Profibus网络丢站因素分析及工程解决方案

乔茜华 王成群 王永华,2

(郑州轻工业学院电气信息工程学院1，河南 郑州 450002；纺织服装产业河南省协同创新中心2，河南 郑州 451191)

Profibus网络丢站因素分析及工程解决方案

乔茜华1王成群1王永华1,2

(郑州轻工业学院电气信息工程学院1，河南 郑州 450002；纺织服装产业河南省协同创新中心2，河南 郑州 451191)

Profibus主要用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信。在实际工程应用中，丢站是基于Profibus现场总线技术的现场总线控制系统(FCS)的常见故障。导致丢站的原因有很多，分析认为外界干扰尤其电磁干扰(EMI)和接地系统问题是主要因素。通过Profibus网络试验平台对丢站因素和机理进行研究，找出导致丢站的原因。结合实际工程项目应用，提出了相应的工程解决方案，为Profibus网络系统的稳定运行提供了保障。

Profibus 现场总线技术 丢站 电磁干扰 接地系统

0 引言

Profibus是能够全面覆盖工厂自动化和过程自动化应用领域的现场总线，它以其技术的成熟性和应用的可靠性等多方面优点，在现场总线技术领域中成为领导者[1]。在实际工程应用中，现场级测控系统的工作环境比较复杂，电磁环境比较恶劣。这些因素对系统的可靠性与安全性都构成了威胁，导致现场总线通信上存在一些隐患。若不能及时发现和处理，将有可能造成系统通信故障，出现网络站点丢失，从而影响系统的正常运行。

本文以大型实际纺织工程项目为背景，以工业网实验平台为依托，通过大量试验对DP从站丢站因素和丢站机理进行分析研究，并给出相应的工程解决方案。该方案使基于总线技术的数据集成及处理系统的丢站问题得到了解决，提高了企业的生产效率，为Profibus网络系统的稳定运行提供了保障。

1 造成Profibus网络丢站的因素

Profibus DP现场总线系统在调试、运行阶段会出现通信意外中断、某些DP站点随机通信故障的现象。在我们实施的实际工程项目中有时也会出现某些从站莫名其妙地丢失，断电后重新上电又恢复了正常通信，这说明信号质量不好。由于Profibus是低电压、高频的时差分信号系统，因此通信电缆的连接质量和信号品质就显得尤为重要。

1.1 Profibus网络丢站因素介绍

在实际工程应用中，引起Profibus网络丢站故障主要有下列因素。

① 硬件部分不可靠：通信电缆、模块或端口故障等。

② 安装过程中的故障：网络接头接触不良、A/B线接反、终端电阻设置错误等。

③ 网段中DP通信电缆过长。

④ 独立供电电源对从站的影响。

⑤ 外界干扰,如变压器、变频器的电磁干扰。

⑥ 接地系统不规范。

1.2 系统因素分析及解决方法

上述①～④属于网络自身引起的，属于系统因素，是本节分析对象。⑤～⑥属于外部原因引起的，属于外来因素，在第2节进行试验分析。

第①种因素的解决方法为采用逐点排除法，即用通信节点逐个脱网的方法排查故障。先从发生通信故障网段中离通信主站最远的节点开始,逐一合上DP头的终端电阻。当合上某节点的终端电阻后, 其靠近主站侧的节点通信恢复正常,则可判定故障点就在此节点与上一节点之间。查出后修复或更换故障通信电缆或模块即可。由于Profibus网络系统在高电磁发射环境(如纺织、烟草等行业)下运行，应使用优质通信电缆和模块，以提高系统电磁兼容性(EMC)。

实际中最常出现的问题和故障几乎都是与安装有关，这主要包括终端电阻设置错误、电源线布置不当或电缆走线不当等，所以Profibus正确安装是Profibus总线正确使用的关键。不规范的网络安装会引入外界EMI干扰，导致通信质量下降，影响设备正常工作。尽管设备具有一定的抗干扰能力，但从总线上引入的部分干扰不可修复。所以第②种因素解决方法是在网络安装中，本着规范、不依赖设备抗干扰能力的原则来进行设备安装和布线，以减少或消除安装因素引起的丢站故障。

第③种因素是由于信号传输随着距离的增加逐渐衰减，网段过长会导致信号不稳定。解决方案是增加RS- 485中继器，以增加网络长度，提供段与段之间的信号隔离与缓冲[3]。

