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工業(yè)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的運行條件與辦公和其他商業(yè)通信網(wǎng)絡相比有很大不同。在工業(yè)環(huán)境中，外部影響可能會將 PLC、網(wǎng)絡控制器和其他支持過程控制的儀器等靈敏電子設備損壞。這些外部工業(yè)影響分為兩大類：
1) 具有破壞性的環(huán)境條件，包括機械振動、很大的溫度變化、高濕度以及化學品、粉塵以及其他物質所引起的不良空氣質量。這些條件可造成松動或斷續(xù)連接的接頭、導體和接線盒中的腐蝕和/或阻抗的變化。
2) 來自各種來源的電氣干擾。斷路器在分斷高能量電路時會產(chǎn)生瞬變電壓。傳送帶和機械傳動裝置會將電壓很高的靜電釋放到電子系統(tǒng)中。分支電路上的負載變化會使電源電壓產(chǎn)生波動。還有可能有一些其他的電氣干擾來源。
兩種干擾都可能對終端器、輸入部件和電纜等系統(tǒng)部件產(chǎn)生臨時或永久性負面影響。結果常常是生產(chǎn)過程所依賴的毫伏信號的中斷。因此，避免潛在過程通訊問題的發(fā)生，并通過使用示波器對工業(yè)數(shù)字通信系統(tǒng)進行監(jiān)視和故障排查來發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有問題是十分重要的。
下面將集中介紹使用一種專門設計的新型工具（Fluke ScopeMeter® 125 工業(yè)手持示波表）對 FOUNDATION Fieldbus 31.25 kb/s (H1) 網(wǎng)絡這一特定系統(tǒng)進行的監(jiān)視。
（注意：Fluke 125手持示波表 不只限于監(jiān)視現(xiàn)場總線 H1 網(wǎng)絡。）
故障排查步驟
當手持示波表對一個現(xiàn)場總線系統(tǒng)進行故障排查時，首先要嘗試對系統(tǒng)的最近變化進行記錄：最近是否已將一些設備或網(wǎng)絡的某些部分斷開？在故障發(fā)生前不久，是否進行了一些添加或改動？確定哪些部分運行正常，哪些部分運行有問題。記錄觀察到的結果并與預期結果進行對比。調查是否一些干擾可被追溯到特定事件：電機起動、閥門打開、燈的接通等。下一步，進行測量以深入探查網(wǎng)絡，了解網(wǎng)絡中正在發(fā)生的事情。仔細記錄每次測量：測量到了什么？測量的精確位置是什么？測量是在什么條件下進行的？
首先，用手持示波表在干線的兩端進行測量并比較結果。下一步，在干線上的一個或多個位置進行測量并比較結果。如果僅有一個設備有問題，則在該設備附近進行測量。如果多個設備有問題，則試著確定是否存在一種問題模式。如果存在一種模式，那么該模式的原因是否明顯？
如果最近進行了改動或添加了設備，則也要在這些位置處進行測量。試著確定網(wǎng)絡的哪些網(wǎng)段（如果有）有問題以及哪些網(wǎng)段沒有問題。
多種測量可幫助找到偏差，從而幫助我們發(fā)現(xiàn)問題。這樣的測量包括：
" 導體中和導體之間的電容和電阻
" 正確的屏蔽和導體觸點
" 流信號電平
" 噪聲和信號質量
使用 Fluke 125 ScopeMeter 手持示波表測試工具進行的這些測量將在下面詳細討論。
Fluke 125手持示波表 是一種結構緊湊的便攜式示波器和數(shù)字式萬用表 (DMM) 組合工具，提供了用于對工業(yè)總線系統(tǒng)進行故障排查的專門功能。Fluke 125手持示波表 通過電池供電，可進行所謂浮置測量，在這種測量中，儀器的任何點都不處于地電位上。這種功能可確保保持網(wǎng)絡的浮置性質，而其他示波器可能會通過其以地為參考的安全觸點或電源中的大電容而引入不需要的對地連接。這種連接可能會破壞網(wǎng)絡的完整性，很容易將通信阻斷。
Fluke 125 手持示波表可將屏幕存儲在內置存儲器中。正如在本技術應用文章中所介紹的（見后面），可將這些屏幕復制到報告中。所使用的儀表設置也將隨屏幕一起存儲，儀表還允許向復制的屏幕添加名稱。
