CN113009262B - 一种Profibus-DP总线干扰类型判别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种Profibus‑DP总线干扰类型判别方法，技术方案是，用示波器采集Profibus‑DP总线网段的实时通信电压波形，收集实时数据，实时通信电压波形导出为.csv文档数据；对实时通信电压波形数据进行快速傅里叶变换，判断总线通信干扰类型，本发明通过在线监测总线通信电压信号，并通过快速傅里叶变换计算得到电压工频基波分量以及谐波分量，可随时判断总线通信干扰的类型，具有瞬时性，避免突发性事故和控制渐发性故障，提高总线系统的可靠性，减少设备的不必要停运、降低维护成本、增加设备可利用时间，从而提高设备运行维护效益；降低了总线系统的故障率，可保证电源供电可靠性，进而保证设备安全稳定运行。

Description

一种Profibus-DP总线干扰类型判别方法
技术领域
本发明涉及一种基于波形分解的PROFIBUS-DP总线干扰类型判别方法，用于快速诊断总线干扰故障，防止事故的扩大，属于测量技术领域。
背景技术
Profibus(Process Field Bus)过程现场总线控制技术作为一种新兴技术，已广泛地应用在石化、化工、冶金、发电等多个行业。Profibus-DP做为Profibus总线技术应用的一种，主要应用于自动化系统中单元级和现场级通讯，它能与各种不同的智能化现场设备联接，可以通过远方操作站由操作员集中、可视化地对现场设备进行监视、操作、组态、调试、调整或整定，其运行的可靠性将会影响到发电机组以及电网的稳定运行。当Profibus-DP总线通信存在物理回路故障或运行环境干扰时，将会引起网段等效阻抗变化，不仅会导致通信电压低于可靠运行阈值，还可能导致设备通信延迟、通信数据丢失、设备故障等问题，直接造成设备无法正确可靠动作和反馈，不利于总线系统设备安全稳定运行。
目前，Profibus-DP总线故障诊断方法主要通过检测通信网段通信电压大小并结合外部诊断系统判断总线故障，当检测通信网段稳定运行电压低于通信电压正常标准2.5V时，说明设备通信质量不可靠或者网段存在故障，然而该类方法主要判断总线系统电缆敷设安装、通信、屏蔽、信号反射、后台软件逻辑等物理、软件故障类型，并不能判断由干扰引起的总线系统故障的类型。当前随着总线系统物理回路的安装、调试逐渐规范，物理测试功能的不断完善，上述故障类型占比逐渐降低，由于交流电源、环境干扰造成的总线系统故障越来越突出，现场故障处理存在短板，不利于故障的快速处理。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之不足，本发明之目的就是提供一种准确性、快速、高效性判断总线的干扰类型的Profibus-DP总线干扰类型判别方法，可用于快速诊断和处理总线干扰故障。
本发明解决的技术方案是：
一种Profibus-DP总线干扰类型判别方法，包括以下步骤：
步骤一：Profibus-DP总线网段通信电压采集
用示波器采集Profibus-DP总线网段的实时通信电压波形，收集实时数据；
步骤二：通信电压波形数据处理
将步骤一采集的Profibus-DP总线网段的实时通信电压波形导出为.csv文档数据；
步骤三：数据快速傅里叶变换
采用matlab软件对步骤二采集的Profibus-DP总线网段的实时通信电压波形数据进行快速傅里叶变换，通信电压快速傅里叶变换公式如下：
上述公式中：
a0代表直流分量；
a1cos(ω0t+ψ)代表工频基波分量；
代表谐波分量；
步骤四：进行干扰类型的分析判断
根据matlab软件快速傅里叶变换后的数据，得到直流分量a0、工频基波分量幅值a1以及谐波分量幅值a2、a3…an；
将谐波分量幅值a2、a3…an求和得到谐波分量幅值之和b：
b＝a2+a3+…+an；
同时计算得到总谐波因数THF：
上式中：
a1为工频基波分量幅值；
b为谐波分量幅值之和；
a2、a3…an为谐波分量幅值；
总线干扰类型判断方式为：
当(a0-a1-b)/a0＞0，判断总线通信无干扰；
