PROFIBUS總線網絡系統穩定運行分析

江 豪 王永華

(鄭州輕工業學院電氣信息工程學院，河南 鄭州 450002)

PROFIBUS總線網絡系統穩定運行分析

江 豪 王永華

(鄭州輕工業學院電氣信息工程學院，河南 鄭州 450002)

現場總線網絡系統在電磁干擾、電壓波動、通信速率不匹配等因素下，容易出現網絡丟站、閃斷、通信不穩定等故障。為保證總線系統的穩定運行，對PROFIBUS總線系統設計、總線線纜敷設、網絡設備使用等方面進行了研究，重點分析了系統接地和電磁干擾對總線系統的影響。分析研究了實際工程測試數據及故障原因，得出幾種確保總線穩定運行的措施。實際工程應用證明，這些措施可供行業設計人員參考借鑒。

總線技術 PROFIBUS 網絡系統 故障 自診斷 數據通信 電磁干擾 通信速率 中繼器 信號分析

0 引言

得益于科技的快速發展，近年來,工業自動化領域的技術發展十分迅速。以總線技術為代表的工業網絡信息傳遞方式正在各個行業得到大力推廣，并被廣泛應用。隨著PROFIBUS現場總線在國內的推廣應用，國內圍繞著PROFIBUS 總線研發的接口設備或網關產品也越來越多。據PI國際組織統計，有2 000多個不同的制造商提供PROFIBUS相關產品。

隨著PROFIBUS總線的深入應用，大規模、多節點、多層次的總線網絡不斷被投入實際應用。部分總線系統經過長時間、不間斷的帶電運行，外加網絡設備類型較為龐雜，其總線系統不穩定的情況較為突出。為了使總線系統的維護更加容易和簡便，總線網絡系統的設計者應充分考慮各種因素，有效避免網絡站點丟失、閃斷、通信不穩定、設備端口損壞等應用難題[1]。

1 PROFIBUS網絡不穩定分析

總線系統和所有的控制系統一樣，無論是控制器的選擇，還是網絡系統的搭建，總會伴隨著由多種不利因素而引起的問題。對于總線系統而言，底層網絡系統常態化的不穩定和瞬時異常情況都是需要研究和解決的問題，其嚴重時將造成總線系統的數據交換紊亂或者系統癱瘓。總線網絡系統運行不穩定影響因素有很多，下面從幾個關鍵因素進行分析。

1.1 總線網絡設計不合理

工業總線技術的開發基于各種數據通信技術，目前，主要基于RS- 422、RS- 485、RS- 232或者工業以太網等通信介質及通信協議技術進一步開發而來。每種總線技術及通信協議都因眾多因素的影響而有許多的注意事項，其中最為重要的便是總線網絡的應用設計。總線網絡站點的數量、傳輸數據量、通信速率、通信介質、信號中繼、抗干擾處理等都是網絡設計時需要重點考慮的因素[2]。

然而在現實中，并非每個總線網絡的設計者都能全面、詳盡、科學地考慮各種因素。如未能充分了解現場網絡情況，將不能精確核算網絡站點及通信數據量、有效處理復雜的網絡結構，從而導致所設計的網絡在安裝調試時出現這樣或那樣的不足，并由此造成總線系統不穩定，有時甚至難以修復和彌補。

1.2 總線網絡布線不規則

總線網絡不僅數據傳輸距離較遠、通信數據量大，而且數據刷新實時性較高，所以總線線纜敷設施工規范相對其他電氣線纜布線的要求要更加嚴格和規范，總線網絡的現場線纜敷設也就顯得尤為重要。

PROFIBUS總線通信采用串行數據通信協議，底層為RS- 485通信[3]。在實際項目中，串行網絡常敷設于復雜的生產區域，線纜穿越的區域較為寬廣。為防止各種干擾和意外的發生，線纜的敷設需要嚴格按照安裝規范。而現實并非如此，下面列舉幾條常見的不規則布線行為。