測試連接
沿一個現(xiàn)場總線網(wǎng)絡進行的大多數(shù)測量都需要將儀表通道 A（標為“A”）的正輸入端和接地參考觸點 (“COM”) 與總線的正導線和負導線相連。符合現(xiàn)場總線標準的電纜的最常見顏色標識是正端為橙色，負端為藍色。
有時，手持示波表進行故障排查需要測量某條導線的對地電壓。對于這種測量，可將屏蔽端作為接地參考觸點。但是，電纜的屏蔽端不應與設備位置處的機箱或接地端相連。
請記住，現(xiàn)場總線的結構采用浮置接地。因此，兩條導線都不應在系統(tǒng)中的任何一點與接地端相連。如果一次檢查發(fā)現(xiàn)了接地連接，則可將其視為可能的網(wǎng)絡故障來源。根據(jù)現(xiàn)場總線基金會的布線與安裝技術規(guī)范，只能將電纜屏蔽端在控制室側的一段干線中接地一次。
在分支與干線相連的位置或在設備的接線端子處，很容易接觸到干線的導線。在現(xiàn)場總線網(wǎng)絡中通常使用的接線盒采用螺釘型端子。（參見圖 1）。在接線盒處進行測量時，不必對電纜結構進行任何改變。并且，很多接線盒上的示意圖和伴隨文字都清晰無誤地標明了導線。
圖 1：帶有接線圖的一個典型 FOUNDATION 現(xiàn)場總線接線盒。
端子上的螺釘是與 STL120 屏蔽測試線探針和 TL75 參考導線接觸的很好位置。STL120 和 TL75 是 Fluke 125 Scopemeter 手持示波表的標準附件。（參見圖 2）。
圖 2：STL120（紅色）和 TL75（黑色）測試線是用于在 FOUNDATION 現(xiàn)場總線上進行測試連接的主要工具。當在總線上遇到嚴重噪聲時，嘗試使用帶彈簧夾的較短測試線（中間）。所有三種測試線都是 Fluke 125 Scopemeter 手持示波表的標準附件。
當環(huán)境中存在嚴重噪聲干擾時，可使用帶彈簧夾的一條較短圓形導線（圖 2 中間）來降低記錄的噪聲。使用此測試線時，將彈簧夾夾到負端干線導線上。該較短測試線也是 Fluke 125手持示波表 的標準附件。
進行測試連接的另外一種方法是使用 HC120 鉤夾選件（圖 3），它可將 STL120 探針鉤到電纜的導線上。另外一種連接方法是使用 TP88 探針（圖 4），它可用于探測導線入口處的螺釘端子。這些長而細的針很容易接觸到因布滿導線而使用標準測試探針難于接觸的點。
電纜檢查
當網(wǎng)絡停止運行而問題又難于發(fā)現(xiàn)時，常常要從檢查電纜開始。問題可能來自潮濕或不良空氣使電氣接頭受到腐蝕�；蛘�，也可能是由于振動引起接頭斷續(xù)接觸。
圖 3：HC120 鉤夾
圖 4：TP88 探針
對新裝置進行檢查時，在安裝分支線和設備之前，有必要對干線電纜進行測試。為了避免干線電纜成為現(xiàn)有網(wǎng)絡的問題來源或新網(wǎng)絡中的潛在問題來源，需要進行一些簡單測量�？梢允褂媒Y合到 Fluke 125 手持示波表中的數(shù)字式萬用表來測量電纜的電阻和電容。如果存在問題，則使用這些測量功能可檢測到它們。
1. 手持示波表檢查干線電纜的第一步是測量各條導線與屏蔽端之間的電容。兩個值（導線 A 對屏蔽端和導線 B 對屏蔽端）應大約相同，因為干線被認為是完全對稱的。在進行這些測量時，將電容值與所用電纜類型的數(shù)據(jù)進行比較，并將干線的長度考慮在內。（本技術應用文章的附錄中提供了廠商電纜技術規(guī)格的一個例子。）
當 Fluke 125 手持示波表是最佳測試儀表時，測試時需將 TL75 測試線連接到控制室中的屏蔽連接器，并將 STL120 的正端分別與導線 A 和 B 相連。根據(jù)干線的長度，電容讀數(shù)穩(wěn)定下來可能要用幾秒鐘時間。讀數(shù)穩(wěn)定后，將其記錄下來。
2. 下一步，通過將 TL75 連接到一條導線、將 STL120 的正端連接到另一條導線的觸點，來測量兩條導線（A 和 B）之間的電容。記錄結果。
