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作者簡介：彭瑜（1938－），男，湖南長沙人，教授級(jí)高級(jí)工程師，1960年畢業(yè)于清華大學(xué)動(dòng)力系，長期從事工業(yè)過程控制系統(tǒng)的研究開發(fā)工作，1993年獲國務(wù)院特殊津貼，現(xiàn)任中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)儀表與裝置專業(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)專家委員會(huì)委員。
摘 要：本文從現(xiàn)場總線診斷技術(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(xiàn)場總線可能發(fā)生的故障類型分析和故障檢測的高級(jí)測量技術(shù)等方面，闡述保障現(xiàn)場總線系統(tǒng)健康應(yīng)用的一個(gè)重要方向的內(nèi)涵及其擴(kuò)展。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線；物理層；故障；診斷
隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)及其相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及現(xiàn)場總線儀表和設(shè)備的應(yīng)用，在質(zhì)量和數(shù)量上都有長足的進(jìn)展。這些日益廣泛和深入的應(yīng)用，印證了美國ARC咨詢集團(tuán)“使用現(xiàn)場總線可以節(jié)省安裝和工程成本，但最大的利益還是體現(xiàn)在生產(chǎn)裝置投運(yùn)之后長期的維護(hù)和運(yùn)行中”的論斷的正確性。顯然，在長期運(yùn)行和維護(hù)中使用現(xiàn)場總線帶來的利益主要來自三個(gè)方面，即現(xiàn)場智能儀表和設(shè)備為工廠企業(yè)的資產(chǎn)設(shè)備管理提供了基本信息和實(shí)時(shí)信息；將現(xiàn)場儀表和設(shè)備的維護(hù)從被動(dòng)的遇到故障才采取維護(hù)措施，提高到實(shí)施主動(dòng)的預(yù)測性維護(hù)和預(yù)防性維護(hù)，大大減少了非計(jì)劃停車所造成損失；為生產(chǎn)的平穩(wěn)操作和加快生產(chǎn)節(jié)拍準(zhǔn)備了技術(shù)條件。
本文著重討論現(xiàn)場總線的故障診斷技術(shù)的問題，特別是物理層診斷的問題。這不但是因?yàn)榇罅楷F(xiàn)場應(yīng)用所發(fā)生的影響現(xiàn)場總線系統(tǒng)正常運(yùn)行的故障主要是物理層的問題，提高故障診斷和排除的速度對(duì)使用現(xiàn)場總線的生產(chǎn)設(shè)備的正常運(yùn)行關(guān)系極大；而且還在于我國在應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)開發(fā)控制系統(tǒng)的單位和人員的水平，以及系統(tǒng)的維護(hù)人員的水平參差不齊，有時(shí)候?yàn)榱藟旱统杀净蛘叱３Ｊ菬o知，沒有遵照現(xiàn)場總線應(yīng)用和安裝的基本規(guī)范的要求，導(dǎo)致現(xiàn)場總線系統(tǒng)的長期處于非健康的狀況。
據(jù)Profibus國際組織對(duì)全世界范圍內(nèi)300多個(gè)現(xiàn)場的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，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)生的問題：
未接終端電阻或終端電阻不合要求（物理層）；
動(dòng)力線對(duì)信號(hào)線的影響，如靠得太近（物理層）；
沒有遵循通信電纜的布線規(guī)則（物理層）；
沒有遵循通信電纜的布線規(guī)則（物理層）；
組態(tài)出現(xiàn)故障；
接口損壞或采用了未經(jīng)認(rèn)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(xiàn)場總線診斷技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程
