变频器影响DP网络通信的一个现场案例

该用户是国内某行业最大的企业，该企业的某生产线使用了西门子的S7 400以及Profibus总线网络。该生产线使用了几年都没有出现过任何故障。从2012年10月份开始，在生产过程中陆陆续续出现网络故障，不定时不定点的出现丢站现象，导致生产中断。我们的系统集成商已经对现场所有的DP接头及接线进行了检查和加固，对部分老化的DP接头也进行了更换，也更换了部分ET200S的接口模板，但是问题不仅没有彻底解决，反而在今年的年初该问题越来越频繁，并且会出现系统无法启动的情况，严重影响了正常的生产，因此该企业希望利用一次停产检修的机会对网络进行一次彻底的检查，希望能将问题解决。
按照现场停产检修时间安排，我们提前一天抵达现场，在现场我们大致了解了一下情况：
整个项目使用的是西门子S7 416-2DP的CPU，现场是ET200S的从站，大该有35个。由于从站分布较广，因此整个DP线路比较长，应该超过了300米，波特率设置为1.5Mbps，但在前期的改造中，已经在网络中增加了两个RS485中继器。
现场的问题是ET200S从站经常瞬间掉站，并且没有明显的规律，不过最远端的几个站点丢站的频率相对还是高一些。现场曾经对网络进行过整改：将原DP网线从电缆槽中取出重新布线，有的地方还进行了穿管保护；另外，将一部分DP插头进行了更换，甚至有的ET200S的接口模板也进行了更换，但都没有最终解决问题。
根据现场的描述，我们估计可能导致问题的原因有：
1）现场网络布线有问题，导致网线上出现了干扰，从而影响了网络通讯
2）现场其他问题导致EMC干扰，从而影响了网络稳定
由于现场预计的停产时间仅有一天，为了便于检测，我们同系统集成商的现场工程师一起决定：当日即对实际拓扑进行了解；第二日进行现场检测和整改，并保证第三天恢复正常生产。
在了解拓扑的过程中，我们发现，由于现场的设备布局的问题，做为主站的CPU在DP网络中是一个中间站点，这种布局虽然是可行的，但对我来讲，总感觉有点不太踏实，觉得有点隐患在里面。
在查看通信电缆布线时，可以看到现场的电缆都已经进行了穿管处理（图1）。

第二天一早，我们便来到现场，开始对现场的RS485中继器的接线进行了确认。同时我们也对网络中的站点的波形进行了检测（图2、图3）。

从波形上看，信号波形不是很好，因此为了尽量提高系统的抗干扰性能，我们在网段中间又增加了一个中继器。另外，我们又对现场的网段都进行了检查。但由于没有生产，因此设备都没有开起来，因此也并没有发现更多的问题。
到了下午下班时（17：30），所有的检查结束，工厂准备恢复生产。
但就在我们刚换了工作服准备出生产车间门的那一刻，接到了现场工作人员的电话：“设备开不起来!”
刚刚准备放松的神经莫名的有点紧张起来。
回到操作室，设备供应商的工程师与现场人员交流后，轻松地说：“这个是系统早就存住的问题，应该过一会儿自动就能恢复。” 
于是我们等了一会儿，再次启动时，系统还是开不起来，现象就是只要一启动高压电机，系统就“跳”。
如此反复几次后，我们觉得问题不像以前那么简单，于是我们跟现场操作人员进行了交流。据他们反映，该故障现象确实早就存住，具体就是高压电机启动时系统会停机，有时是两台大的风机启动时，系统会出现停机。以前该故障仅是偶尔出现，并且出现停机后，过一段时间系统自己就能恢复，但后来现象越来越频繁，并且恢复起来越来越困难。而最近一次则是将现场的DP电缆全部更换后才恢复的。
但至于为什么停机，需要停多久，以及为什么还能恢复，谁也说不清楚。
由于在下午的网络检测时，我们曾经在网络中增加了一个中继器，因此为了尽快恢复生产，我们决定将该中继器去掉，希望系统还能像之前一样能自行恢复。但系统恢复后依然无法启动。
这样来回的测试，很快就20：00了，这会儿看来，应该不是系统停会儿机就能解决问题的。到了现在，大家逐渐感觉问题似乎不是那么简单的。
于是我们开始对网络进行诊断。首先我们通过Step7进行了“在线诊断”。在CPU的诊断信息中，我们看到系统的通讯中断的记录，多个站点丢失，而其中4号站和6号站几乎每次都会掉站。
经过询问系统集成商德工程师，我们了解到：当高压电机或者大的风机启动出现问题时，程序中会导致系统的急停连锁动作，从而导致整个生产线停车，而电机启动的输出为Q0.2（以及Q1.4），刚好是4号从站的输出点。因此，可以判断，问题应该就出在4号或者6号从站上。
于是我们来到4号站和6号站所在的电柜旁（图4），观察现场模板的实际工作情况。

图中为4号从站，该从站的DO模板直接连接到一个中间继电器，而该继电器的外部触点连接的是高压电机变频器的使能端，而现场所有的变频器均安装在该从站电柜的后面的墙上（图5）。

