PROFIBUS DP現場總線系統穩定性淺析

吳曉彤

(寧波中華紙業有限公司,浙江寧波,315000)

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·現場總線系統·

PROFIBUS DP現場總線系統穩定性淺析

吳曉彤

(寧波中華紙業有限公司,浙江寧波,315000)

主要對PROFIBUS網絡中所涉及的硬件和網絡結構進行了介紹和分析,并針對如何提高 PROFIBUS現場總線的穩定性進行了討論。

PROFIBUS；網絡結構；穩定性

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PROFIBUS是一種具有廣泛應用范圍、開放的數字通信系統,在集中自動化系統向分散自動化系統轉移方面是一種重大突破。因而從誕生至今,PROFIBUS一直是國際市場現場總線技術領域的領導者。

寧波中華紙業有限公司造紙生產現場目前使用的就是PROFIBUS DP現場總線通信控制系統。這套PROFIBUS DP現場總線通信控制系統自開機啟用以來,在通信系統方面出現過各種故障,從寧波中華紙業有限公司通過對各種故障現象進行分析并采取的各種解決措施來看,大部分故障是由網絡硬件安裝不規范或硬件故障造成的。因此,提高現場總線系統穩定性的關鍵還是要規范現場安裝。本文就寧波中華紙業有限公司通過規范現場安裝來提高PROFIBUS現場總線系統穩定性進行分析總結,以便給同行提供參考。

1 PROFIBUS網絡硬件結構

PROFIBUS網絡主要的硬件包括：PROFIBUS接口,通信介質,PROFIBUS插頭,中繼器,OLM以及有源終端電阻等。

2 PROFIBUS網絡安裝規范

設計一條PROFIBUS網絡,首先需要了解PROFIBUS網絡的拓撲規則。

(1)PROFIBUS網絡是RS485串口通信,半雙工,支持光纖通信。

(2)每個網絡理論上最多可連接127個物理站點,其中包括主站、從站以及中繼設備。

(3)網絡的通信比特率9.6 kb/s～12 Mb/s,通信比特率與通信的距離具有一定的對應關系,詳見表1。

表1 不同傳輸速度時的電纜長度

(4)每個物理網段最多32個物理站點設備,物理網段兩終端都需要設置終端電阻或使用有源終端電阻。

(5)每個網段的通信距離或者設備數量如果超限,需要增加RS485中繼器進行網絡拓展,中繼器最多可串聯9個。

(6)每個中繼設備(RS485中繼器、OLM)也作為網絡中的一個物理站點,但沒有站號。

(7)網絡支持多主站,但在同一網絡中,建議不多于3個主站。

(8)一般0是PG的地址,1～2為主站地址,126為某些從站默認的地址,127是廣播地址,因而這些地址一般不再分配給從站,故DP從站最多可連接124個,站號設置一般為3～125。

(9)如果網絡中涉及到分支電纜,則應注意分支電纜的長度應當嚴格遵守PROFIBUS的協議規定,如比特率1.5 Mb/s時,網段中分支電纜總長度6.6 m,見表2。

表2 比特率與分支電纜的長度對應表

如果使用了西門子的SIMOCODE 3UF7等產品,就會涉及到網絡中存在分支電纜的問題,比如智能MCC柜等。

在進行PROFIBUS網絡連接之前,首先應當考慮拓撲結構的設計是否有問題。如果拓撲結構有問題,將來網絡通信很可能出現問題。另外,從比特率與距離的對應關系中可以看到,比特率越高,則對應的通信距離越近,因而如果現場遇到PROFIBUS的通信有通信連接不上或者通信不穩定的情況,也可以考慮先將比特率降低,再進行觀察處理。

3 PROFIBUS網絡安裝的規則

3.1 網絡布線的規則

3.1.1 選擇標準PROFIBUS通信電纜

標準PROFIBUS通信電纜的特性阻抗與DP頭的終端電阻設置為“ON”時的終端電阻值剛好匹配,如果選擇普通的電纜,其特性阻抗與終端電阻很可能不匹配,則通信性能將會受到影響。標準的PROFIBUS電纜往往是雙層屏蔽雙絞線,屏蔽效果比較好。

3.1.2 屏蔽層多點接地

PROFIBUS電纜在插頭內接線時,須將屏蔽層剝開,壓在插頭內的金屬部分,該金屬部分與DP插頭外部的金屬部分相連,當將插頭插在DP口上時,則通過設備連接到了安裝底板,而安裝底板一般是連接在柜殼上并接地的,從而實現了屏蔽層的接地屏蔽層通過金屬部分進行接地。PROFIBUS插頭內部接線，即屏蔽層的處理，由于接地有利于保護PLC設備以及DP通信口,因此對于所有的PROFIBUS站點都要求進行接地處理,即“多點接地”。

3.1.3 布線規則

(1)不同電壓等級的電纜分線槽布線。高電壓、大電流的動力電纜,與小電壓、小電流的電纜應該是分線槽布線,同時線槽應蓋上蓋板,盡量全封閉；如果現場無法分線槽布線,則將兩類電纜盡量遠離,中間加金屬隔板進行隔離,同時金屬線槽要做接地處理。電纜橋架之間的連接也應該保證用金屬連接部件大面積連接處理,同時注意“接地”的連接。

