量、電纜短路、接線(xiàn)斷開(kāi)、衰減情況和電纜線(xiàn)接反的ProfiPulse等）；德國Softing公司的PB-T3型分析儀；德國ITM/ComSoft公司的IT-Monitor等。
參 考 文 獻
［1］Gunther Rogoll.Ren Kitchener，Advanced Online Physical Layer Diagnostics.P+F White Paper.
［2］A Wireless Way to Unleash the Power of HART Data.Airsprite White Paper. www.airsprite.com.
［3］Self-monitoring and Diagnosis of Field Devices.NAMUR NE 107.
——轉自《自動(dòng)化博覽》
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號