沒有獲得三個電容中任意一個電容的讀數(shù)可能表明該部分電路中發(fā)生了短路或斷線。不穩(wěn)定讀數(shù)可能表示接線盒中存在一個較弱的連接，它與干線的某一段只存在斷續(xù)接觸。
如果電容符合預期值，則在導線 A 與 B 之間的干線末端制造一個短路，然后在控制室一側來測量這些導線之間的電阻。這種測量應產(chǎn)生一個代表干線整個長度上銅導線總電阻的讀數(shù)。將該讀數(shù)與電纜的技術規(guī)格進行比較，可揭示出干線上是否存在不良接頭。請記住，電纜技術規(guī)格可能給出單條導線的電阻，但此測試也測量返回路徑的電阻。
3. 下一步，取消干線末端處的短路，并測量導線 A 和屏蔽端之間以及導線 B 與屏蔽端之間的電阻。讀數(shù)應該較高，在幾兆歐范圍內。較低的數(shù)值表明與屏蔽端之間發(fā)生短路。短路可能由表面看似不重要的一些因素引起，如編制層上一條很細的導線與螺釘端子的附近位置接觸；或者可能是由于電纜有缺陷或接線盒中存在水分。
一旦您確信干線的所有電阻和電容值都符合預期以及電纜技術規(guī)格，則對分支線路進行檢查。在新裝置上，這種檢查應在初次連接和測試了每條分支線路之后進行。在檢查完每條分支線路之后，重復前面的測試，以發(fā)現(xiàn)和糾正整個系統(tǒng)中的錯誤。如果所有檢查都順利完成，就可安全地將網(wǎng)絡加電。
電源電壓
每個網(wǎng)絡設備都需要適當?shù)碾娫措妷�。不正確的直流電源會引起各種個樣的錯誤，這些錯誤有時是連續(xù)的，有時是間歇的。
不正確的電壓可能會使設備無法一致地處理數(shù)據(jù)，頻繁斷開和重新連接，并且可能根本不對控制器產(chǎn)生響應。
由于電源電壓通過可能很長的主網(wǎng)絡進行分配，因此在系統(tǒng)中將會產(chǎn)生電壓降。每個現(xiàn)場總線設備所用的絕對最小直流電壓為 9 V，但最好提供更高的電壓。絕對最大電源電壓為 32 V。
Fluke 125 ScopeMeter 手持示波表測試工具可測量電源電壓，并自動將其與一個上限值和一個下限值進行比較。默認情況下，這些限值被設定為 5.5 V 和 35.0 V。不過，用戶可在前面的屏幕菜單上來設置其他限值。對于現(xiàn)場總線系統(tǒng)，選擇 9 V 作為最小值、選擇 32 V 作為最大值通�？身樌瓿晒ぷ�。
圖 5：顯示總線狀況測試結果的 Fluke 125手持示波表 屏幕。
使用過程中，F(xiàn)luke 125手持示波表 將通過圖標來指示測量的電壓是否在限值范圍內：√ = 正常；X = 不正常。另外，當讀數(shù)落在某個限值的一個特定百分數(shù)范圍內時，圖標可能會變?yōu)橐粋�警告符號 (!)。
圖 5 是對一個 H1 現(xiàn)場總線系統(tǒng)進行實際總線狀況測試的屏幕。如果儀表識別出正在進行進行通訊，則活動性指示燈就會閃爍。
第一行顯示了偏置電壓。“√”(OK) 表示直流電源電壓 (27.7 V) 在限值范圍內：9.0 V 和 32.0 V 之間。
Fluke 125 手持示波表與標準數(shù)字式萬用表的不同之處在于，它可顯示最靠近測量是否有超出預設限值的危險。換言之，在負載發(fā)生變化時，儀表將顯示最靠近下限值或上限值的一個值。
要將保持功能復位，按 Hold/Run（保持/運行）鍵兩次，以保持和重新開始測量。此操作會啟動一個新的測量循環(huán)，所有結果字段中的值將被清除。
可將該儀表作為一個標準數(shù)字式萬用表或標準示波器使用。隨后，它就可以記錄瞬時電壓，以便識別出電源中的異常。另外，儀表還可以記錄總線上的電源電壓變化�？赏瓿蛇@種記錄的功能是 TrendPlot"，在儀表的用戶手冊中對它進行了詳細介紹。
圖 5 中第 4 行上的沙漏圖標表示，在復制屏幕畫面的那一刻正在進行一個上升時間測量。該圖標的旁邊是上一次測量的結果以及此上升時間用來進行比較的限值。在此應用中，高達 8 µs 被視為是可以接受的。正在進行的時間跨度上某個限值的電壓讀數(shù)。該儀表具有一個保持功能，可幫助安裝和維護人員確定電源.
