分析Profibus通信穩定性及故障快速排查

任偉　邊松濤

摘要：Profibus是工業控制領域中的主流現場總線標準，但故障率高，較難維護。本文就對Profibus通信穩定性及故障快速排查有關內容進行分析，以供參考。

關鍵詞：Profibus;通信;穩定性;故障;快速排查

一、Profibus傳輸技術

Profibus最常用的一種通信傳輸方式是RS-485傳輸，可以根據使用工況環境、設備運行可靠性影響和成本選擇傳輸電纜，選擇A類和B類兩種通信電纜，A為屏蔽雙絞線，B為普通雙絞線。在網絡布線時往往選用帶屏蔽的雙絞線，以提高總線的抗干擾能力。基本特征：網絡拓撲有線型、樹型和星型三種，兩端有終端電阻;傳輸速率為9.6Kbit/s到12Mbit/s，電纜最大長度取決于傳輸速率;采用屏蔽雙絞電纜，或者盡可能地采用光纖替代電纜;最好使用9針D型插頭。傳輸速率（波特率）越高，傳輸距離就越短，系統抗干擾能力就越差;同時，在通信質量要求較高的場所，建議不要采用普通雙絞線。

二、通信穩定性的影響因素

2.1Profibus總線連接器（DP頭）

要求：安裝規范，Profibus電纜屏蔽層長8mm左右，并保證屏蔽層壓在壓夾下，屏蔽層不能接觸紅綠線芯;最好采用用螺絲緊固的DP頭。

2.2Profibus總線電纜

2.2.1安裝

由于Profibus電纜的銅質線材的特性容易受到外部環境的影響。如果Profibus電纜與動力電纜在較長距離上并行敷設，動力電纜產生的電磁干擾，勢必會進入Profibus電纜產生電容性和電感性干擾，干擾網絡中的數據通信。為了避免這種情況，從最初鋪設電纜時就應確保Profibus電纜和其他的電力電纜之間至少維持10cm間距，應當始終鋪設在相互分離的電纜橋架內。

2.2.2屏蔽

由于外部環境所產生電磁干擾或者容性干擾可以通過Profibus電纜進入通信網絡，那么Profibus電纜的屏蔽層與地電位之間的可靠連接顯得非常重要，在日常應用中，通常必須將電纜屏蔽層的兩端可靠接地，特別是在高頻干擾環境中，這種方法可以提供較為有效的干擾抑制。如果在一個通信網絡系統中，不能提供等電位連接，各個總線各站點之間存在電位差，勢必會在Profibus電纜上產生等電位連接電流，電纜屏蔽中的等電位連接電流會大大降低信號屏蔽效果。那么最好只把電纜屏蔽層的一端接地。對于固定的總線站，建議在Profibus電纜進入控制柜時剝開電纜屏蔽，并使用合適的電纜夾將其連接至地電位。

2.2.3連接

Profibus電纜采用9芯Profibus總線連接器（DP頭）進行總線站間的電纜互連。剝去Profibus電纜外皮至紅綠線芯長20mm，屏蔽層長8mm左右，總線連接器與總線站連接，而總線連接器則與總線電纜連接。

2.2.4網絡電阻

如果是連接在profibus網絡上的站點內部通信模塊或是節點的連接有短路或接地等的問題，就會改變整個網絡的電阻特性，從而引起網絡不穩定。

2.3終端電阻

終端電阻是在一條Profibus網絡的兩端，并聯在通信線上的電阻。根據網絡傳輸理論，終端電阻可以吸收網絡上的干擾反射波，有效地增強通信電平信號強度。兩個終端電阻并聯后的電阻值應當基本等于Profibus電纜在通信頻率上的特性阻抗，其作用是為了消除通信信號在通信電纜傳輸過程中的信號反射。

2.4傳輸速率

用Profibus診斷工具PB-T3對PM10智能MCC光纖網環MCS-DP304進行通訊測試，測試結果顯示，網絡的傳輸速率（波特率）越高，通信效果越差，系統抗干擾能力就越差。

三、Profibus網絡檢測分析

3.1總線電阻的檢測

3.1.1斷開終端電阻時總線電阻的檢測

圖1顯示了在標準總線插頭連接器上檢測數據線是否反接的測試原理。這種測試要求總線電纜上裝配的總線插頭連接器未與總線站連接，并且在總線線路的總線插頭連接器上也絕不能有任何總線終端電阻。要執行測試，需要兩個單端9針Profibus網絡連接器。輔助插頭連接器1包含一個1針轉換開關，其底板觸點與具有插槽觸點的9針Profibus網絡連接器的屏蔽（外殼）相連，另外兩個電路觸點分別與針3（數據線B）與針8（數據線A）相連。

3.1.2有終端電阻時總線電阻的檢測

如果在帶有總線終端電阻測試時，先斷開一類主站（PLC）的電源，用萬用表的電阻檔檢測，那么檢測到的網絡靜態電阻，應小于或等于110Ω。

3.2Profibus網絡通信檢測

在Profibus通信網絡的維護過程中，往往要借助于較先進的檢測工具。Profibus網絡檢測儀是一種對Profibus通信網絡進行有效的檢測、分析、診斷與系統維護的專業工具。除了能夠自動檢測網絡通信波特率以及分析和識別網絡中各個主、從站設備以外，還可判斷Profibus總線中所有通信站點的信號質量，提供總線中信號狀況的概覽視圖，并通過內置的有存儲功能的示波器直觀地顯示物理信號的形態，以便于迅速地發現并糾正錯誤，指導維護人員對通信網絡進行有的放矢的檢查和維護處理。

四、通信故障快速排查方法

4.1拔蘿卜法

當一條通信網絡出現通信故障時，如果是智能抽屜控制柜的設備（站點），那么，采用“拔蘿卜”的方式是個比較快捷找到故障點的方法。每個抽屜就像填埋在通信網絡上的一個一個“蘿卜”，出現故障時，將抽屜一個一個拔出來，使其脫開通信網絡，直到不出現通信故障時，表示故障點就出現在這里，進行檢查處理。

4.2步進法

在等分網絡法將網絡“分割”后，基本確定了故障點的范圍，可能還有三五個站點，這時可以用“等分法”繼續排查，但意義不是很大。這時可結合“步進法”，即將故障段站點按照距離PLC的遠近順序，將撥碼開關逐個依次“ON”，步步為營，層層推進，直到找到故障點。

五、結語

總之，在實際中，由于造成通信故障的因素很多，故障現象千變萬化。拔蘿卜法、步進法只是通信故障快速排查方法的一小部分，在處理通信故障時，不能拘泥于這些方法中的某一種，而要多種方法交叉配合使用。

參考文獻

[1]PROFIBUS在工業應用中的抗干擾設計[J].范敏.科技視界.2019（03）

[2]淺析PROFIBUS-PA的基本原理及特性[J].周志敏.智慧工廠.2019（02）

作者介紹：

任偉（1972.01.31），性別：男;籍貫：江蘇無錫;民族：漢;學歷：碩士;職稱：高工：研究方向：電氣.