①未采用DP線纜專用的剝制工具，而使用電工工具隨意剝制DP線纜；

②沒有按照動力電、干擾信號及通信信號之間安裝規范進行布線，線纜走線隨意、雜亂，沒有走專用的屏蔽管網；

③線纜進電氣柜沒作任何屏蔽保護接地措施；

④不安裝網絡信號中繼器及終端信號吸收設備，或者安裝位置不合理；

⑤非總線專業安裝人員不規范的網絡設備安裝作業。

1.3 網絡設備的故障

根據國際組織的分析統計，在使用和維護全球多達6 000萬節點的PROFIBUS總線網絡系統時，絕大多數問題出現在網絡站點的設備上，而非PROFIBUS網絡本身。因此，對于總線控制系統的維護，首先應該定期檢查網絡設備的運行狀況。

1.3.1 網絡線纜及連接器質量不合格

PROFIBUS DP總線線纜是由西門子提供的專用DP電纜，外觀為紫色塑料外皮、有網狀屏蔽層、有薄金屬屏蔽層、單股銅絲(一根為紅色、一根為綠色)。需要特別說明的是，標準電纜的A、B銅線截面積、外層塑料包裹物截面積和整個線纜的截面積都有著嚴格的尺寸要求；同時，為了確保RS- 485信號的穩定傳輸，其A、B線的攪合度也有嚴格的規定[3]。一旦線纜質量不合格或者采用非DP標準電纜，整個網絡的底層物理介質就沒有任何質量保證，數據通信質量的穩定性也就難以保證。

DP網絡需要專用的連接器，D型接口公頭。連接器有45°、90°、135°和180°這4種出線規格[3]，同時有快速壓接及端子連接這2種銅絲接入方式。專用連接器對線纜鎖定及屏蔽層的可靠連接都進行了巧妙的處理。

DP線纜、DP連接器及線纜專用剝制設備需要配套使用。在國內，很多項目為了節約成本，采用質量不達標的網絡線纜及連接器，雖然短時內可以使用，卻為日后總線系統的維護增加了許多不確定因素，由此帶來的網絡運行不穩定情況也日益增多。

1.3.2 從站設備故障

在總線網絡實際應用中，從站的丟失是最常見的問題，幾乎任何從站接口或者從站內部錯誤都會造成該從站和主站的通信中斷，導致從站站點丟失[4]。如果從站不是一個遠程I/O，而是智能從站，譬如PLC擴展的總線模塊作為PROFIBUS從站，這種較為復雜的從站系統會因為PLC系統錯誤(模塊/通道錯誤、程序錯誤等)而引起從站站點的丟失[3]。這在項目初期的調試階段尤為突出。

一般而言，采用較為成熟或者質量可靠的硬件設備，這類故障會相應減少。某些投入使用的總線網絡、站點丟失故障頻發，通過分析網絡中硬件設備，發現原因常和下列因素有關：網關類產品數據協議轉換設計有缺陷，使設備經常出現死機情況；產品電磁抗干擾處理不到位，設備難以抵抗電磁干擾而出現運行紊亂；自主研發的從站設備未經過各種應用環境下的嚴格測試，投入使用后故障頻發。

1.3.3 總線網絡設備故障

如果網絡的從站設備只是短時故障或者偶爾死機，在得到及時維護處理后，這些問題并不會嚴重影響總線系統的整體運行，也不會造成系統停機。但是，總線網絡設備(中繼器、終端電阻)故障會直接造成網絡癱瘓，故此類故障要盡量避免[5]。在未選用西門子提供的專用中繼器和終端電阻時，常會出現此類嚴重的網絡故障。

對于終端電阻而言，未能正確設置DP連接器的終端開關、未安裝不間斷供電的專用終端電阻，都會造成網絡信號的不穩定，從而引起系統數據交換的不穩定，甚至會造成網絡癱瘓。譬如由于網絡站點分布區域大且節點數較多，操作人員在對電控箱清掃或者誤動作等情況下會造成終端電阻配置錯誤，導致網絡中斷。雖然這種錯誤非常容易糾正，但會對整個網絡系統造成致命的停機故障。