從上世紀(jì)70年代起，現(xiàn)場儀表和控制系統(tǒng)的診斷最初僅僅是一些輸出信號(hào)和I/O狀態(tài)是否正常等簡單的診斷，之后HART技術(shù)的問世為儀表和過程診斷帶來了許多新的概念和方法。不過，限于HART的主從通信機(jī)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(bào)警，較為詳細(xì)的故障信息還必須由主機(jī)發(fā)出查詢后才可發(fā)出，因此有人將此歸類于所謂“被動(dòng)式診斷”。自從90年代現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，隨之帶來了較為復(fù)雜的傳感器和過程診斷的加速，例如對(duì)于FF智能儀表其診斷數(shù)據(jù)是作為設(shè)備反饋信息的一部分不斷地在刷新。直到最近幾年才出現(xiàn)了高級(jí)物理層診斷，整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控范圍大為擴(kuò)展，不但可以對(duì)故障做出診斷，而且還能夠?qū)δ切┥形窗l(fā)生故障、但有可能發(fā)展為故障的一些問題發(fā)出預(yù)警。這就是診斷技術(shù)的進(jìn)展歷程（見圖1）。
圖1現(xiàn)場儀表和系統(tǒng)的診斷技術(shù)的進(jìn)展歷程［1］
與此同時(shí)，無線技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用的迅速發(fā)展，尤其是無線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(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)項(xiàng)，其中有最多可有4個(gè)過程測量值，以及儀表設(shè)備專用的診斷信息（如接線故障、電子電路故障、超出測量范圍等），它們都可以被用來改善工業(yè)生產(chǎn)的績效。圖2示出了這個(gè)思路［2］。
圖2 無線HART為智能HART數(shù)據(jù)給出了新的信傳送通道
近些年來總部設(shè)在德國的過程工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的用戶組織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(nèi)人士的重視和推崇。其中《現(xiàn)場設(shè)備的自監(jiān)測和診斷》（文件號(hào)：NE 207）［3］就是專門針對(duì)現(xiàn)場儀表變送器和執(zhí)行器提出的自監(jiān)測和診斷要求，為發(fā)展現(xiàn)場儀表的診斷技術(shù)給出了指導(dǎo)性的意見。
2 物理層診斷的必要性
當(dāng)決定采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的方案后，在施工、調(diào)試投運(yùn)和正式運(yùn)行等各個(gè)階段，都對(duì)其測試和診斷技術(shù)和工具有迫切的要求。這使現(xiàn)場總線診斷的發(fā)展有了明確的發(fā)展方向。尤其是現(xiàn)場總線系統(tǒng)投運(yùn)以后，不少用戶反映，通信似乎是一個(gè)黑盒子，當(dāng)主系統(tǒng)上指示產(chǎn)生了一個(gè)故障或發(fā)生了一個(gè)報(bào)警事件，常常不知道該如何處理。而實(shí)際上最常見的現(xiàn)場總線問題是：從物理層的角度看，現(xiàn)場總線設(shè)備不處在通信狀態(tài)，最壞的是某個(gè)設(shè)備周期性的出現(xiàn)不參與通信的情況；從應(yīng)用層的角度看，存在傳輸過來的是無效數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)測量值未作校驗(yàn)或有問題）。有些問題如I/O出問題可以由現(xiàn)場總線設(shè)備本身進(jìn)行診斷。
現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)通信出現(xiàn)故障，可以使用哪些工具或方法來查找故障呢？
