中继器导致现场的一次问题

时间：2023-03-16作者：佚名

4月份的时候处理过一个紧急Case，某生产线采用了西门子的S7-400以及Profibus总线控制系统。该生产线试运行将近3个月，某天突然出现通讯中断的问题，导致生产线停车。现场调试人员做了各种检查，包括更换DP插头、在线槽内加隔板等等，但总是工作一段时间后就再次出现丢站的情况。
在现场，我们了解到，该系统的DP通信共两路，其中网络1连接的都是阀岛，该路网络并没有出现故障；网络2连接的是ET200M（IO）以及称重仪表，该路网络出现故障（图1）。

图1 网络组态
从现场故障记录可以看到，DP网络频繁中断，现场工程师已经对网线进行了检测、隔离等处理，有些网段则重新布线。另外，在出问题的网络2中，又增加了一个RS485中继器，但问题依然没有解决，因此现场调试工程师怀疑是EMC干扰导致通信出现问题。
为了确定问题的原因，到了现场，按照事先的计划安排，我们开始对网络拓扑进行检查。
首先检查网络拓扑和布线。现场网络共两条，每条网络上都只有20多个站点，并没有超出连接站点数的限制。波特率的设置为500Kpbs，通信电缆的长度在400米以内，满足Profibus网线通信距离的要求。但在通讯出现中断后，现场在网络2的中间位置增加了一个RS485中继器。接下来，我们对现场的实际布线及接线情况进行了检测。
由于现场已经对网络进行过排查，因此重点怀疑的有三段网线，该三段网线均在线槽内与动力电缆混在一起平行走线，并且发现了其中有一根网线存住破损的情况，而该破损的网线很有可能是导致通信出现问题的原因，因此我们再次重点检查了该网线。
我们再次对破损的电缆进行检查，一开始仅仅看到外皮和屏蔽层都被割破了（图2）。

图2 网线外皮有破损
但随着我们继续将外皮拨开，发现实际上红色的数据电缆的外皮已经被割破（图3），随时可能与屏蔽层接触到，而一旦接触，将导致通信线与屏蔽层发生短路故障，DP通信就会出现问题。

图3 数据线已经破损，将导致短路故障
根据现场工程师的分析，应该是由于之前所敷设的DP电缆由于长度问题，与金属管口接触较为紧密，而原的金属管口也没有保护垫圈，随着设备的震动，管口将DP电缆割破，导致通信出现问题。
于是现场将该电缆重新敷设，长度加长，保证DP电缆与管口不会接触，并且在管口加了胶皮垫圈，保证金属管口不再将电缆割断。而经过处理后，通信已经恢复正常，并且运行了一段时间都没有出现问题，因此应该说该问题是导致通信中断的主要原因（图4）。

图4 DP网线重新放线，金属管道口做了处理
现场在做了电缆处理后，正常工作了大概两天，但之后又出现过问题，因此网络中应该还存在其他隐患，于是我们对其余网段都进行了检查。
首先，由于电柜内加装了一个中继器，但在中继器的接线上，我们发现从主站方向来的DP线接到了RS485中继器的下端口，而一般情况下，RS485中继器都要求将DP主站方向来的电缆连接在上端口，因此我们将中继器的接线进行了整改，将主站方向来的DP线接到了中继器的上端口（图5）。

图5 中继器的接线方向做了调整
除了检查布线，我们又检查了DP通信的波形。因为通过波形，是可以发现网线上的干扰信号的。
我们分别在DP主站、中继器以及终端的站点上分别对波形进行了检测。从波形上看，物理层上并没有发现EMC干扰信号。
由于停机时间到，我们大概在晚上19点30分结束了检查，现场开始恢复生产。但大概在10点钟左右，我们接到电话，现场再次出现停机故障。
于是我们再次回到现场。当我们到达现场后，现场维护人员已经将故障恢复，但系统运行了几分钟后，通信再次中断。通过在线诊断信息，可以看到，有从站丢失，而这些丢失的从站都位于中继器之前。

图6 丢失的从站都是RS485中继器之前的
由于现场需要立刻恢复生产，而根据之前的对现场布线的检查，大家决定将从最后一个称重仪表到中继器之间的一段DP电缆用临时电缆替换，因为该电缆本身经过了一段线槽，而之前大家曾经认为该段电缆在线槽内与动力电缆一起布线，容易受到干扰。
更换了该电缆后，通信恢复，系统也恢复正常。现场随及恢复生产。因此，大家初步怀疑是该段电缆也存在类似第一段电缆一样的破损或者是受到线槽内动力电缆的干扰所至。
此时，为了确保通信的正常，我们也对DP信号再次进行了检测。但为了不影响生产，仅仅对更换电缆后的中继器上的信号进行了检测（图7）。

图7 更换新的电缆后，中继器上检测到的波形
从波形图上看，似乎也没有发现有什么问题。于是，当天的检查工作全部结束，现场开始生产，我们只能第二天再进行检测。
第二天，当我们再次检查波形的时候，突然发现昨天的正常的波形变得不规则了（图8）。

图8 CPU集成DP口的波形
将波形放大（图9），可以看出，本次检测得到的波形和正常的波形（如图7）不一样，上面有明显的反射，而这也和头天晚上检测到的波形（图8）不同。
这个波形让我觉得很奇怪，出现这样的波形表示物理线路上有断点，有可能是断线或者有虚接的插头；也有可能是某DP接口模板有问题，但昨天检查为什么是正常的呢？

图9 波形上有反射
根据波形参数，我们判断该反射点应该在距离主站最近的一个远端从站，于是我们又检测了该从站处的波形，发现该处的波形更差（图10）。

图10 距离主站最近的从站处的波形
在该从站检测到的信号波形上，可以看到，该从站自身发出的波形没有问题，但主站波形出现了较为严重的畸变。
而当我将该从站的终端电阻设置为“ON”时，信号即恢复正常，这就意味着，导致主站信号在传输过程中出现问题的，应该不是该从站。
于是我对每个从站都进行了波形的检测，最终查到，导致波形发生畸变的正是之前在线路上增加的RS485中继器！
于是我们将该中继器取消，再次测量波形，发现波形恢复正常（图11）。