胡小波

（中石油长城钻探顶驱技术分公司，辽宁盘锦 124010）

0 引言

Profibus 工业自动化网络具有通信速率高、通信误码率极低，以及抗干扰能力强等优点，在国内外顶驱装置中得到广泛应用。随着应用范围的扩大，顶驱Profibus 网络在使用中出现的故障也越来越受到重视和关注[1]。从广泛应用的VARCO 顶驱和北石顶驱网络拓扑入手，在不同驱动系统以及不同PLC 控制系统下，对比分析各自特点和异同点，为现场顶驱通信网络故障处理提供一个理论依据和解决思路。

1 常见顶驱网络拓扑结构分析

1.1 老式VARCO TDS-11SA 顶驱Profibus 网络拓扑结构

老式VARCO TDS-11SA 顶驱网络采用西门子6SE70 变频驱动系统和西门子S7-300 PLC 控制系统搭建，整体网络结构相对简单，如图1 所示。

在电控房内，驱动系统中的CUVC 控制板作为底座，CBP-2通信板作为与CPU315-2DP 网络数据交换的通信接口板。315-2DP 模块作为CPU 模块，同时具有总线耦合器的功能，将电控房内的数字输入模块、数字输出模块和继电器输出模块等通过总线背板挂接到网络中。

在司钻箱内，由于各个模块之间没有背板连接，3 个ET200模块（4AO、4AI 和24DO/8DI）全部通过DP 接口连接到网络中。由于CBP2 板和ET200-24DO/8DI 处于网络终端，终端电阻设置成ON，其他模块都设置成OFF。

图1 老式VARCO TDS-11SA 网络拓扑结构

1.2 新式VARCO TDS-11SA/10SA 顶驱Profibus 网络拓扑结构

新式VARCO TDS-11SA 顶驱和10SA 顶驱的网络拓扑结构完全相同，均采用ABB ACS-800 变频驱动系统、贝福CPU 模块和WAGO 公司PLC 模块搭建，整体网络结构与老式VARCO系统相似，如图2 所示。

图2 新式VARCO TDS-11SA/10SA 网络拓扑结构

在电控房内，ACS800 驱动系统中的RDCU-02 电机控制板作为底座，RPBA-01 通信模块插接到RDCU 上，通过RPBA 模块与网络中的贝福CX1020 CPU 模块相连。但此时与老式VARCO 中315-2DP 模块不同，CX1020 不再具有总线耦合器的功能，仅仅是作为网络中的终端模块存在。电控房内的数字输入模块、数字输出模块以及编码器模块等都是通过单独的总线耦合器WAGO 750-333 挂接到网络中。

在司钻箱内，由于各个模块之间利用背板连接，通过司钻箱内的总线耦合器WAGO 750-333 挂接到网络中。

RPBA-01 板和司钻箱内的WAGO 750-333 模块处于网络终端，终端电阻设置成ON，其他模块都设置成OFF。

1.3 北石DQ70BSC 顶驱Profibus 网络拓扑结构

1.3.1 北石DQ70BSC 顶驱网络搭建

在现场应用中，北石DQ70BSC 顶驱的网络拓扑结构最为复杂，与VARCO 顶驱的网络搭建模式完全不同，其网络结构由西门子S120 变频驱动系统和西门子S7-300 PLC 模块组建，网络结构如图3 所示。同时，在北石通信网络中，还设计引入了西门子中继器模块（图3 中RT、RT1、RT2 和RT3），其样式如图4 所示。西门子中继器模块作用如下。

（1）中继器模块将模块上下连接的Profibus 通信线隔离成上下两个网络，两个网络之间没有直接电气连接。

（2）提供信号中转发大的作用。由于1 个中继器连接上下两个网络，每个模块上面也就存在两个终端电阻开关设置。中继器的存在将网络划分成多个通信子网。

在电控房内，模拟输入输出模块、数字输入输出模块以及编码器模块通过IM153总线耦合器挂接到网络中；驱动系统通过CU320 模块的通信接口与中继器RT2 和RT3连接，形成冗余备用模式挂接到网络中。