目測（觀察現(xiàn)場總線設(shè)備上的指示燈）是最基本的診斷。以Profibus-DP為例，絕大多數(shù)設(shè)備上有3個(gè)發(fā)光二極管指示燈：ON，BF，SF。這些LED對(duì)維修人員極為重要，通過它們可以明確判斷設(shè)備的狀態(tài)。不過，大多數(shù)Profibus-PA儀表沒有LED指示燈，因?yàn)橛煽偩€供電，要節(jié)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發(fā)生了某種故障，常常不能給現(xiàn)場總線的維護(hù)人員指示問題究竟出在哪里。最重要的工具當(dāng)然是網(wǎng)絡(luò)分析儀，但這類昂貴的儀器需要較深的專業(yè)知識(shí)，在現(xiàn)場使用頗多不變，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(xiàn)場總線診斷的視角看，可以將目前在工業(yè)通信中運(yùn)用的現(xiàn)場總線劃分為三大類：①從自動(dòng)化儀表發(fā)展過來的現(xiàn)場總線，主要是HART、FF的H1和Profibus-PA；②從PLC的遠(yuǎn)程I/O發(fā)展過來的現(xiàn)場總線，主要有Profibus-DP、DeviceNet和CC-Link等，這里又可細(xì)分為基于RS 485的現(xiàn)場總線和基于CAN的現(xiàn)場總線。③專為運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用開發(fā)的現(xiàn)場總線，如SERCOS、EtherCAT、PowerLink等。運(yùn)動(dòng)控制用現(xiàn)場總線發(fā)展較晚，目前有關(guān)的診斷工具的開發(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。前兩類現(xiàn)場總線的應(yīng)用都有了很大的范圍，對(duì)診斷的需求呼聲很高，所以近年來發(fā)展較快。它們的物理層的原理相似，但機(jī)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。
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(xiàn)場總線的電源，設(shè)備接口硬件，故障保護(hù)裝置（如網(wǎng)段保護(hù)器等），現(xiàn)場總線通信的物理學(xué)（如信號(hào)等），圖3給出了物理層的構(gòu)成［2］。
圖3 FF H1和Profibus-PA物理層的構(gòu)成
由此可以推斷，物理層診斷就是將診斷測試設(shè)備通過現(xiàn)場總線主干電纜與現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)直接連接，來連續(xù)測試、監(jiān)控和診斷整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)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示出在線診斷模塊在現(xiàn)場總線系統(tǒng)中的位置。還可以通過物理層診斷來證實(shí)網(wǎng)絡(luò)是否符合或一直符合現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，以及嚴(yán)格的設(shè)計(jì)規(guī)則。
就其功能而言，物理層診斷工具可以分為：①簡單手持式診斷設(shè)備：離線測試和初步診斷。②基本在線診斷設(shè)備：可在調(diào)試投運(yùn)時(shí)進(jìn)行初步的故障診斷，并可一直連在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)上以檢測運(yùn)行時(shí)的故障和查找報(bào)經(jīng)原因。③移動(dòng)式高級(jí)在線診斷設(shè)備：可在調(diào)試投運(yùn)期間，甚至當(dāng)控制系統(tǒng)和相關(guān)的現(xiàn)場總線電源都不能使用時(shí)進(jìn)行高級(jí)測試，或在運(yùn)行期間作詳細(xì)的故障查找。④高級(jí)在線診斷設(shè)備：可在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)施工、調(diào)試投運(yùn)和系統(tǒng)測試時(shí)，查找故障，按用戶定義的方式報(bào)告/制作技術(shù)文檔，以及早期給出故障預(yù)警。該設(shè)備永遠(yuǎn)與現(xiàn)場總線網(wǎng)段相連，并在整個(gè)現(xiàn)場總線網(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 將在線診斷模塊通過現(xiàn)場總線主干電纜接入現(xiàn)場總線系統(tǒng)