为了观察实际模板的的动作，我们让操作人员在操作屏上操作启动高压电机。我们发现，一旦指令发出后，可以看到4号从站上的DO模板有输出，继电器也随即吸合，之后能听到变频器启动的声音，但刚一启动，就会发现4号从站的接口模板上的通信故障灯BF会闪烁一下，之后系统就会出现停机。而停机之后，系统通讯很快又能自动恢复正常，从站借口模板上的BF故障灯消失，一切恢复正常。
这个现场非常奇怪，难道是变频器的使能端短路了？或者是中继器的端子短路了？
为了搞清楚停机的原因，我们甩开PLC，将变频器的启动端直接短接。我们发现这时变频器是可以启动的。因此应该不是变频器使能端短路引起的。另外，经过进一步查线，DO输出到中继器端子也都没有短路。
那到底是什么原因呢？难道是该段网线有问题？为了排除网线的问题，我们决定将该网段的DP插头以及电缆全部更换。
之后我们将柜内的Profibus电缆全部拆掉，用新的电缆将该MMC柜内的4~6号从站重新连接，并且将网线均放在柜外，与动力电缆以及设备完全分开。同时，还更换了两个全新的DP插头。
忙活了大概一个小时，上电后再次实验，仍然是同样的现象。。。
随后，我们又更换了接口模板，DO模板。。。问题依然。
“触点接线没问题，网线是重新布的，也跟动力电缆分开了，DP插头是新的，甚至IM151-3接口模板和该DO模板我们也换了，但只要该DO一输出，变频器刚刚起动，系统就跳。变频器是安装在柜子后面的墙上，除了使能端是通过继电器隔离连接到DO的，跟系统没有其他任何的连接，并且变频器也都接地了，即便是变频器对系统产生了影响，那是如何影响的呢？？而且如果真的是变频器对系统造成的影响，那早就应该出现问题了，而且在生产过程中随时都会出现，也不应该仅仅是在系统启机的时候出现。。。到底是什么原因导致系统的停机的呢。。。”
这些问题，大家分析了很久都没有结论，一时间也不知该如何进行下一步的测试了，而此时已经差不多晚上23：00了。大家的信心指数也随着晚上的温度在逐渐的降低，现场参与调试的人员的情绪也都越来越低落。而问题的处理已经陷入了僵局，完全没有头绪。此时，现场又接到了厂长询问的电话—工厂方面的领导层已经开始关注停机的问题了，我们的压力陡增！（http://www.dohai.cn/）
此时，我们已经没有特别明确的处理方向，只是又检查了一遍变频器和DP电缆。在控制高压电机的变频器柜内，可以看到变频柜都做了接地处理，连接至电机的动力电缆的屏蔽层也接到了柜内的金属板上，金属板也是接地的，唯一有一点没处理好的地方就是该动力电缆的屏蔽层是通过“猪尾巴”的方式进行连接的，而且该电缆似乎有点细，并且在接地螺钉处连接也不是很好。
于是大家决定将该电缆的屏蔽层进行重新的处理，将屏蔽层接地的电缆加粗，并且重新连接到金属接地板上（图6）。

经过处理，我们又进行了测试，而这次，我们惊喜的发现4号从站居然没有掉站，高压电机居然能够正常启动了，大家一片欢呼，情绪一下子又都高涨起来--终于看到点希望了！
“好了，系统可以启机了！”操作人员和维护人员们一下子都兴奋起来，大家开始准备启动设备恢复生产了，“高压电机起来了！准备启动风机，启动。。”话音未落，只听“啪”的一声，系统又跳了！
刚刚看到曙光的喜悦还不到两分钟，片刻间再次回到冰冷的黑夜。。。
这次中断的，是6号站。
经过检查，发现变频柜内的接地是通过一根黄绿的接地电缆接到了PLC柜的接地铜牌上，进而通过PLC柜再连到系统的“地”，变频柜本身并没有直接接地。               
于是，我们再次将大风机的变频器的动力电缆的屏蔽层也做了进行了同样的处理。同时，在高压电机变频柜内又增加了一根接地电缆，并连接到PLC柜的接地铜牌。
这次处理后，再次启动系统时，发现4号从站和6号从站都不再掉站，系统终于可以启动了，并且运行了大概30多分钟时间，当大家都以为问题已经解决了的时候，系统又停了。
看来仅处理屏蔽层的接地并没有解决问题，应该还要考虑别的方面。
此时已经是第二天凌晨的4点多了，而工厂的领导已经明确要求我们，在早班8：00钟前将系统开起来，否则将影响到整个工厂的生产进度的安排。
此时，我想到了网络拓扑。由于之前我们曾经发现，作为主站的CPU被放置在了网段的中间，因此我提出，将网络拓扑进行修改。根据现场的实际情况，我们在CPU侧增加了一个中继器，从而使改变了整个网络的拓扑，将CPU做为一个终端站点，使得网络的距离有了变化，而为了保证系统的正常工作，我们同时又将通讯波特率调整为500Kbps，满足了从站通信距离的要求（图8）。

整改后，我们又对网络波形进行了检测（图9）。可以看到，波形较之前有了较大的改善。

此时我们再次启动高压电机和大风机电机，系统正常启动。此时已经是第二天早上5：30分。
而这次启动后，之后又经过一个多小时的预生产观察，系统工作完全正常，没有再出现停机故障。工厂随即恢复生产。
至此，我们终于在第二天早上早班（8：00）之前保证了工厂恢复生产，也保证了厂家的生产进度没有收到更大的影响。
而我们，从头一天早上早班时进厂，到第二天早上早班时出厂，整整工作了24个小时。。。
通过这个Case，可以看到，现场遇到的问题往往是比较综合的，应该综合考虑：现场的EMC问题往往都是由于接地或者屏蔽层的处理不当造成的，而由于变频器产生的EMC问题的定位的难度是比较大的，需要长期的经验的积累和对于细节的了解；而Profibus的拓扑对于网络通信来讲也是非常重要的，应该遵循基本拓扑的原则进行网络的拓扑，否则会导致网络通信出现问题。
这个Case中的许多现象是大家在现场经常遇到的，因此描述的较为详细，希望对大家有所帮助。