Profibus在遠(yuǎn)距離及高次諧波干擾情況下的設(shè)計(jì)應(yīng)用

王文斌王瑾

（北方重工集團(tuán)有限公司，沈陽(yáng) 110141）

引言

近年來(lái)，隨著生產(chǎn)車間自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化中分散化結(jié)構(gòu)的迅速增長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的應(yīng)用日益普遍，現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)場(chǎng)總線具有"開(kāi)放"的通信接口，允許用戶選用不同制造商生產(chǎn)的分散裝置和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，為重型機(jī)械產(chǎn)品中特別是新產(chǎn)品的集散控制系統(tǒng)的研制、設(shè)計(jì)、調(diào)試提供了極大的方便。

Profibus總線技術(shù)是德國(guó)西門子公司推出的開(kāi)放型現(xiàn)場(chǎng)總線，可將西門子公司的產(chǎn)品與其它廠商的產(chǎn)品相連接，還可形成高速與遠(yuǎn)距離的應(yīng)用組態(tài) ，使其能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的多樣性。我公司為國(guó)外配套生產(chǎn)的人造版生產(chǎn)線由于設(shè)備多而分散，并且分布距離遠(yuǎn)；同時(shí)生產(chǎn)線又有多臺(tái)變頻器運(yùn)行，存在高次諧波的干擾。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的規(guī)范施工和硬件的組態(tài)配置，不僅解決了安裝布線等施工成本問(wèn)題，也解決了在極端環(huán)境下不同設(shè)備廠商的設(shè)備集成、遠(yuǎn)距離通訊和高次諧波干擾問(wèn)題。

1.人造板生產(chǎn)線的基本設(shè)備組成

按照人造板生產(chǎn)線的工藝流程可把設(shè)備分成以下幾個(gè)工段：備料工段；熱磨工段；調(diào)制膠工段；干燥工段；鋪裝預(yù)壓工段；熱壓成型工段；砂光工段。設(shè)備的工藝性能要求對(duì)經(jīng)熱磨施膠后的纖維物料進(jìn)行遠(yuǎn)距離干燥輸送，設(shè)備的最遠(yuǎn)距離近300米，整個(gè)生產(chǎn)線有100多臺(tái)電機(jī)分散布置。由設(shè)備的工藝性能決定了采用Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線是非常理想的控制方式。

2.人造板生產(chǎn)線電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想

由于現(xiàn)場(chǎng)施工情況復(fù)雜，很有可能導(dǎo)致項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)總線通訊上存在著一些隱患，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，將有可能導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)通訊故障，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。鑒于此，為充分體現(xiàn)全集成自動(dòng)化的現(xiàn)代控制技術(shù)，提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力，使設(shè)備在滿足生產(chǎn)線工藝的情況下，安全可靠的運(yùn)行，是我們進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想。

2.2 控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

按照人造板生產(chǎn)線設(shè)備的分布、生產(chǎn)工藝的要求，充分利用現(xiàn)場(chǎng)總線分布式控制的特性，電控系統(tǒng)以西門子S7-300 PLC為核心；考慮到人造板生產(chǎn)線粉塵較多以及高溫濕熱的施工環(huán)境，現(xiàn)場(chǎng)的分布式從站，選用了圖爾克的FLDP模塊，其防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP67；系統(tǒng)中還配有多臺(tái)西門子變頻器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)了人造板生產(chǎn)線工藝上的調(diào)速要求，變頻器選用了Profibus CBP2通訊板，以方便集中進(jìn)行變頻裝置的速度設(shè)定；這樣用西門子公司的S7-300、ET200M、變頻器與圖爾克的FLDP一起構(gòu)成了分布式的Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。

2.3 系統(tǒng)的硬件選型和組態(tài)

人造板生產(chǎn)線采用西門子PLC系統(tǒng)的主要模塊如下：

電源模塊：6ES7 307-1EA01-0AA0

CPU模塊：6ES7 315-2AF03-0AB0

開(kāi)入模塊：6ES7 321-1BH01-0AA0

開(kāi)出模塊：6ES7 322-1BH01-0AA0

模入模塊：6ES7 331-7KF02-0AB0

模出模塊：6ES7 332-5HD01-0AB0

接口電纜：6ES7 368-3BB01-0AA0

導(dǎo)軌：6ES7 390-1AF30-0AA0

RS485中繼器：6ES7 972-0AA01-0XA0

人造板生產(chǎn)線采用圖爾克PLC系統(tǒng)的主要模塊如下：

開(kāi)入模塊：FLDP-IM16-0001

開(kāi)出模塊：FLDP-OM16-0001

電源接插件：B4151-0/13.5

BS41151-0/13.5

總線接插件：BMWS8151-0/9

BMSWS8151-0/9

輸入接插件：FSM4-1/1/S90

輸出接插件：FSM5-1/1/S90

BS8141-0

BS8151-0

終端電阻：RSS4.5-PDP-TR

由于生產(chǎn)線設(shè)備較多，分布距離較遠(yuǎn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工藝分布，選用了兩套S7-300，按照設(shè)備的工藝分布，鋪裝預(yù)壓及以前各設(shè)備用一套S7-300，熱壓成型及以后各設(shè)備用一套S7-300，兩套S7-300的硬件組態(tài)分別如圖1和圖2所示。

圖1 鋪裝預(yù)壓區(qū)系統(tǒng)的硬件組態(tài)

2.4 電控設(shè)備的組成

全線提供的電控設(shè)備包括：電控柜 18個(gè)；控制臺(tái)5個(gè)；控制箱15個(gè)；分線盒19個(gè)，整個(gè)生產(chǎn)線裝機(jī)容量約為1345kW。人造板生長(zhǎng)線鋪裝預(yù)壓區(qū)和熱壓成型區(qū)供電單線圖分別如圖3和圖4所示。

