淺談Profibus—DP總線在工廠通訊網絡中的應用

劉朝華

摘 要：現場總線是一種有效支持分布式控制和實時控制的通訊網絡.本文在介紹Profibus-DP現場總線網絡硬件和結構的基礎上，結合電氣通訊網絡的實例簡要介紹了Profibus-DP總線在工廠通訊網絡中的應用

關鍵詞：智能模塊；網絡；Profibus-DP；總線；中繼器；拓撲結構；終端電阻

1 前言

現場總線技術是近年來迅速發展起來的工業數據總線，已經成為當今工業自動化領域技術發展的熱點。它主要用于解決工業現場設備諸如智能化儀器儀表、控制器、檢測元件、動作執行機構等現場設備之間的數字通信以及現場設備與高級控制系統之間信息和數據傳遞等問題。由于它構建了全數字式、全分散的控制系統，引起傳統控制系統發生了顛覆性變革，目前所推出的現場總線標準有PROFIBUS、CAN、FF、HART等。

2 PROFIBUS現場總線的特點

PROFIBUS 是Process Tield Bus 的縮寫，一種國際化、開放式、不依賴于設備生產商的現場總線標準，根據應用特點它可分為PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA，PROFIBUS-DP三種基本通訊協議版本。支持主-從站系統、純主站系統、多主多從混合系統。該總線物理結構采用RS-485傳輸方式，傳輸速率可由9.6Kbps至12Mbps。能實現設備層到車間級監控的分散式數字控制和現場通信網絡，從而為工廠綜合自動化和現場設備智能化提供了可行的解決方案。在工業自動化領域中，PROFIBUS 在現場總線技術領域一直是國際市場上的領導者，目前大部分的PROFIBUS應用是基于PROFIBUS-DP協議。

3 PROFIBUS現場總線的硬件

PROFIBUS網絡主要涉及到的硬件包括：PROFIBUS總線接口，通訊介質，PROFIBUS插頭，中繼器，OLM以及終端電阻等。

3.1 PROFIBUS接口

PROFIBUS接口物理上是RS485串口，一般采用SUB-D 型的接口。一般CPU或者通訊板卡都采用該接口，分公接頭和母接頭，大部分都采用母接頭，與網絡上的總線連接器（公頭）配套使用。該接口外部的金屬屏蔽部分一般連接到CPU或者CP的內部的“PE”。而當CPU安裝在底板上時，其“PE”與底板是連通的。接地必須良好，否則容易導致通訊干擾，發生通訊故障。

3.2 通訊介質

PROFIBUS網絡支持RS485的電纜和光纖兩種通訊介質。西門子的PROFIBUS通訊電纜是一根屏蔽雙絞線，屏蔽可以提高電磁兼容（EMC）能力。標準的西門子PROFIBUS電纜一般都是A類電纜，其中數據線有兩根：A為綠色和B為紅色，分別連接DP接口的管腳3（B）和8（A），電纜外包裹著編織網和鋁箔兩層屏蔽。除了電纜，PROFIBUS通訊還支持光纖做為傳輸介質，在遠程通訊中我們一般使用光纖作為傳輸介質。

3.3 PROFIBUS總線連接器

PROFIBUS總線連接器我們習慣稱為DP頭，用于連接PROFIBUS電纜和PROFIBUS網絡的站點。在PROFIBUS連接器上，有一個進線孔（In）和一個出線孔（Out），分別連接至前一個站和后一個站。當各站點通過插頭連接以及網線連接到網絡上時，根據RS485串口通訊的規范，在物理網段終端的站點應該設置終端電阻消除在通信電纜中的信號反射。而每個PROFIBUS插頭上，都內置了終端電阻（220歐姆），需要是可以接入（On）和切除（Off）。當終端電阻設置為“On”時，表示一個物理網段的終結，因此連接在出線端口“Out”后面的網段的信號也將被中斷。因此，在每個物理網段兩個終端站點上都將終端電阻開關撥至“On”。

3.4 RS485中繼器

按照RS485串口通訊的規范， 如果當一個網絡中實際連接的通信硬件超過32個站時，或者所對應的波特率超過一定的通信距離時，則需要增加相應的RS485中繼器來進行物理網段的擴展。目前西門子的通訊規程上可以將中繼器的個數最多增加到9個，即在一條物理網線上，最多可以串聯9個西門子的RS485中繼器，這樣，網段的擴展距離將大大增加。中繼器除了具有信號放大、擴展網絡的作用，還可以將不同的兩個物理網段進行電氣隔離，從而避免兩個網段之間的EMC干擾。西門子中繼器上有網段開關，只有正確設置開關的狀態才能達到所需要的功能（放大信號、隔離還是擴展網段）。

4 工程系統實例分析

隨著智能MCC在現場總線控制系統中應用推廣，其優越的性能特點逐漸被用戶熱捧，并主導自動化控制技術的潮流。下面是電氣智能MCC系統基于PROFIBUS-DP總線在湖南駿泰漿廠其中一個車間的通訊實例。

該車間擁有電機400臺，總功率11550KW，電機控制復雜，這些都對電機控制提出了很高的要求。系統結構圖如下圖：系統中的每臺電機設備通過集成PROFIBUS-DP通信接口的智能模塊（西門子simocode、變頻器等）通過總線網絡與ABB公司的DCS系統主站進行主從通訊。

圖1湖南駿泰漿紙有限公司懷化年產40噸漂白硫酸鹽木漿項目MCC監控系統圖

在上面的工程應用當中，電氣柜內智能模塊通過PROFIBUS電纜將從站組網，網絡拓撲結構可為樹形或者鏈式結構，終端2處將DP頭撥至ON，或者連接有源終端電阻。單條網絡中從站數量超過32個后（圖1，要通過RS485中繼器合理分配網段。通訊電纜的長度受網絡中設定的波特率有關，波特率越高，允許的通訊網段距離越短，因而如果現場遇到PROFIBUS的通訊有通訊不上或者通訊不穩定的情況，也可以考慮先將波特率降低處理。駿泰公司的Profibus通訊速率一般采用1.5MBPS和500KBPS兩種波特率，此時在通訊最大距離分別不能超過200米和400米，否則就得增加中繼器（REPEATER）進行擴展。MCC拓撲網絡通過光電轉換模塊，經過光纖傳輸與DCS系統通訊。

5 結語

現場總線技術是一項集控制、計算機、數字通信等技術為一體的綜合技術，受到全世界工程技術人員的關注，成為自動化技術發展的熱點。然而，由于總線通信技術的隱蔽性，節點多，在一旦發生故障尤其是一些軟故障的情況下將極難排除，因此，設計的合理性顯得尤其重要。 引起通信故障的原因很多，有接口插件接觸不良、屏蔽接地系統不規范、電磁信號干擾等等。

通訊網絡通信電平信號質量的好壞還可以用PROFIBUS TESTER 3工具測試，軟件中綠色信號表示信號強度都在正常值以上，表示單個從站通訊質量優良；黃色表示信號弱，網絡干擾大。

總之，PROFIBUS總線的應用場合非常多，應用環境也各不相同，但只要嚴格按照PROFIBUS的規范進行網絡拓撲的設計、遵守布線規則、處理好系統的“地”與“接地”等，將在很大程度上避免總線網絡使用中出現的各種問題。因此，只有我們在維護工作中嚴格參照西門子PROFIBUS的安裝和使用手冊來正確的應用PROFIBUS現場總線，才能保證PROFIBUS總線網絡和整個自動化項目的正常運行。

參考文獻：

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