浅谈Profibus—DP总线在工厂通讯网络中的应用

刘朝华

摘 要：现场总线是一种有效支持分布式控制和实时控制的通讯网络.本文在介绍Profibus-DP现场总线网络硬件和结构的基础上，结合电气通讯网络的实例简要介绍了Profibus-DP总线在工厂通讯网络中的应用

关键词：智能模块；网络；Profibus-DP；总线；中继器；拓扑结构；终端电阻

1 前言

现场总线技术是近年来迅速发展起来的工业数据总线，已经成为当今工业自动化领域技术发展的热点。它主要用于解决工业现场设备诸如智能化仪器仪表、控制器、检测元件、动作执行机构等现场设备之间的数字通信以及现场设备与高级控制系统之间信息和数据传递等问题。由于它构建了全数字式、全分散的控制系统，引起传统控制系统发生了颠覆性变革，目前所推出的现场总线标准有PROFIBUS、CAN、FF、HART等。

2 PROFIBUS现场总线的特点

PROFIBUS 是Process Tield Bus 的缩写，一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准，根据应用特点它可分为PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA，PROFIBUS-DP三种基本通讯协议版本。支持主-从站系统、纯主站系统、多主多从混合系统。该总线物理结构采用RS-485传输方式，传输速率可由9.6Kbps至12Mbps。能实现设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。在工业自动化领域中，PROFIBUS 在现场总线技术领域一直是国际市场上的领导者，目前大部分的PROFIBUS应用是基于PROFIBUS-DP协议。

3 PROFIBUS现场总线的硬件

PROFIBUS网络主要涉及到的硬件包括：PROFIBUS总线接口，通讯介质，PROFIBUS插头，中继器，OLM以及终端电阻等。

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该接口，分公接头和母接头，大部分都采用母接头，与网络上的总线连接器（公头）配套使用。该接口外部的金属屏蔽部分一般连接到CPU或者CP的内部的“PE”。而当CPU安装在底板上时，其“PE”与底板是连通的。接地必须良好，否则容易导致通讯干扰，发生通讯故障。

3.2 通讯介质

PROFIBUS网络支持RS485的电缆和光纤两种通讯介质。西门子的PROFIBUS通讯电缆是一根屏蔽双绞线，屏蔽可以提高电磁兼容（EMC）能力。标准的西门子PROFIBUS电缆一般都是A类电缆，其中数据线有两根：A为绿色和B为红色，分别连接DP接口的管脚3（B）和8（A），电缆外包裹着编织网和铝箔两层屏蔽。除了电缆，PROFIBUS通讯还支持光纤做为传输介质，在远程通讯中我们一般使用光纤作为传输介质。

3.3 PROFIBUS总线连接器

PROFIBUS总线连接器我们习惯称为DP头，用于连接PROFIBUS电缆和PROFIBUS网络的站点。在PROFIBUS连接器上，有一个进线孔（In）和一个出线孔（Out），分别连接至前一个站和后一个站。当各站点通过插头连接以及网线连接到网络上时，根据RS485串口通讯的规范，在物理网段终端的站点应该设置终端电阻消除在通信电缆中的信号反射。而每个PROFIBUS插头上，都内置了终端电阻（220欧姆），需要是可以接入（On）和切除（Off）。当终端电阻设置为“On”时，表示一个物理网段的终结，因此连接在出线端口“Out”后面的网段的信号也将被中断。因此，在每个物理网段两个终端站点上都将终端电阻开关拨至“On”。

3.4 RS485中继器

按照RS485串口通讯的规范， 如果当一个网络中实际连接的通信硬件超过32个站时，或者所对应的波特率超过一定的通信距离时，则需要增加相应的RS485中继器来进行物理网段的扩展。目前西门子的通讯规程上可以将中继器的个数最多增加到9个，即在一条物理网线上，最多可以串联9个西门子的RS485中继器，这样，网段的扩展距离将大大增加。中继器除了具有信号放大、扩展网络的作用，还可以将不同的两个物理网段进行电气隔离，从而避免两个网段之间的EMC干扰。西门子中继器上有网段开关，只有正确设置开关的状态才能达到所需要的功能（放大信号、隔离还是扩展网段）。

4 工程系统实例分析

随着智能MCC在现场总线控制系统中应用推广，其优越的性能特点逐渐被用户热捧，并主导自动化控制技术的潮流。下面是电气智能MCC系统基于PROFIBUS-DP总线在湖南骏泰浆厂其中一个车间的通讯实例。

该车间拥有电机400台，总功率11550KW，电机控制复杂，这些都对电机控制提出了很高的要求。系统结构图如下图：系统中的每台电机设备通过集成PROFIBUS-DP通信接口的智能模块（西门子simocode、变频器等）通过总线网络与ABB公司的DCS系统主站进行主从通讯。

图1湖南骏泰浆纸有限公司怀化年产40吨漂白硫酸盐木浆项目MCC监控系统图

在上面的工程应用当中，电气柜内智能模块通过PROFIBUS电缆将从站组网，网络拓扑结构可为树形或者链式结构，终端2处将DP头拨至ON，或者连接有源终端电阻。单条网络中从站数量超过32个后（图1，要通过RS485中继器合理分配网段。通讯电缆的长度受网络中设定的波特率有关，波特率越高，允许的通讯网段距离越短，因而如果现场遇到PROFIBUS的通讯有通讯不上或者通讯不稳定的情况，也可以考虑先将波特率降低处理。骏泰公司的Profibus通讯速率一般采用1.5MBPS和500KBPS两种波特率，此时在通讯最大距离分别不能超过200米和400米，否则就得增加中继器（REPEATER）进行扩展。MCC拓扑网络通过光电转换模块，经过光纤传输与DCS系统通讯。

5 结语

现场总线技术是一项集控制、计算机、数字通信等技术为一体的综合技术，受到全世界工程技术人员的关注，成为自动化技术发展的热点。然而，由于总线通信技术的隐蔽性，节点多，在一旦发生故障尤其是一些软故障的情况下将极难排除，因此，设计的合理性显得尤其重要。 引起通信故障的原因很多，有接口插件接触不良、屏蔽接地系统不规范、电磁信号干扰等等。

通讯网络通信电平信号质量的好坏还可以用PROFIBUS TESTER 3工具测试，软件中绿色信号表示信号强度都在正常值以上，表示单个从站通讯质量优良；黄色表示信号弱，网络干扰大。

总之，PROFIBUS总线的应用场合非常多，应用环境也各不相同，但只要严格按照PROFIBUS的规范进行网络拓扑的设计、遵守布线规则、处理好系统的“地”与“接地”等，将在很大程度上避免总线网络使用中出现的各种问题。因此，只有我们在维护工作中严格参照西门子PROFIBUS的安装和使用手册来正确的应用PROFIBUS现场总线，才能保证PROFIBUS总线网络和整个自动化项目的正常运行。

参考文献：

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