(2)通信電纜單獨在線槽外布線時,可根據情況采用穿金屬管的方式,這樣既可以保護通信電纜不被損壞,又對于防止電磁的干擾有好處,但注意外部的金屬管需要接地。

(3)通信電纜與動力電纜避免長距離平行布線。

(4)通信電纜過長時,不要形成環狀，此時如果有磁力線從環中間穿過時,根據“右手定律”,容易產生干擾信號。

(5)通信線連接的設備應做等電勢連接。PROFIBUS連接的站點可能分布較廣,為了保證通信的質量,一般要求所有通信站點都應該處于同一個電壓等級上,即應當都是“等電勢”的。如果兩個站點的“地”之間不等電勢,則當兩個設備分別各自接地時,將會在兩個接地點之間產生電勢差,此時電流會流過通信電纜的屏蔽層,從而對通信產生影響。因此應該在兩個設備之間進行等電勢的綁定。當然,這里不是要求所有的現場都需要增加額外的等勢線而增加成本,只是建議在出現接地點電勢不相等的情況時,如果影響到通信,或者可能造成設備損壞,則應當想辦法加以改進。如果由于接地點本身的原因造成了通信不穩定,比如某個系統的“地”本身存在著很強的干擾,則在此處將屏蔽層接地反而會對ROFIBUS通信造成影響,因而此時應該考慮首先處理好“地”,然后再將PROFIBUS屏蔽層接地。為現場設備提供一個良好的“地”以及進行正確的“接地”是提高電磁兼容特性的前提。比如抄漿打包線的改造。

(6)通信線在電柜內的布線。通信電纜在電柜內布線時,也應該遵循之前的原則,即遠離干擾源。在柜內的走線應當進行精心的設計,盡量避免與高電壓、大電流的電纜在同一線槽內走線,同時,不要在柜內形成“環”,特別時避免將變頻器等干擾源包圍在“環”內。

3.2 通信電纜的屏蔽層在電柜內的處理

(1)首先是PROFIBUS DP插頭,除了之前介紹的,需要將屏蔽層壓在插頭的金屬部分外,還需要注意屏蔽層不要剝開的太長,否則會暴露在空間,成為容易受干擾的“天線”。

(2)通信電纜的屏蔽層在進、出電氣柜時,都應該進行屏蔽層接地處理,屏蔽層應該保證與接地體有大面積的接觸,這樣避免外部的干擾信號進入電柜,同時也避免柜內產生的干擾對外部設備造成影響。

(3)如果通信電纜在柜內經過端子進行連接,則屏蔽層最好在端子排的兩側分別進行連接,此時應避免剝開屏蔽層擰成一根連接到端子(這種方式有個名稱叫做“豬尾巴”)。在現場的連接中,如果將屏蔽層剝開過長,則通信電纜會有很長一段沒有被屏蔽層“保護”,而屏蔽層擰成一根后將形成天線,更容易將干擾引入系統(西門子的柜子有屏蔽接地排)。

3.3 減小變頻器等干擾源設備對通信的影響

變頻器等較大功率的設備除了通過干擾電源、通過空間輻射干擾影響設備正常運行外,隨著變頻器等設備具有PROFIBUS通信的能力,這些設備產生的干擾也有可能直接進入通信系統,因而應該對變頻器進行相應的處理。

主要是變頻器的安裝。在電柜內,盡量用鍍鋅底板替代噴漆底板作為安裝背板,變頻器本身要有良好的接地,動力電纜采用屏蔽電纜并接地。

4 PROFIBUS網絡的故障診斷

ROFIBUS是一種抗干擾性比較強的現場總線,但不時還會發生一些故障。因此需要定期對PROFIBUS網絡進行檢測,及時發現各種隱患。

PROFIBUS網絡故障檢測一般分為靜態檢測和動態檢測兩種方式。

4.1 靜態檢測

靜態檢測是對整個網絡在物理連接質量方面進行檢測，主要是檢測通信回路是否短路、斷路以及接觸不好等。根據RS485串口通信的規范,每個物理網段兩個終端都并聯了一個終端電阻(220 Ω),一般在設備斷電的情況用萬用表測總線回路阻值,正常阻值在110 Ω左右,若測出阻值偏差很大，就需要對各通信接線端子和DP進行檢查。

4.2 動態檢測

動態檢測是對整個網絡的通信質量進行檢查。主要檢測通信信號的強弱,通信質量是否穩定,是否有干擾等。可用西門子提供的專用檢測設備對PROFIBUS網絡通信波形進行檢測,通過觀察波形，可以得出一個網絡上每臺設備通信信號的強弱、質量的好壞等。若某個設備信號較弱,則應檢查該臺設備的物理接線是否完好；若波形中出現尖端毛刺,則很有可能是外界干擾引起；若某臺設備后的所有從站信號都很弱,則應該是信號衰減引起,可以在該設備前加裝RS485中繼器對信號進行放大(RS485中繼器要裝在信號開始衰減的設備的前端)。

5 結 語

通過近幾年的故障分析處理發現,造成PROFIBUS通信故障的原因,大部分最終都很簡單,如：現場接地不好,通信線屏蔽層處理不當,布線時與動力電纜沒有分開,通信線在端子上接觸不好,通信地址沖突,網絡硬件故障等。因此,為了避免PROFIBUS網絡在以后的運行中出現故障,首先應該注意按照規范進行網絡設計,嚴格按規范的要求進行現場施工,盡量選用質量較好的網絡硬件,同時在日常維護和操作中要嚴格按規范操作。

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(責任編輯：馬 忻)

How to Improve PROFIBUS DP Fieldbus System Stability

WU Xiao-tong

(NingboZhonghuaPaperCo.,Ltd.,Ningbo,ZhejiangProvince, 315000)

This article described the hardware and network architecture PROFIBUS networks involved, and discussed how to improve the stability of the PROFIBUS fieldbus.

PROFIBUS; network structure; stability

吳曉彤先生,工程師；主要從事儀表自動化管理工作。

2015-11-17(修改稿)

TS736

A DOI：10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.04.011