所謂基本物理層診斷范圍包括DC電壓、DC接地、高頻、數(shù)據(jù)信號(hào)。而高級(jí)物理層診斷范圍：除基本物理層診斷范圍包括的項(xiàng)目外，還能診斷全部波形、AC波動(dòng)情況、連線DC電流、數(shù)據(jù)的極性、AC不平衡和將波形存貯起來仔細(xì)分析（存貯示波器功能）。采用高級(jí)在線物理層診斷的優(yōu)越性在于可測試和連續(xù)測試現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量，通信電纜的基本設(shè)施狀況，現(xiàn)場總線用的電源、終端器和其他設(shè)備的工作狀態(tài)，網(wǎng)段中所有的電子電路。這樣一來，對(duì)于用戶而言，現(xiàn)場總線的運(yùn)行狀況是可見的，透明的。一方面可加速調(diào)試運(yùn)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(xiàn)場總線系統(tǒng)的性能，在控制室內(nèi)通過對(duì)現(xiàn)場總線運(yùn)行狀況的監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)FCS的變化，在現(xiàn)場總線系統(tǒng)存在隱患、有可能對(duì)生產(chǎn)造成不良影響之前，就能發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)排除。
目前已將高級(jí)物理層診斷功能集成到現(xiàn)場總線FF H1的供電電源母版上，這主要是用一個(gè)在線物理層診斷模塊同時(shí)監(jiān)測幾個(gè)現(xiàn)場總線網(wǎng)段，可進(jìn)一步降低成本。考慮到診斷性能、設(shè)備的復(fù)雜性和硬件成本的折中，P+F公司的FieldConnex高級(jí)物理層診斷模塊設(shè)計(jì)成一個(gè)模塊可同時(shí)對(duì)4個(gè)網(wǎng)段進(jìn)行診斷，并將它集成到現(xiàn)場總線的供電電源中，作為標(biāo)準(zhǔn)電源產(chǎn)品供貨。近年來Emerson和橫河等DCS供應(yīng)商與P+F均簽有這方面的技術(shù)轉(zhuǎn)讓協(xié)議。用戶可以直接從這些廠商訂購帶高級(jí)物理層診斷的FCS系統(tǒng)。目前物理層高級(jí)在線診斷還僅用于流程工業(yè)現(xiàn)場總線的FF H1和Profibus-PA，而其他的現(xiàn)場總線診斷大都是移動(dòng)式高級(jí)在線診斷。
表1 四種診斷工具的功能比較表
|
測 量 |
移動(dòng)式高級(jí)診斷 |
高級(jí)在線診斷 |
手持式現(xiàn)場總 線測試儀 |
基本在線診斷 |
|
潛在故障早期診斷用所有測量項(xiàng)目隨時(shí)間的 去世與記錄 |
有 |
有 |
無 |
有（有限） |
| 主干電纜電流測量 |
無 |
有 |
無 |
無 |
| 抖動(dòng)測量 |
有 |
有 |
無 |
無 |
| 數(shù)據(jù)信號(hào)幅度 |
有 |
有 |
有 |
有 |
| 屏蔽對(duì)信號(hào)±極的AC和DC不平衡（%） |
有 |
有 |
無 |
無 |
| ±極間直接短路 |
有 |
有 |
有 |
有 |
|
全頻譜分析 |
有 |
有 |
無（部分有） |
無（部分有） |
| 高頻噪聲測量 |
有 |
有 |
有 |
有 |
|
數(shù)字存貯示波功能 |
有 |
有 |
無 |
無 |
| 主干電纜電壓測量 |
有 |
有 |
有 |
有 |
| 高級(jí)軟件分析和硬拷貝打印輸出 |
有 |
有 |
無 |
無 |
| ±信號(hào)錯(cuò)誤反接報(bào)警 |
有 |
有 |
無 |
有 |
| 分離型診斷信息總線（任何網(wǎng)段故障不會(huì)影響操作 |
有 |
有 |
有 |
無 |
| 有總線拉出零電流線 |
有 |
有 |
無 |
無 |
| 無需用電纜或端子盒緊靠終端器或接口 |
無 |
有 |
無 |
有 |
| 可同時(shí)監(jiān)測所有網(wǎng)段 |
無 |
有 |
無 |
有 |
| 從現(xiàn)場總線安裝直到投運(yùn)一直留在現(xiàn)場安裝點(diǎn) |
無 |
有 |
無 |
有 |
4 現(xiàn)場總線可能發(fā)生的故障類型分析
毫無疑問，一個(gè)設(shè)計(jì)得很好又得到很好維護(hù)的現(xiàn)場總線網(wǎng)段，可以運(yùn)行多年而沒有任何問題。但是，就像任何電子系統(tǒng)會(huì)在其生命周期內(nèi)發(fā)生某些不可預(yù)測的故障一樣，現(xiàn)場總線系統(tǒng)仍然會(huì)在某些網(wǎng)段的某個(gè)點(diǎn)上會(huì)發(fā)生故障。現(xiàn)場總線的故障可能在任意時(shí)間發(fā)展或發(fā)生而毫無警告。損壞或故障涉及的范圍從一個(gè)不顯著的變化到一個(gè)頗為麻煩的報(bào)警，或一個(gè)致命性的事故。