对于第④种独立电源因素，我们进行试验研究。试验平台为：装有Step7软件的PC，MW电源24 VDC-1.5/3.0A各1个，CPU 412-2DP作DP主站，4套CPU 222CN 和EM277作DP从站，组成网络，1#～2#从站离主站较近，3#～4#从站离主站较远，主机CPU 222CN和其DP模块EM 277的部分参数如表 1所示。

表1 通信模块的相关参数

经计算可得，1套从站的电流消耗约为315 mA，4套从站的电流总耗约是1.3 A。首先选用1.5 A电源作为网络从站的独立电源，然后在Step7中组态好网络并下载到主站PLC，1#～2#从站与主站之间的通信正常，3#从站通信不稳定，4#从站通信不上。测量3#从站的输入电压在20 V左右波动，4#从站的输入电压低于20 V。缩减3#～4#从站独立电源线或更换3 A电源后，主从站之间通信正常。分析其原因为1.5 A电源处于满负荷工作状态且对3#～4#从站供电过远，电流过大使其本身及线路功耗增加致使电压拉低，导致3#～4#从站低于正常工作电压而不能正常通信。解决方法是独立电源容量要留有裕度，且供给从站的电源线不宜过长。

2 Profibus网路丢站主要因素研究

上述分析的网络丢站因素虽然在故障中所占比例较高，但这些因素易于排查解决。本节主要从电磁干扰、接地系统等影响模块内部通信的因素进行研究，结合这些因素分析造成主从站之间通信中断的状态机理。

由于Profibus网络在高电磁发射环境下运行，所受电磁干扰非常多，因此研究系统的干扰和接地问题非常必要。电磁干扰(electro magnetic interference,EMI)是干扰电缆信号并降低信号完好性的电子噪声，能引起设备、传输通道或系统性能的下降。EMI分为传导干扰和辐射干扰两种，传导干扰主要是电子设备产生的干扰信号通过导电介质或公共电源线互相产生干扰，辐射干扰是指电子设备产生的干扰信号通过空间耦合把干扰信号传给另一个电网络或电子设备。下面搭建如图 1所示的试验平台，进行EMI、接地系统因素引起的网络丢站试验。

图1 Profibus-DP网络电磁干扰和接地系统试验平台

在试验平台中，选择CPU412-2DP作DP主站，BC3100、WAGO750-343和CPU224CN+EM277作DP从站，组成Profibus-DP网络系统。系统配置有金属屏蔽软管、Profibus总线诊断分析工具Proficore、Tektronix TDS2012B示波器、变频器等试验设备。在Step7软件中，组态好网络并下载到DP主站，用示波器测试的信号波形如图 2所示。由图2可以看出，网络A、B信号波形良好，主从站之间通信正常。按照下面试验步骤，对两种主要丢站因素进行分析研究。

① 在上述通信正常的DP网络附近放置运行的变频器和变频电机，网络A、B信号波形如图 3所示。

图2 网络正常通信时A、B信号波形

图3 变频器干扰时A、B信号波形

② 在①基础上，DP通信电缆套上金属屏蔽软管时网络A、B信号波形如图 4所示。

图4 通信电缆加屏蔽时A、B信号波形

③ 在②基础上，DP通信电缆屏蔽层接地时网络A、B信号波形如图 5所示。

图5 通信电缆加屏蔽且屏蔽层接地时A、B信号波形

从上面的网络信号波形图得出如下分析结论：图2网络信号A、B波形良好，主从站通信正常。在DP网络附近放置工作的变频器时，从图 3可以看出DP网络附近置有强烈干扰源时，网络信号A、B波形发生畸变，严重时造成通信中断致使丢站。在DP通信电缆加装金属屏蔽软管，从图 4可以看出网络信号波形不稳定，通信质量较差但网络信号A、B波形能恢复到通信状态，说明通信电缆屏蔽对EMI有抑制作用。最后在此基础上使DP通信电缆屏蔽层接地，从图 5可以看出网络信号波形恢复较好，主从站之间通信恢复正常。从试验分析可得屏蔽和接地是抑制干扰的重要方法,正确使用屏蔽和接地是Profibus系统稳定运行、消除干扰的重要措施，两大技术应用得法可明显提高系统的抗干扰能力。