当(a0-a1-b)/a0＜0且THF＞0.9时，判断总线通信干扰类型属于工频交流电源干扰；
当(a0-a1-b)/a0＜0且THF＜0.9时，判断总线通信干扰类型属于空间干扰或地电位干扰；
通过上述方法可随时、准确的判断总线通信干扰类型，并根据总线通信干扰类型采取精准有效的处理方法进行排除故障，具有准确性、瞬时性和高效性，避免突发性事故和控制渐发性故障，提高总线系统的可靠性，进而保证了发电机组的安全可靠运行。
上述判断的原理为：采集存在故障的Profibus-DP总线网段通讯电压，通过快速傅里叶变换后，如果总线通信不存在干扰，那么通信电压中只有直流分量，几乎不存在谐波分量，直流分量a0大于谐波分量(工频基波分量幅值a1与谐波分量幅值之和b)；如果总线通信存在干扰，那么通讯波形中将含有大量谐波分量，在电厂Profibus-DP总线运行环境中，交流电源、环境干扰引起的谐波干扰通常远大于直流分量，那么直流分量a0将小于谐波分量；如果干扰源为工频交流电源，那么谐波分量中几乎全部为工频谐波分量，根据大量现场实测与分析计算，此时总谐波因数THF将大于0.9；如果干扰源为环境干扰，那么谐波分量中工频谐波分量占比较低，大部分为其他谐波分量，总谐波因数THF将小于0.9。
与现有技术效果，本发明通过在线监测总线通信电压信号，并通过快速傅里叶变换计算得到电压工频基波分量以及谐波分量，可随时判断总线通信干扰的类型，具有瞬时性，避免突发性事故和控制渐发性故障，提高总线系统的可靠性，减少设备的不必要停运、降低维护成本、增加设备可利用时间，从而提高设备运行维护效益；降低了总线系统的故障率，可保证电源供电可靠性，进而保证设备安全稳定运行，使用方便，效果好，有良好的社会和经济效益。
附图说明
图1为本发明实施例1用示波器采集的Profibus-DP总线网段的实时通信电压波形。
图2为本发明实施例1中Profibus-DP总线网段通信电压波形导出的.csv(excel)表格数据图。图3为本发明实施例1采集的Profibus-DP总线网段实时通信电压波形数据在matlab软件中的波形，其中a为整段波形，b为部分放大波形。
图4本发明实施例1采集的Profibus-DP总线网段实时通信电压波形数据进行快速傅里叶变换后的结果。
图5为本发明实施例2采集的Profibus-DP总线网段实时通信电压波形数据在matlab软件中的波形，其中a为整段波形，b为部分放大波形。
图6本发明实施例2采集的Profibus-DP总线网段实时通信电压波形数据进行快速傅里叶变换后的结果。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
实施例1
在山东A电厂通过本发明方法对Profibus-DP总线干扰类型进行判别，包括以下步骤：
步骤一：Profibus-DP总线网段通信电压采集
对山东A电厂进行数据收集，用示波器采集Profibus-DP总线其中两个网段的实时通信电压波形，实时通信电压波形如图1所示；
步骤二：通信电压波形数据处理
将采集的Profibus-DP总线网段的实时通信电压波形导出为.csv(excel)表格数据，如图2表格数据图所示，示波器在存储电压波形后，可直接将采集的电压波形输出为.csv数据，将数据作为原始数据导入matlab软件，并绘制出波形(如图3所示)，该波形应与实际采集波形一致。
步骤三：数据快速傅里叶变换
采用matlab软件对步骤二采集的Profibus-DP总线网段的实时通信电压波形数据进行快速傅里叶变换，通信电压快速傅里叶变换结果如下：
步骤四：进行总线干扰类型的判断
对步骤一采集到的其中两个网段的实时电压波形分别进行干扰类型分析。
如图4所示，对实时电压波形进行干扰类型判断，根据matlab软件快速傅里叶变换后的数据，得到a0＝0.7392，a1＝0，计算得到谐波分量幅值之和b＝0.02487，波形无工频基波分量，计算得到(a0-a1-b)/a0＝0.966＞0，判断总线通信无干扰。