在司钻箱内，PLC 的输入输出模块通过IM153 总线耦合器挂接到网络中。在本体站内，PLC 的输入输出模块通过ET200pro 总线耦合器挂接到网络中。北石顶驱与VARCO 顶驱除了网络搭建方式不同，另一最大不同在于本体作为通信网络的终端存在。这就涉及到北石顶驱特有的模式选择开关，当选择通信模式时，本体站与电控房的通信通过图3 中的光纤完成；当选择电缆模式时，本体站与电控房的通信通过图3 中的Profibus电缆完成。

1.3.2 北石DQ70BSC 顶驱通信子网划分与设置

（1）MPI 网络。电控房内，工控机和315-2DP 模块的MPI 接口组成MPI 网络，其终端电阻都设置成ON。

（2）Profibus 通信子网1。电控房内的RT1、RT2 和RT3 的上端与315-2DP 模块、IM153 模块、OLM 模块、RT 中继器模块的上端组成Profibus 通信子网1，RT3 模块的上端和RT 模块的上端处于网络终端，终端电阻设置成ON，其他模块都设置成OFF。

（3）Profibus 通信子网2。电控房内的RT2 下端与CU320 模块1 组成通信子网2，终端电阻都设置成ON。

（4）Profibus 通信子网3。电控房内的RT3 下端和CU320 模块2 组成通信子网3，终端电阻都设置成ON。

（5）Profibus 通信子网4。电控房内的RT1 下端与本体站的OLM 模块以及ET200pro 模块组成通信子网4，RT1 下端和ET200pro 处于网络终端，终端电阻设置成ON，其他都设置成OFF。

（6）Profibus 通信子网5。电控房内的RT 模块下端与司钻箱的IM153 模块和触摸屏模块组成通信子网5，RT 模块下端和触摸屏处于网络终端，终端电阻设置成ON，其他都设置成OFF。

图3 北石DQ70BSC 顶驱网络拓扑结构

图4 西门子中继器模块

2 Prifibus 网络故障点及排除方法

分析上述各种常见顶驱的网络拓扑结构后可以发现，无论是何种网络结构，无论采用何种驱动系统模块和PLC 控制系统，搭建顶驱的Profibus 网络装置都可以分为3 大类，即网络终端模块（CPU、总线耦合器、工控机、触摸屏、中继器、OLM 模块等）、通信线和DP 插头。当顶驱出现通信故障后，可以按照以下方法进行快速排查。

（1）快速检查各个终端模块的电源指示和终端电阻设置。任何一个处于网络中的终端模块在无电源保证时，或者终端电阻设置不正常时，网络通信无法正常建立。当发现有模块的供电损坏或者掉电时，电源恢复后通信即可恢复正常；当终端电阻设置错误时，按照网络结构恢复后，通信即可恢复正常。

（2）在各个终端模块供电正常情况下，排查各个模块的通信指示灯。若一个或者多个模块出现通信故障指示，则说明故障出现在这一路网络中，锁定故障区域。

（3）检查故障区域DP 插头或者中继器。在检查DP 插头或者中继器的电气连接之前，应对其终端电阻的状态进行核对。核对准确无误后，再检查其电气连接。

对于DP 插头，当打到ON 位时，插针3 与8 之间的电阻约为220 Ω；当打到OFF 位时，电阻无穷大，此时DP 插头的A1和A2 通，B1 和B2 通；同样，在ON 位时，中继器的A1 和A2 之间电阻为220Ω，在OFF 位时，A1 和A2 通，B1 和B2 通。如果不是上述状态，则说明插头已坏，需要更换。

（4）如果DP 插头或者中继器在测量完好情况下，检查故障区域的通信电缆。检查通信电缆，比较直接，检查A1，B1 线有无断线，有无短路现象，屏蔽层是否接地良好。若存在问题，则立即更换。

（5）若终端模块的电源供电、DP 插头或者中继器以及通信电缆检查完毕，没有故障而通信故障仍然存在，则检查故障区域模块工作是否正常，发现指示灯不正常或者烧毁迹象，尝试更换终端模块，重新上电调试。

需要特别说明的是，对于新式VARCO 顶驱中的变频驱动系统APBU-01 通信模块，其内部已经集成了终端电阻及开关，当其DP 插头设置为ON 时，其模块本身的终端电阻设置开关必须打到OFF 位。

经过上述几步快速排查，顶驱通信故障即可快速锁定和排除。