下面从图6所示的Profibus DP的状态机制分析从站丢失的内部机理。Profibus DP网络是一个M/S网络，DP主从站之间的通信基于主从原理，采用分时轮询传输。主站具有总线控制权，周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息，从站不能向主站提出请求，只能接收主站的请求并作有关应答或响应。

图6 Profibus DP状态机模型

系统上电后，主站首先使用诊断报文判断从站是否在总线上，然后给出确定的从站地址进行轮询数据循环，主从就进入周期性数据交互阶段，此时主站发送输出请求数据，从站回复输入数据。若是此过程系统受到难以承受的EMI或其他丢站因素的影响，从站未在总线上时，主站发送诊断请求命令，从站无响应，主站Slave_Handler状态机不转移。主站连续多次发送请求信息而从站未有应答，则从站离开数据交互状态，从站回复RS(服务拒绝)信息，主站回到诊断请求状态，就会出现DP站点丢失现象。

3 Profibus网路丢站工程解决方案

在网络安装中，必须本着规范、不依赖设备抗干扰能力的原则进行，一方面要着力解决总线的屏蔽措施，提高网络自身的免疫能力；另一方面要注意避开干扰源，防止干扰串入网络。

3.1 电磁干扰问题及解决方案

干扰的传播途径一是由导线来传输的传导干扰，车间的现场总线中主要表现为地线阻抗干扰和来自工频电源的干扰；二是通过空间以辐射形式来传输的辐射干扰，如动力电缆、变压器对现场总线的干扰。空间中任意点的磁感应强度B服从毕奥-萨伐定律[4]：

(1)

式中：μ为磁导率；dv为源点周围处的体积元；r 为dv到场点(x, y, z)的距离；er为源点指向场点的单位矢量。

对于线形电流I，由 Jdv=Idl，得:

(2)

式中：d1为源点附近的长度。

式(1)适用于用电设备周围的磁感应强度，式(2)适用于动力电缆周围的磁感应强度。可见电力设备和动力电缆对现场总线的干扰与距离的平方成反比，即距离越大，干扰衰减就越快。因而Profibus通信设备和电缆应尽量远离干扰源，不能远离的应尽量与各类线缆之间符合布线间距规则，尽量与其他电缆交叉，最好是垂直布线，以减少电磁干扰。屏蔽能切断干扰源和被干扰对象之间的磁力线，以免除电感性耦合、电容性耦合等的电磁干扰，这样既能保护通信电缆又加强了屏蔽，减少了动力电缆对网络通信的干扰[5]。为了加强通信电缆抗干扰能力，采取走镀锌钢管或金属屏蔽软管，使其与动力电缆分开布线。除了大功率设备通过干扰电源、空间辐射干扰影响通信外，还应禁止总线电缆环绕成多圈放置。若有磁力线从环中间穿过时，根据“右手定律”极易产生干扰信号。

干扰是影响通信好坏的关键因素。变频器等设备具有Profibus通信能力，本文以变频器为例介绍对电磁干扰源的处理方法。它的使用可使设备平稳运行和降低能耗，但输出的U/I波形中均含有高次谐波，产生的干扰可直接进入通信系统，因而应对变频器等进行EMC处理。电气柜内用镀锌底板做为安装背板，以改善EMC特性，设计中需考虑电磁兼容性问题，尽量将DP电缆和从站放置在变频器柜外。

总之，为了实现系统的内、外电磁兼容性，需要从技术上分析抑制电磁干扰的3点基本原则：抑制干扰源、切断或衰减电磁干扰的传播途径、提高装置和系统的抗干扰能力[6]。

3.2 接地问题及解决方案

设备接地方法有3种：浮地、单点接地和多点接地。图 7是单点和多点接地方法示意图。

图7 单点和多点接地的方法

接地的目的一是保护操作人员和设备的安全，即保护地；二是为了抑制电磁干扰，即工作地。DP通信电缆采用RS- 485双绞屏蔽电缆。由于通信频率较高，干扰所产生的噪声电流只在屏蔽层外表流过(集肤效应)，所以应对屏蔽层进行接地处理，一端接地只能屏蔽电场耦合干扰，两端接地能更好地抑制电磁干扰。