由于基于銅的電阻和歐姆定律而存在不可避免的電壓降，因此干線末端附近設備的電源電壓要低于離電源較近的設備的電源電壓。在總線上的各個連接處進行偏置電壓測量可發(fā)現(xiàn)中斷問題，如不良接頭。對干線布局的良好了解有助于故障排查人員發(fā)現(xiàn)哪個連接點/分支線存在故障。
在 H1 現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，干線上的最大電纜長度為 1900m。對于由 AWG 18（直徑 1 mm，或每條導線的截面積為 0.79 mm2）導線制作的雙絞線電纜，必須將導線 of 2.26 Ω/100m 的電阻考慮在內，當然，對于一條雙線電纜來說，電阻將變?yōu)?4.52 Ω/100m，在干線的最大長度上兩條導線的總電阻將達到 86 Ω。
如果只在干線末端連接了一個吸收 25 mA 的設備，則該設備本身會在干線電纜上引起 2.2 V 的電壓降。沿線路連接有多個設備時，因電源電流消耗而產(chǎn)生的電壓降會在一些設備上表現(xiàn)出良好電壓和不良電壓的差別。
表 1（圖 6 的后面）列出了針對圖 6 中的網(wǎng)絡計算出的電源電壓，該圖顯示了帶有有限個設備的一條全長度干線。在新網(wǎng)絡的設計階段，應進行相似的計算以確定電纜類型和所需的電源。
圖 6：計算因連接的設備和它們離電源的距離所產(chǎn)生的電壓降。
表 1：針對圖 6 中的進行的供電電壓計算。
對于現(xiàn)有系統(tǒng)，如果裝置檔案中包含一些“現(xiàn)成的數(shù)據(jù)”，其中包括設計數(shù)據(jù)和關于系統(tǒng)的物理布局和電纜長度方面的信息，則應將這些數(shù)據(jù)保留在手邊，以作為故障排查過程中的輔助工具。任何與現(xiàn)成數(shù)據(jù)的偏差都是電纜及接頭質量的第一種指示，會幫助故障排查人員找到故障連接的位置。
由于電流（負載）波動是不可避免的，因此在選擇電源和電壓時，系統(tǒng)設計人員應將電源的滿負載輸出電壓作為基礎，同時考慮電源調節(jié)裝置中的電壓降。
信號電平信號電平作為交流波形的峰-峰值幅度進行測量。它與網(wǎng)絡干線的阻抗直接相關，任何與標稱阻抗的偏差都會影響信號電平大小。
不正確阻抗的一個常見原因是使用了過少或過多的網(wǎng)絡終端器。每個干線網(wǎng)段的終端器多于或少于 2 個都會因阻抗以及反射和失真等原因而導致不正確的信號幅度。
第三個終端器會引起大約 3 dB (-30 %) 的信號衰減。終端器缺失或斷開會導致幅度超過標稱值高達 60 %。
較長的電纜也會使信號衰減。在 H1 現(xiàn)場總線系統(tǒng)中常用的電纜會將信號衰減大約 0.3 Db/100m，或在 1900m 干線的總長度上衰減 5.7 dB。5.7 db 的衰減值意味著對于在電纜一端注入的每伏特信號，在電纜的另外一端不會得到超過 520 mV 的信號。
任何設備上的標稱輸出信號幅度為 800 mVpp 至 900 mVpp。（其中“pp”代表“peak-to-peak”，即峰-峰值）。在網(wǎng)絡上的某個距離處，幅度可能會降低高達 50 % 而不會有任何出錯危險。