1.4 電磁干擾

任何通信網絡都要做好線纜抗干擾處理，否則就會影響到整個系統的穩定運行。而且，此類故障并沒有太多有效的解決措施。

2 PROFIBUS總線系統可靠運行分析

2.1 網絡設計原則

遵循PROFIBUS總線的網絡設計規則，對網絡站點規模、主站數量、網段數、通信速率、數據交換量等方面進行了合理的配置和設置，以達到控制系統所要求的最優方案。網絡設計一般參照如下規則[3,6]：

①在滿足應用需求的情況下，盡量選擇較低的通信速率，常用速率為187.5 kbit/s；

②網絡結構應盡可能簡單，站點數量不要太多，站點地址規劃要連續；

③1個網絡中使用的中繼器不要超過7個，且應避免使用中繼器而形成的過多分岔網絡；

④在1個PROFIBUS網絡中，站點最好不超過100個(包括I、II類主站和從站)；

⑤1個PROFIBUS網絡可由多個網段組成，1個網段站點最好不超過20個；

⑥合理利用主站的I/O外部地址，科學規劃從站數據交換長度和數據類型。

2.2 總線網絡規劃

為確保總線網絡數據交換的穩定、減少網絡線纜敷設和日后網絡系統維護的難度，網絡的規劃設計要從實際需求出發，力爭總線網絡簡單易用，最好在項目開展初期利用組態軟件進行完整的模擬操作，從而更加科學合理地進行設計、規劃。

2.2.1 通信速率的合理選擇

在總線應用領域，高通信速率可實現數據的快速交換，不僅使數據刷新周期縮短，而且信息交互量也相應增大。但是通信速率越高、網絡長度就越短、抗干擾處理措施就更加復雜，所以總線通信速率的選擇應該盡量地低，滿足需求即可。一般而言，187.5 kbit/s較為常用，3 Mbit/s以上的速率極少采用。表1列舉了幾種常用的通信速率和最大網絡長度之間對應關系[3]。

表1 通信速率與最大網絡長度對應關系Tab.1 The corresponding relationship between communiication speed and network length

2.2.2 網絡中繼器的合理使用

為確保網段之間的通信可靠、增加網絡的靈活度、擴展網絡長度，合理使用網絡中繼器可以使網絡結構豐富多變，滿足多樣化的需求。中繼器不僅起到對信號的加強作用，還可充當網絡測試節點；同時一個中繼器最多可有4根進出線，可實現網絡的復雜結構。中繼器的詳細使用請參閱使用手冊，這里僅給出幾個要點供實際應用參考[6-7]。

①2個站點間最多允許4個中繼器，1個PROFIBUS網絡一般不超過7個中繼器；

②使用PA網絡時，需要配置Link和Coupler模塊；

③2個中繼器之間的站點一般不要超過20個；

④盡可能少地利用中繼器形成分岔網絡，終端電阻要設置正確；

⑤中繼器安裝位置合理，供電冗余且接地要良好；

⑥中繼器出線到站點的線纜長度不能小于1 m。

2.3 通信抗干擾處理

2.3.1 供電網絡優化

PROFIBUS總線網絡有大量的站點及網絡設備，這些設備在工作時都需要直流24 V電源。鑒于總線的串行傳輸的特性，網絡設備不允許斷電，所以在規劃和敷設DP電纜時，需要考慮多點直流電源的供電問題。為保證供電的可靠性及DP網絡的抗干擾性，網絡設備的供電必須和車間供電網絡結合并進行合理規劃，在此可參考數字視頻監控系統的供電系統設計。

2.3.2 干擾源的規避

基于串行通信的PROFIBUS系統需要做各種抗干擾處理，在此主要介紹了幾種常見干擾源的處理方法[8]。

①平行排列，總線線纜和400 V以下的交直流電纜距離要大于20 cm；

②平行排列，總線線纜和大于400 V的交直流電纜或電話線距離要大于50 cm；

③交叉時，正交交叉，不可并排或以其他方式交叉；

④DP線纜敷設需走專用的鍍鋅屏蔽鐵管，鐵管要連接成管網，且多點接地；

⑤電氣柜內部要避開動力電、變壓器，變頻器，接觸器等強干擾源。

2.3.3 屏蔽層接地處理

PROFIBUS DP電纜的屏蔽層應該在電纜的兩端可靠接地，以形成一個大面積的對地連接，這樣可有效防止外界磁場對線纜中A、B線的電磁干擾。在敷設總線電纜時，要確保電纜的網狀或箔狀護套使用接地板夾和地相連。當電纜進入電氣柜時，接地點盡可能地靠近入口處，如圖1所示。