圖2 熱壓成型區(qū)系統(tǒng)的硬件組態(tài)

圖3 鋪裝預(yù)壓區(qū)供電單線圖

圖4 熱壓成型區(qū)供電單線圖

3.控制系統(tǒng)初調(diào)時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題

3.1 站點(diǎn)之間距離過(guò)遠(yuǎn)引起的問(wèn)題

鋪裝預(yù)壓部分的PLC按照?qǐng)D1組態(tài)并下載到PLC以后，S7-300的CPU上的BUSF燈報(bào)總線故障，通過(guò)STEP7軟件在線診斷，距離較遠(yuǎn)的從站顯示沒(méi)有連接。把現(xiàn)場(chǎng)總線的波特率調(diào)整到19.2kbps之下時(shí)，遠(yuǎn)距離從站時(shí)有時(shí)無(wú)，通訊不穩(wěn)定。

3.2 多臺(tái)變頻器啟動(dòng)后引起的問(wèn)題

在鋪裝預(yù)壓部分總共有五臺(tái)西門子變頻器，通過(guò)CBP2通訊板連接到現(xiàn)場(chǎng)總線。初期調(diào)試期間，當(dāng)啟動(dòng)一臺(tái)變頻器時(shí)，Profibus總線通訊正常；當(dāng)啟動(dòng)2臺(tái)或2臺(tái)以上變頻器時(shí)，S7-300的CPU上的BUSF燈報(bào)總線故障。通過(guò)STEP7軟件在線診斷，有一個(gè)從站丟失，顯示無(wú)連接；當(dāng)停掉所有變頻器后，丟失的從站通訊又恢復(fù)正常。

4.故障的產(chǎn)生原因及解決措施

4.1 站點(diǎn)遠(yuǎn)距離通訊問(wèn)題的解決措施

Profibus網(wǎng)絡(luò)通訊的本質(zhì)是RS485串口通訊，按照RS485串口通訊的規(guī)范，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的硬件設(shè)備超過(guò)32個(gè)，或者波特率對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)通訊距離已經(jīng)超出規(guī)定范圍時(shí)，就應(yīng)該使用RS485中繼器來(lái)拓展網(wǎng)絡(luò)連接。19.2kbps以下的現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊波特率較低，并且通訊不穩(wěn)定，不能滿足系統(tǒng)的工藝要求，為此在距離較遠(yuǎn)的兩個(gè)站點(diǎn)之間加入RS485中繼器進(jìn)行信號(hào)放大，并用作為網(wǎng)絡(luò)終端站點(diǎn)，兩個(gè)網(wǎng)段的終端電阻都應(yīng)設(shè)置為"On"，如圖5所示。

圖5 中繼器做為網(wǎng)絡(luò)終端站點(diǎn)

加入RS485中繼器進(jìn)行信號(hào)放大后，現(xiàn)場(chǎng)總線的波特率為500kbps，總線通訊正常，完全滿足工藝要求。

4.2 變頻器高次諧波干擾的解決措施

通過(guò)停止變頻器后，丟失的從站又恢復(fù)連接，現(xiàn)場(chǎng)總線通訊也恢復(fù)正常這一現(xiàn)象判斷，是變頻器的干擾引起現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊故障。變頻器主要由整流電路，逆變電路，控制電路組成，其中整流電路和逆變電路由電力電子器件組成，電力電子器件具有非線性特性，當(dāng)變頻器運(yùn)行時(shí)，它要進(jìn)行快速開(kāi)關(guān)動(dòng)作，因而產(chǎn)生高次諧波，這樣變頻器輸出波形除基波外還含有大量高次諧波，高次諧波是變頻器產(chǎn)生干擾的主要原因。

接地往往是抑制噪聲和防止干擾的重要手段,良好的接地方式可在很大程度上抑制內(nèi)部噪聲的耦合,防止外部干擾的侵入,提高系統(tǒng)的抗干擾能力。接地的作用總的來(lái)說(shuō)有兩個(gè)：保護(hù)人員和設(shè)備不受損害叫保護(hù)接地；保障設(shè)備的正常運(yùn)行的叫工作接地。為此，針對(duì)設(shè)備的安裝施工采取如下措施：（1）設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)有兩個(gè)"地"，一個(gè)是保護(hù)接地，所有動(dòng)力設(shè)備都要保護(hù)接地；另一個(gè)是屏蔽接地（工作接地），現(xiàn)場(chǎng)總線的屏蔽層接到屏蔽接地。（2）現(xiàn)場(chǎng)總線穿金屬管，當(dāng)管線太長(zhǎng)時(shí)，金屬管應(yīng)多點(diǎn)接地。（3）屏蔽層接地點(diǎn)盡量遠(yuǎn)離變頻器，并與變頻器接地點(diǎn)分開(kāi)。（4）通訊電纜在線槽內(nèi)與動(dòng)力電纜平行走線。在采取上述措施后，所有變頻器即使同時(shí)啟動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)總線通訊依然正常，變頻器的高次諧波干擾問(wèn)題得到解決。

5.結(jié)論

只要嚴(yán)格按照Profibus的規(guī)范進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)、遵守布線規(guī)則、處理好系統(tǒng)的"地"與"接地"等，將在很大程度上避免總線網(wǎng)絡(luò)使用中出現(xiàn)的各種問(wèn)題。

[1]西門子有限公司.Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線安裝指導(dǎo).2010,(08).

[2]西門子有限公司.工業(yè)通訊產(chǎn)品目錄IK PI.2011.

[3]GB/T5226.1-1996標(biāo)準(zhǔn).