可將 Fluke 125手持示波表 配置為測量峰-峰幅度值，或測量與偏置電壓相比的低電平或高電平偏移。就像在前面所介紹的直流電壓測量那樣，F(xiàn)luke 125 手持示波表將實際讀數(shù)與預設限值進行比較，并同實際讀數(shù)一起在屏幕上顯示，從而清晰指示出讀數(shù)是好還是差。
最常見的測量是峰-峰幅度測量。參見圖 7。儀表用戶可將讀數(shù)讀數(shù)與內置的默認電平值進行比較，也可以輸入一個用戶定義電平。當將限值設置為默認值以外的一個值時，文本顯示屏上會顯示一個星號 (*)，如圖 7 中“Vbias”行所示。
在進行故障排查時，在網(wǎng)絡的各個點處檢查信號電平，以確定電平值是否合理。尋找幅度偏差的模式。例如，某個接線盒一側處的突然變化是一種“嚴重警告”，表明存在硬件故障。
如果某個設備看上去帶來了問題，則在接線盒的各側進行測量：進入的干線、離開的干線和分支線。此處不應存在信號電平或電源電壓上的差別。
另外，在分支線的設備端獲取一個讀數(shù)，并將此讀數(shù)與在接線盒處記錄的讀數(shù)進行比較。在發(fā)送模式中，設備應生成 800 mVpp 至 900 mVpp 范圍內的一個信號。高于 1000 mVpp 的信號表明干線網(wǎng)段的端接不正確。
通常，根據(jù)與發(fā)送器之間的距離，250 mV 至 950 mV 范圍內的信號是可以接受的。低于 250 mVpp 的信號可能會引起現(xiàn)場總線設備中出現(xiàn)錯誤，需要進一步檢查。
圖 7：用于改變試驗限值的設置屏
信號質量和噪聲
在一般的術語中，總線上的信號被稱為“數(shù)字信號”，似乎它們是瞬時完成從低到高的狀態(tài)改變的。實際并不是這種情況。對于某些類型的網(wǎng)絡，對信號轉變的速度要求很高。
對于現(xiàn)場總線網(wǎng)絡，對轉變速度的要求不是那么高。但是，轉變速度過慢可能最終會導致信號衰減，這是因為轉變時間較長，脈沖的平坦頂部和底部不會穩(wěn)定下來。出于這個原因，F(xiàn)luke 125 手持示波表可記錄脈沖的上升和下降時間，并顯示出是否時間在預設或用戶定義的限值范圍內。
過慢的邊沿轉變可能表明干線網(wǎng)段過長，指定的電纜不正確或已損壞，或者某個終端器已斷開或缺失。檢查信號的轉變時間會揭示出此參數(shù)沿網(wǎng)絡存在的偏差，因此有助于發(fā)現(xiàn)硬件故障。
脈沖過沖也是對網(wǎng)絡中超過技術參數(shù)的阻抗的一種指示。終端器斷開或缺失或接線不正確可能會引起這種異常。因此，發(fā)生過度過沖時，需對硬件進一步監(jiān)視。
如果網(wǎng)絡從其他設備接收到噪聲，則可能會引起信號的保真度降低，并以波形上產(chǎn)生噪聲和邊沿不穩(wěn)定的形式表現(xiàn)出來。這種不穩(wěn)定常常被稱為“抖動”，它表明邊沿的轉變不是與系統(tǒng)定時精確相符。過多的抖動可能會導致通訊損失。
波形檢查
Fluke 125 手持示波表所提供的另外一個分析功能是使用眼圖模式來目視檢查總線上的信號。選擇了該模式后，F(xiàn)luke 125 手持示波表的屏幕將顯示總線上交流信號的波形。眼圖在屏幕上采用了一種長時間余輝模式。在用戶決定清除屏幕或改變儀表的操作模式之前，任何繪制的曲線都會保留在屏幕上。