為了能充分了解現(xiàn)場總線物理層診斷的具體內(nèi)容，下面會(huì)較詳細(xì)地討論在一個(gè)廣泛的范圍內(nèi)可能發(fā)生的故障類型。
· +/-極對(duì)屏蔽的故障（不平衡） 電纜導(dǎo)線的+/-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(xiàn)的概率較高，一般都是因?yàn)閷?dǎo)線的終端與儀表的外殼接觸，或是在安裝過程中電纜受到損壞。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。電纜的安裝走線不良或者電纜的制造缺陷，也有可能導(dǎo)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(fù)雜化了，有時(shí)還可能電纜受潮或不慎受到水浸，使傳導(dǎo)性能變壞。雖然這些問題在一段時(shí)間內(nèi)可以容忍，但由此而導(dǎo)致由一般的小問題發(fā)展成為故障，例如產(chǎn)生電容對(duì)地短路和一個(gè)極直接對(duì)屏蔽短路。不平衡往往會(huì)使對(duì)噪聲的靈敏度增加，因而提高了通信出錯(cuò)的幾率。
· +極對(duì)-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(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)段出現(xiàn)故障，也有可能并非直接短路，而是呈現(xiàn)一定的電阻，這時(shí)儀表的濾波電容或過載保護(hù)的半導(dǎo)體器件會(huì)發(fā)生漏電，電纜或接線盒浸水，也會(huì)引起此類故障。
·串線、噪聲和干擾 噪聲會(huì)以多種形式出現(xiàn)，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串線干擾，都會(huì)引發(fā)噪聲。接地回路和接地耦合噪聲會(huì)通過電纜的屏蔽傳導(dǎo)過來，并對(duì)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(rèn)為是通信信號(hào)最大的問題，是許多禍害問題之源。現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(nèi)、且電平超過75mV（峰—峰值）的噪聲。
·終端器故障 簡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(xiàn)場側(cè)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(hào)的嚴(yán)重畸變。終端器中的電容發(fā)生故障的形式有：開路，是終端器失效；短路，導(dǎo)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(dǎo)體，以致終端器逐漸失效。
·終端過載/欠載 現(xiàn)場總線系統(tǒng)可以在一定程度上容忍終端的過載或欠載，這與網(wǎng)絡(luò)的配置和起始發(fā)出的信號(hào)質(zhì)量有關(guān)。現(xiàn)場總線的電源/電源調(diào)理器，以及設(shè)備的負(fù)載也會(huì)對(duì)此有所影響。在長主干電纜的終點(diǎn)一旦發(fā)生終端器失效或?yàn)榻尤虢K端器，就會(huì)使通信信號(hào)產(chǎn)生反射，致使信號(hào)畸變。
·現(xiàn)場總線電源漂移或阻抗故障 現(xiàn)場總線電源的無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(dāng)將兩個(gè)現(xiàn)場總線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(xiàn)場總線電源的阻抗發(fā)生漂移或失效，并不一定導(dǎo)致信號(hào)衰減，倒是常常會(huì)使信號(hào)的頂部由平變陡，如果電容過大，會(huì)使波形的上升沿呈兩段上升折線；如果電感過大，會(huì)使波形的下降沿沿呈兩段下降折線。信號(hào)的這些畸變首先會(huì)導(dǎo)致“抖動(dòng)”不穩(wěn)定出錯(cuò)，接下去在產(chǎn)生致命性故障前會(huì)引起多次的數(shù)據(jù)重發(fā)。