根据以上分析结果，认为该网段通信回路无干扰，因此从硬件回路进行问题查找分析，最终发现问题原因为该网段中有一个备用开关未带电但终端电阻投入运行，导致整个网段通信电压低于正常标准2.5V，将该终端电阻调至OFF后，网段通信电压恢复正常，故障排除。
实施例2
在福建B电厂通过本发明方法对Profibus-DP总线干扰类型进行判别：
其采集的实时通信电压波形数据在matlab软件中的波形如图5所示，其通信电压波形数据进行快速傅里叶变换后的结果如图6所示，最终进行总线干扰类型的判断：
根据matlab软件快速傅里叶变换分析后的数据，得到a0＝0.2608,a1＝1.20，计算得到谐波分量幅值和b＝0.5038，计算得到总谐波因数THF＝0.9558，计算得到(a0-a1-b)/a0＝-5.518。
通过以上数据可以得到(a0-a1-b)/a0＜0且THF＞0.9，判断总线通信干扰类型属于工频交流电源干扰。
根据以上分析结果，认为该网段通信回路存在工频电源干扰，因此从通信网段装置工频电源、通信电缆屏蔽两个方面进行问题查找分析，最终发现问题原因为该网段通信电缆屏蔽层接地虚接，未起到有效屏蔽作用，导致通信回路中感应出工频交流电压，将通信电缆屏蔽层接地重新压接后，工频电源干扰消失，通信网段恢复正常，故障排除。
同时本发明方法在多个电厂都进行了实际应用，均取得了相同或相类似的技术效果，本发明方法其他应用案例如下表所示：
由上述情况可以清楚的看出，本发明方法具有准确性、瞬时性和高效性，通过对采集的Profibus-DP总线网段通信电压波形进行快速傅里叶变换，可以帮助技术人员准确判断出总线系统故障类型，技术人员可以根据本发明方法快速分辨故障是属于安装、屏蔽、信号反射等物理故障还是属于电源、地电位、空间干扰等干扰故障，并且能够准确分辨出干扰类型，大大缩小了故障排查范围，为故障的快速准确处理提供了有力的技术保障，从而可以采取精准有效的处理方法，保障总线系统的正常运行。本发明方法具有普遍适用性，电厂可以采集故障网段的波形电压数据，并进行分析后，即可为今后该电厂总线干扰造成的故障判断提供参考。
总之，本发明方法提出了一种基于波形分解的Profibus-DP总线干扰类型判别方法，通过对电压波形数据进行快速傅里叶变换，可以快速判断总线故障是否由于干扰因素引起，结合本发明专利提出的方法，能够准确判断出总线干扰类型，保障了故障判断的准确性、实时性和高效性，进而保证了发电机组的安全可靠运行，其使用方便，效果好，是Profibus-DP总线干扰类型判别方法上的创新，有良好的社会和经济效益。

Claims (1)

1.一种Profibus-DP总线干扰类型判别方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：Profibus-DP总线网段通信电压采集
用示波器采集Profibus-DP总线网段的实时通信电压波形，收集实时数据；
步骤二：通信电压波形数据处理
将步骤一采集的Profibus-DP总线网段的实时通信电压波形导出为.csv文档数据；
步骤三：数据快速傅里叶变换
采用matlab软件对步骤二采集的Profibus-DP总线网段的实时通信电压波形数据进行快速傅里叶变换，通信电压快速傅里叶变换公式如下：
上述公式中：
a0代表直流分量；
a1cos(ω0t+ψ)代表工频基波分量；
代表谐波分量；
步骤四：进行干扰类型的分析判断
根据matlab软件快速傅里叶变换后的数据，得到直流分量a0、工频基波分量幅值a1以及谐波分量幅值a2、a3…an；
将谐波分量幅值a2、a3…an求和得到谐波分量幅值之和b：
b＝a2+a3+…+an；
同时计算得到总谐波因数THF：
上式中：
a1为工频基波分量幅值；
b为谐波分量幅值之和；
a2、a3…an为谐波分量幅值；
总线干扰类型判断方式为：
当(a0-a1-b)/a0＞0，判断总线通信无干扰；
当(a0-a1-b)/a0＜0且THF＞0.9时，判断总线通信干扰类型属于工频交流电源干扰；
当(a0-a1-b)/a0＜0且THF＜0.9时，判断总线通信干扰类型属于空间干扰或地电位干扰。
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