這種專用的示波器模式可使用戶深入探查總線活動性以及總體信號質量。（當然，要使示波器記錄下曲線，總線上需要具有活動性。）
慢速改變的邊沿不一定表明存在網(wǎng)絡問題，但如果轉變速度存在較大偏差，則需要進一步調查其原因。
如果僅偶然捕獲到一個具有明顯不同波形的曲線，則可能是因為某個設備存在硬件問題，或者沒有正確為其供電。可通過對沿干線的幾個不同點進行監(jiān)視并考慮進正常信號衰減，來找到該設備的位置。
離進行監(jiān)視的發(fā)送設備的距離越近，來自干擾設備的脈沖信號幅度就越大。
高電平和低電平的展寬可作為信號沿干線發(fā)生衰減的一個指示。信號電平的不一致分配可能表示網(wǎng)絡中存在不連續(xù)，或者某個設備正在生成幅度過低的信號。
圖 8：這些 Fluke 125手持示波表 屏幕顯示了軌跡是如何使用儀表的眼圖顯示模式在連續(xù)采集過程中形成的。
通過眼圖模式，也可對網(wǎng)絡上的噪聲電平進行分析。噪聲會對信號產(chǎn)生干擾，并破壞或中斷通訊。電纜屏蔽連接不良或斷開會導致接收破壞性的噪聲電平。
安裝和布線
在存在電機驅動器時，安裝的網(wǎng)絡電纜要盡可能遠離電機驅動器的輸出電纜。與其他電纜相比，網(wǎng)路電纜更易受某些設備的電源電纜的影響。例如，電機驅動器與電機之間的電纜就是過度噪聲的一個可能來源。
一旦噪聲被引入一個分支線路或一段干線，噪聲信號就很容易被傳輸，并根據(jù)網(wǎng)絡路由噪聲的方式，在網(wǎng)絡上的各個點處表現(xiàn)出來。這意味著，一個過度噪聲源不必與某個設備距離很近就會對該設備造成影響，使其產(chǎn)生通訊問題。
圖 9（捕獲的另外一個屏幕）顯示了存在一些噪聲的總線信號。在此情況下，在屏幕的中間檢查噪聲電平，或在屏幕的左側檢查基準電平（就位于“A”軌跡標識的下面）。這段波形代表就在捕獲任何數(shù)據(jù)包之前的總線上的穩(wěn)態(tài)電壓。由于此處的線路相對平靜，因此，這一點上的信號幅度是對總線上噪聲電平的很好指示。
由于無法針對可接受數(shù)值和特定錯誤指定清晰限值，因此噪聲信號的分析必定會具有一定的主觀性。此外，嚴重的總線噪聲也是產(chǎn)生通訊錯誤的一個可能原因。下面是一些指南：
"噪聲電平小于 50 mVpp 的一個 800 mVpp 信號是一個近于理想的信號。
"僅為 500 mVpp 的信號電平上具有大于 100 mVpp 的噪聲信號可能會引起頻繁通訊故障。
數(shù)據(jù)分析，得出結論
進行完這里所述的測試之后，通過將收集到的數(shù)據(jù)匯集到一起并對結果進行分析，可得出關于網(wǎng)絡上正在發(fā)生的情況以及薄弱點在何處的結論。有時，對可用的數(shù)據(jù)進行分析將會提出另外的問題，這些問題隨后可作為執(zhí)行附加測試的基礎，使檢查人員更加接近于找到網(wǎng)絡問題的解決方法。
附錄
電纜特性舉例
用作 Fluke 125手持示波表 內的現(xiàn)場總線默認設置的總線狀況限值，基于 IEC61158-2。
“Foundation Fieldbus”是現(xiàn)場總線基金會的一個商標。所有商標均為其合法擁有者的財產(chǎn)。