Profibus站点分布较广，各站点的“地”之间一般电势不等。当设备分别接地时，会在接地点之间产生电势差，屏蔽层就会有电流流过，导致地环流电流，RS- 485总线上也会有很大的共模电压，从而对系统的通信产生影响。为了保证网络通信质量，在出现接地点电势不等时，要铺设等势线，将设备的“地”进行连接，等势线的规格[7]为：铜 6 mm2，铝 16 mm2。

在采用TN-C(它是用工作零线兼作接零保护线，可以称作保护中性线，用 NPE 表示)供电系统的纺织车间，由于恶劣的电磁环境和设备间极易产生不等电位，Profibus网络的通信电缆必须在等电位的基础上两端接地，即整个网络在等电位基础上多点接地，才能保证系统抗干扰能力。

Profibus DP网络等电位基础上的多点接地如图 8[2]所示。

图8 Profibus DP网络等电位基础上的多点接地

若由于接地点本身原因造成通信不稳定，比如系统的“地”本身存在很强的干扰，则在此处将屏蔽层接地，反而会对Profibus通信造成影响。应先处理好“地”，然后将Profibus屏蔽层接地。为现场设备提供一个良好的“地”以及进行正确的“接地”是提高EMC特性的前提。

总之，接地点选择总的原则是减小地环路电流对敏感设备的影响。通信电缆的屏蔽层在进/出电气柜时，都应该进行屏蔽层接地处理，屏蔽层应该保证与接地铜排进行大面积接触。这样避免外部的干扰信号进入电气柜，同时也避免电气柜内产生的干扰对外部设备造成影响。

4 结束语

Profibus系统应用场合较多，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设计，遵守布线规则，做好防电磁干扰措施，处理好系统的“地”与“接地”等，将在很大程度上避免总线网络丢站问题。本课题以实际项目中的Profibus网络丢站问题为背景，通过分析和试验对网络丢站因素和机理进行论证研究。最后得出了相应的工程解决方案，使基于总线技术的数据集成及处理系统的丢站问题得到了解决，提高了企业的生产效率，使得Profibus在行业的应用更加游刃有余。

[1] 王永华,Verwer A(英).现场总线技术及应用教程[M].2版.北京：机械工业出版社，2012：59-60.

[2] 宋云召，江豪，王永华.Profibus网络接地方式及其工程应用研究[J].制造业自动化，2014，36(1)：78-82.

[3] 李娜，王薇，买波，等.Profibus诊断中继器及其工程应用中的关键技术[J].低压电器，2012，24(11)：59-62.

[4] 马文蔚.物理学[M].5版.北京：高等教育出版社，2006：243-245.

[5] 崔坚.西门子工业网络通信指南[M].北京：机械工业出版社，2005：122-161.

[6] 于庆广.可编程控制器原理及系统设计[M].北京：清华大学出版社，2004：148-163.

[7] 广州致远电子有限公司.Profibus网络安装的规则[J].电子技术应用，2011，37(2):14-15.

[8] 江豪，周波，王永华.基于Profibus的FCS故障诊断方法研究[J].自动化仪表，2013，34(11)：34-38.

[9] 宋云召.FCS接地方式对其通信性能的影响研究及工程应用[D].郑州：郑州轻工业学院，2014.

[10]中华人民共和国国家发展和改革委员会.JB/T 10308.3-2005中华人民共和国机械行业标准：测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线类型3：Profibus规范[S].北京：机械工业出版社， 2005：792-797.

Analysis of the Factors of Losing Stations in Profibus Network and Relevant Engineering Solutions

Profibus is mainly used in factory automation workshop level monitoring and for data communication in layer of field devices. In practical engineering applications, losing stations is the common fault in fieldbus control system (FCS) based on Profibus technology. There are many factors may cause losing stations, the analysis found that external interferences, especially the electromagnetic interference (EMI) and the problems in grounding system are the main factors. The factors and mechanism of losing stations are researched through Profibus network experimental platform, the reasons of losing stations are found. Combining with practical engineering application projects, relevant solutions are proposed to guarantee the stable operation of the Profibus network systems.

Profibus Fieldbus technology Losing station Electromagnetic interference Grounding system

河南省产学研合作基金资助项目(编号: 132107000003)。

乔茜华(1989-)，男，现为郑州轻工业学院电气工程专业在读硕士研究生；主要从事先进工业控制网络技术和应用、FCS网络故障诊断等方面的研究。

TP29

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201505009

修改稿收到日期：2014-10-22。