【什么是现场总线】-现场总线工作原理丨现场总线常见故障排除

  现场总线是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络。按照国际电工委员会IEC/SC65C的定义，安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线称为现场总线。

 

  现场总线主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。简单说，现场总线就是以数字通信替代了传统4-20mA模拟信号及普通开关量信号的传输，是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。由于现场总线简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，因而受到了许多标准团体和计算机厂商的高度重视。

 

现场总线的工作原理

  现场总线控制系统由测量系统、控制系统、管理系统三个部分组成，而通信部分的硬、软件是它最有特色的部分。

 

1、现场总线控制系统：

 

  它的软件是系统的重要组成部分，控制系统的软件有组态软件、维护软件、仿真软件、设备软件和监控软件等。首先选择开发组态软件、控制操作人机接口软件MMI。通过组态软件，完成功能块之间的连接，选定功能块参数，进行网络组态。在网络运行过程中对系统实时采集数据、进行数据处理、计算。优化控制及逻辑控制报警、监视、显示、报表等。

 

2、现场总线的测量系统：

 

  其特点为多变量高性能的测量，使测量仪表具有计算能力等更多功能，由于采用数字信号，具有高分辨率，准确性高、抗干扰、抗畸变能力强，同时还具有仪表设备的状态信息，可以对处理过程进行调整。

 

3、设备管理系统：

 

  可以提供设备自身及过程的诊断信息、管理信息、设备运行状态信息（包括智能仪表）、厂商提供的设备制造信息。例如FISHER—Rosemoune公司，推出AMS管理系统，它安装在主计算机内，由它完成管理功能，可以构成一个现场设备的综合管理系统信息库，在此基础上实现设备的可靠性分析以及预测性维护。将被动的管理模式改变为可预测性的管理维护模式AMS软件是以现场服务器为平台的T型结构，在现场服务器上支撑模块化，功能丰富的应用软件为用户提供一个图形化界面。

 

4、总线系统计算机服务模式：

 

  以客户机/服务器模式是较为流行的网络计算机服务模式。服务器表示数据源（提供者），应用客户机则表示数据使用者，它从数据源获取数据，并进一步进行处理。客房机运行在PC机或工作站上。服务器运行在小型机或大型机上，它使用双方的智能、资源、数据来完成任务。

 

5、数据库：

 

  它能有组织的、动态的存储大量有关数据与应用程序，实现数据的充分共享、交叉访问，具有高度独立性。工业设备在运行过程中参数连续变化，数据量大，操作与控制的实时性要求很高。因此就形成了一个可以互访操作的分布关系及实时性的数据库系统，市面上成熟的供选用的如关系数据库中的Oracle，sybas，Informix，SQL Server；实时数据库中的Infoplus，PI，ONSPEC等。

 

6、网络系统的硬件与软件：

 

  网络系统硬件有：系统管理主机、服务器、网关、协议变换器、集线器，用户计算机等及底层智能化仪表。网络系统软件有网络操作软件如：NetWarc，LAN Mangger，Vines，服务器操作软件如Lenix，os/2，Window NT。应用软件数据库、通信协议、网络管理协议等。

现场总线故障排除

1、现场总线通讯故障

 

怀疑总线通讯故障与变频器干扰有关。

 

（1）检查接地，保证接地良好。

 

（2）通讯总线远离大功率变频器等功率设备，最好使用光纤连接变频器等大干扰设备的通讯，比电气连接对抗干扰能力强。

 

（3）尽量保证通讯距离不是很远，波特率不是太高。

 

 

2、profibus现场总线通讯故障

 

  多数情况下是阻抗不匹配、终端电阻设置不当、电缆屏蔽层接地不正确、电缆连接器故障（DP头上的ON/OFF开关不好用）引起的通讯不畅。

 

处理办法：

 

（1）采用阻抗匹配、低衰减的RS485专用总线电缆更有利于保证通信。一般推荐如下：

 

  普通双绞屏蔽型电缆 STP-120Ω（for RS485 & CAN） one pair 20 AWG ，电缆外径7.7mm左右。适用于室内、管道及一般工业环境。使用时，屏蔽层一端接地。

 

  普通双绞屏蔽型电缆 STP-120Ω（for RS485 & CAN） one pair 18 AWG ，电缆外径8.2mm左右。适用于室内、管道及一般工业环境。使用时，屏蔽层一端接地。

 

  铠装双绞屏蔽型电缆 ASTP-120Ω（for RS485 & CAN） one pair 18 AWG ，电缆外径12.3Mm左右。可用于干扰严重、鼠害频繁以及有防雷、防爆要求的场所。使用时，建议铠装层两端接地，最内层屏蔽一端接地！

 

（2）传输距离超过300米应加终端电阻（一般为120Ω）。

 

（3）变频器、动力电缆、变压器、大功率电机等往往伴随着低频干扰，而这种干扰是用高导电率材料做屏蔽层的电缆无法解决的，包括原装的进口电缆。只有用高导磁率材料（如钢带、钢丝）做的屏蔽层才能有效抑制低频干扰。

 

 

3、CAN总线错误

 

（1）CAN BUS OFF

 

  CAN总线错误分别有发送和接收错误计数，计数达到一定的累计以后就会产生CAN BUS OFF, 这说明CAN总线上出现了严重的错误。

 

  如果出现了BUS OFF，总线上的节点需要做一些动作，例如重启CAN控制器或是重新上电，但是这些都只是一些补救措施，最根本的还是需要找到引起BUS OFF的根源。

 

  CAN节点发送数据不成功，首先分析是不是CAN控制器本身的问题，查看CPU中的CAN core的状态寄存器，分析是否有BUS OFF, 如果存在BUS OFF, 则进一步查看具体的错误信息，是主动的错误还是被动的错，发送错误计数有没有超限，最后一次发生的错误状态是什么，查看是位填充错误还是格式错误等其他错误，然后具体问题具体分析。这种错误一般是有硬件发送线路出现问题引起，例如光隔次边不导通，发送接口接触不良等。

 

（2）CAN Socket 的CAN节点检测到错误帧：

 

出现这个错误警告的原因很可能是：

 

  此CAN总线上有干扰，导致CAN控制器发生接收错误，CAN总线上的信号经过收发器转化为差分电平信号，此时信号容易受到外界干扰，这样容易使CAN控制器发生接收错误，接收错误寄存器接收错误计数累计到一定值后会报此错误，如果错误计数达到一定程度甚至会导致总线关闭也就是BUS OFF. 如果最终确认是由于干扰引起的错误计数累计，则应该排查干扰源，然后增加抗干扰措施。

 

  此CAN节点经过消息滤波后仍然需要接收大量的消息，导致CPU中的CAN控制器接收出错，并且错误计数达到了错误警告的上限。但是庆幸的是总线仍然没有过载，总线还可以正常收发数据，没有引起BUS OFF。但是对于一个安全可靠控制系统，这样的警告是绝对不允许的。我们需要通过一些手段去避免这样的问题出现，例如降低总线数据并发量，降低总线负载。