圖1 DP電纜電氣柜入口接地圖

Fig.1 The inlet grounding of DP cable in electric cabinet

3 PROFIBUS系統的穩定運行

PROFIBUS總線系統的使用手冊詳細地介紹了各種設計及安裝規范，這些都要求項目具有良好的供電系統、專用的線纜屏蔽管道、理想的接地系統、優質的網絡設備。然而該規范在國內并沒有被很好地執行，現場很多實際應用并未按規范操作，因此很多的現場工況難以按照安裝規范來進行總線網絡的安裝和敷設。

下面以實際工程為例，進一步探討如何在不太理想的應用環境下保證PROFIBUS總線系統的可靠、穩定運行。

3.1 DP總線網絡的現場安裝

總線系統在實際工程項目中的應用千差萬別，有的電纜溝可供布線，有的預埋屏蔽管網，有的需要架設橋架。不管采用哪種方法來安裝總線線纜，都需要注意以下幾點。

①PROFIBUS總線線纜必須走獨立的鍍鋅屏蔽鐵管，而且鐵管連接處要可靠焊接，并實現多點可靠接地，本接地點不可和生產用電接地混用。屏蔽管不能與設備外殼相連，否則很難達到總線的抗干擾要求。

②采用專用工具進行線纜剝制，且配套使用專用DP連接器，DP電纜嚴格按照連接器網絡進出線順序連接。在電氣柜內布線需要穿金屬軟管，布線位置遠離變壓器或者變頻器等電磁干擾設備，金屬軟管要連接設備機殼接地。

③網絡設備通過DP連接器自動連接DP線纜的屏蔽層，要將DP站點設備的接地線接入總線專用接地系統，切不可和設備上的普通接地點相連。

④對于沒有良好接地的環境而言，DP線纜、DP模塊、網絡設備等寧可不接地，也不能接入有各種干擾源的接地網中，不然接地非但沒有起到抑制干擾的效果，還會加入干擾源。

3.2 網絡通信信號分析與處理

對于已經投入使用或者已經完成施工的總線系統，可采用專用工具檢測PROFIBUS網絡信號，然后根據網絡信號質量，針對性地進行技術處理，以達到總線系統抗干擾性能的技術要求[9]。通過總線通信波形，可快速發現通信質量不佳的站點，避免盲目處理問題。一般可用數字示波器或者PROFITrace檢測工具捕獲信號波形，并通過查看通信信號的波形來直觀地判斷網絡通信質量的好壞。

3.3 通信線路抗干擾

對于總線系統而言，站點重復、終端電阻設置、中繼器連接、數據交換地址等問題在經過初期調試和應用測試后基本都可達到預期的效果。唯獨通信線路的抗干擾抑制問題往往難以滿足設計要求，主要體現在設計初期并不能全面悉知總線網絡電磁環境，同時生產設備在實際生產中的啟停、變頻器工作、電機運行、強電線路的電流變化等都會對總線的正常工作帶來嚴峻的挑戰。

在這里，以紡織生產為例，簡要分析車間供電系統、接地系統的現實情況，并針對這些較為嚴重的電磁干擾環境，探討如何做好總線網絡的抗干擾處理。

一般的供電系統有TN-S和TN-C兩種，TN-S就是三相五線制供電方式，三根動力線(L1、L2、L3)、一根中性線(N)、還有一根線徑更粗的接地線，中性線和接地線的獨立供電可有效保證用電安全。TN-C系統即將中性線和接地線合二為一，是三相四線制供電方式[8]。

大部分紡織企業生產線采用的是TN-C供電系統，這種供電系統的“地”較TN-S供電系統(中性線和地線分開)的“地”明顯存在噪聲電壓、電流，若將總線網絡的地直接接到這種不干凈的“地”上，勢必會引入較大干擾。所以必須采用正確、可行的方法處理總線系統的接地，不然通信線纜屏蔽層不僅起不到抑制干擾的作用，反而會加重干擾。