·水浸入 現(xiàn)場發(fā)生重大故障、接線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，或接線端子排浸在水里，這時(shí)會(huì)造成絕緣受損、導(dǎo)電性顯著增加，或主干電纜的電流改變、對(duì)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(dǎo)電現(xiàn)象產(chǎn)生，從而發(fā)生電蝕，隨著時(shí)間推移電纜也會(huì)受到電蝕。
·現(xiàn)場總線設(shè)備故障 許多現(xiàn)場設(shè)備內(nèi)設(shè)有故障切斷電路，就是說當(dāng)它檢測到破壞性的“信號(hào)”會(huì)立即自動(dòng)將設(shè)備從網(wǎng)段中斷開。不過不是所有的問題都可以得到保護(hù)，因?yàn)樵诰W(wǎng)段或分支電路上的保護(hù)器能有效動(dòng)作之前有一段時(shí)間，設(shè)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(shè)備能與主干電纜雙向連接，有些設(shè)備設(shè)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 為防止電壓瞬間過載損壞分支保護(hù)器和設(shè)備中的敏感電子元器件，一般總會(huì)在現(xiàn)場總線電源中設(shè)有TSV或電涌放電器。雖然他們能起到保護(hù)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(shè)備共有的損壞方式。在正常運(yùn)行期間，TVS有可能在沒有電應(yīng)力和熱應(yīng)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(jié)果導(dǎo)致漏電或阻抗發(fā)生有問題的改變。
·現(xiàn)場總線噪聲濾波電容器問題 現(xiàn)場設(shè)備、現(xiàn)場總線電源和保護(hù)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(shè)備，例如接12個(gè)設(shè)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?yàn)殡娙萜骺赡荛_路、短路或者向低電容值漂移，結(jié)果會(huì)造成不同的作用，某些情況下可能是破壞性的，或者由于沒有引起注意導(dǎo)致釀成復(fù)合型的故障。
·信號(hào)極性接反 許多設(shè)備是雙極性的，這就是說有可能以任意極性與網(wǎng)段相連。然而有些設(shè)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題。這使數(shù)據(jù)信號(hào)反轉(zhuǎn)，在某些時(shí)候系統(tǒng)容忍這種反接，不過設(shè)備之間的通信就會(huì)出問題。如果在安裝和調(diào)試投運(yùn)期間極性接反了，直到正式投產(chǎn)，有可能好多問題還難以發(fā)現(xiàn)。
·現(xiàn)場總線供電電源的狀態(tài)正常監(jiān)測和故障 現(xiàn)場總線電源的輸出電壓可能會(huì)在用了很長時(shí)間后超出了容許范圍。即使有采用冗余電源，由于或門二極管短路，或者有一個(gè)電源的內(nèi)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(yīng)采取緊急措施加以更換。
5 故障檢測的高級(jí)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(xiàn)場總線系統(tǒng)的運(yùn)行過程中及時(shí)檢測出潛在故障的所在，并判別出其類型，進(jìn)行早期的預(yù)警。
實(shí)際上，可以把上述故障類型檢測加以一定的分類，例如DC性質(zhì)的故障檢測、AC性質(zhì)的故障檢測、信號(hào)電平衰減的故障檢測、屏蔽對(duì)±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(hào)極性反接的檢測等等。
以“DC性質(zhì)的故障檢測”為例，因?yàn)椴徽撌乾F(xiàn)場設(shè)備噪聲濾波器和二極管橋的DC泄露、TVC的DC泄露、設(shè)備電壓改變的原因推斷、浸水、終端器的DC故障、設(shè)備的電流故障，以及±極之間的DC故障，所有這些可能的問題都可以通過主干電纜中流過的電流的微小變化和隨著時(shí)間而發(fā)生增量型的變化加以檢測。相對(duì)于信號(hào)電平的變化來說，主干網(wǎng)的電流變化的檢測能夠更靈敏的反映問題，具有較好的可檢測性。尤其是對(duì)于還在逐漸變壞著的±極受到水浸故障的早期預(yù)警、終端器中電容的漏電、設(shè)備濾波器電容或二極管橋的漏電、保護(hù)二極管（TVS）的漏電和設(shè)備電流故障或漂移，用主干電纜的電流變化來檢測問題更為有效。