電氣控制柜中的變壓器、接觸器、強電供電線纜等都是干擾非常嚴重的設備，總線線纜在電氣柜內部布線需要避開這些設備；同時，由于空間電磁場干擾的存在，應避免懸空走線。為此，在實際的工程中，DP線纜在設備之間進行布線時，應走專用的鍍鋅屏蔽管以抑制干擾，在出線進入電氣柜這段線路，一定要利用帶有屏蔽層的防護設備對DP線纜進行電磁防護，并根據實際設備的接地狀況，選擇性地進行保護層屏蔽接地。一般而言，DP電纜的屏蔽層不接地，除非專用的通信接地系統非常好。

對于一些已經投入應用的系統而言，隨著時間推移，原本設計和安裝的接地系統會產生性能下降、接地線路老化的問題，總線系統會出現丟站和站點閃斷的情況。這種情況下，一般需要將接地系統重新規整一遍，更換老化的線路并重新進行可靠接地。

3.4 主站系統自診斷

在深入應用PROFIBUS總線系統后，最常出現的問題是從站丟失或者從站閃斷。譬如用于控制電機的智能從站或者變頻器從站出現閃斷，造成電機短時停機而后又自動恢復，以及部分從站不明原因的丟站。主站診斷中繼器診斷報文的簡要解析方式如表2所示。

表2 診斷中繼器診斷報文解析方式Tab.2 The analysis of diagnostic messages of the diagnostic repeater

這些問題由于閃斷或者短時丟站，很難事后分析丟站的原因，給系統維護帶來了極大的困難。采用主站的自診斷功能塊，可實現自動記錄故障發生的時間及故障診斷報文。有了這些詳細故障記錄，就可深入地分析故障發生時的各種網絡狀態，為總線維護提供強有力的技術支持。譬如，可通過主站系統記錄的站點丟站次數和丟站時間，判斷網絡的穩定情況；通過丟站時間節點和設備運行狀態的對比，判斷設備運行狀態的變化和對總線的干擾程度[3,10]。

3.5 杜絕人為因素

PROFIBUS總線系統在應用階段，由于電氣維護人員的行業特點，致使部分電氣人員對總線系統了解甚少。對于設備檢修、電氣柜清掃等將DP連接器終端電阻設置弄錯或者設備損壞等造成的DP網絡中斷，在實際施工中可采用物理手段將設置開關封死以免誤動作；同時，必須對網絡供電設備或者斷路器進行明顯標示。

4 結束語

PROFIBUS總線的安裝及設計有標準的規范要求，然而工業自動化現場的問題層出不窮，必備的要素往往不能滿足于設計需求。很多的總線設計及安裝要針對不同的情況作適當的調整及處理，例如采用額外添加等電勢線、選用可靠的接地點、采用光隔的DP設備、網絡線路優化布局、不穩定從站的位置更改、信號介質更換等措施，以保證總線系統的長期、穩定運行[8]。本文提到的各種措施及方法均是實際工程中摸索和探討的結果，具有一定的借鑒意義。

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Analysis of the Stable Operation for PROFIBUS Network System

Faults of losing network station,flash-off,and unstable communication may appear in fieldbus network system under electromagnetic interference,voltage fluctuation,and communication speed mismatch,etc.In order to guarantee stable operation of the bus system,the design,cabling,and application of the network equipment,etc.,of the PROFIBUS system are researched; and the influences of the grounding system and electromagnetic interference in the bus system are analyzed emphatically.The actual engineering test data and the causes of the faults are analyzed,thus several measures for stable operation are obtained.Through practical engineering application,it is proved that these measures can be used as reference for professional designers.

Bus technique PROFIBUS Network system Fault Self-diagnosis Data communication Electromagnetic interference Communication speed Repeater Signal analysis

河南省產學研基金資助項目(編號：132107000003)。

江豪(1980—)，男，2006年畢業于河南工業大學機械工程及其自動化專業，獲碩士學位，副教授；主要從事工業自動化、工業控制網絡技術、 PROFIBUS總線應用系統等方向的研究。

TH-3;TP29

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201612005

修改稿收到日期：2015-03-09。