再如屬于“AC性質(zhì)的故障檢測”的有TVS和現(xiàn)場設(shè)備阻抗變化、有源電源故障或阻抗故障、終端過載或欠載、±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?yàn)槎秳?dòng)測量忽略特定的或分立的故障如噪聲電平或信號(hào)衰減，而集中于檢測通信數(shù)據(jù)的精確度，看數(shù)據(jù)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(hào)畸變、網(wǎng)絡(luò)諧振、有源現(xiàn)場總線電源阻抗漂移、終端器電容或電阻漂移、設(shè)備濾波器電容漂移、設(shè)備阻抗故障和全帶寬噪聲的影響等所造成的信號(hào)幅度的變化。噪聲影響或信號(hào)衰減/畸變有時(shí)單獨(dú)尚滿足所求的規(guī)范的限制，不過合在一起便會(huì)產(chǎn)生故障。如果數(shù)據(jù)信號(hào)存在向故障變化的趨勢，用較長的時(shí)間進(jìn)行抖動(dòng)測量，就可以在發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸遭遇破壞前發(fā)現(xiàn)問題信號(hào)電平測量可以用來檢測由于集中有源電源阻抗故障或漂移、電纜衰減、終端過載/欠載或者設(shè)備阻抗故障所造成衰減。現(xiàn)場總線可以在信號(hào)電平很低的情況下運(yùn)行，但可能造成數(shù)據(jù)丟失，所以在信號(hào)變得低于可接受的電平之前就應(yīng)發(fā)出預(yù)警。將抖動(dòng)測量與信號(hào)電平測量組合使用，使我們可以更好地實(shí)現(xiàn)有目標(biāo)的故障診斷。
并不是所有的“屏蔽對(duì)±極的AC和DC故障”都是簡單的短路，可以將它們視為不同程度的電容性和電阻性故障，由此來評(píng)定是哪個(gè)極出現(xiàn)問題。電容性的故障或不平衡可能是由于現(xiàn)場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，還有可能是安裝問題。此外，浸水和現(xiàn)場設(shè)備噪聲濾波器的電容漂移等，常常是通過電容檢測、電阻測量來發(fā)現(xiàn)問題。對(duì)于那些正在因浸水而緩慢發(fā)展的±極對(duì)屏蔽的可能故障，用這種測量發(fā)出早期預(yù)警是很有效的。
至于串線干擾、噪聲干擾和電磁干擾，可以用頻帶內(nèi)有害噪聲檢測，以及全頻譜分析予以檢測，對(duì)于源于終端器故障、現(xiàn)場總線電源阻抗故障、接地故障、串線、驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(xiàn)場總線的物理層故障檢測是需要用很多測量方法來輔助檢測、判斷和評(píng)估的。而要把這些方法綜合在一個(gè)故障診斷系統(tǒng)內(nèi)，除了用連接在現(xiàn)場總線主干電纜上的故障診斷模塊或診斷適配器來采集相關(guān)的信號(hào)和信息而外，很重要的是有一套運(yùn)行于計(jì)算機(jī)中、集合網(wǎng)絡(luò)分析器（檢查通信協(xié)議運(yùn)行質(zhì)量）、示波器（通過網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)測試數(shù)字通信的波形檢查信號(hào)質(zhì)量，其中包括信號(hào)幅度、反射、噪聲、EMC等在內(nèi)）和生成網(wǎng)絡(luò)故障分析報(bào)告諸功能的軟件。如果這個(gè)診斷系統(tǒng)是專為Profibus-DP設(shè)計(jì)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(shè)置從站地址等功能。否則就不能進(jìn)行現(xiàn)場總線運(yùn)行時(shí)的在線診斷了。
目前能對(duì)Profibus-DP總線運(yùn)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、接線斷開、衰減情況和電纜線接反的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(xiàn)
［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(zhuǎn)自《自動(dòng)化博覽》
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)