PROFIBUS DP现场总线系统稳定性浅析

吴晓彤

(宁波中华纸业有限公司,浙江宁波,315000)



·现场总线系统·

PROFIBUS DP现场总线系统稳定性浅析

吴晓彤

(宁波中华纸业有限公司,浙江宁波,315000)

主要对PROFIBUS网络中所涉及的硬件和网络结构进行了介绍和分析,并针对如何提高 PROFIBUS现场总线的稳定性进行了讨论。

PROFIBUS；网络结构；稳定性

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PROFIBUS是一种具有广泛应用范围、开放的数字通信系统,在集中自动化系统向分散自动化系统转移方面是一种重大突破。因而从诞生至今,PROFIBUS一直是国际市场现场总线技术领域的领导者。

宁波中华纸业有限公司造纸生产现场目前使用的就是PROFIBUS DP现场总线通信控制系统。这套PROFIBUS DP现场总线通信控制系统自开机启用以来,在通信系统方面出现过各种故障,从宁波中华纸业有限公司通过对各种故障现象进行分析并采取的各种解决措施来看,大部分故障是由网络硬件安装不规范或硬件故障造成的。因此,提高现场总线系统稳定性的关键还是要规范现场安装。本文就宁波中华纸业有限公司通过规范现场安装来提高PROFIBUS现场总线系统稳定性进行分析总结,以便给同行提供参考。

1 PROFIBUS网络硬件结构

PROFIBUS网络主要的硬件包括：PROFIBUS接口,通信介质,PROFIBUS插头,中继器,OLM以及有源终端电阻等。

2 PROFIBUS网络安装规范

设计一条PROFIBUS网络,首先需要了解PROFIBUS网络的拓扑规则。

(1)PROFIBUS网络是RS485串口通信,半双工,支持光纤通信。

(2)每个网络理论上最多可连接127个物理站点,其中包括主站、从站以及中继设备。

(3)网络的通信比特率9.6 kb/s～12 Mb/s,通信比特率与通信的距离具有一定的对应关系,详见表1。

表1 不同传输速度时的电缆长度

(4)每个物理网段最多32个物理站点设备,物理网段两终端都需要设置终端电阻或使用有源终端电阻。

(5)每个网段的通信距离或者设备数量如果超限,需要增加RS485中继器进行网络拓展,中继器最多可串联9个。

(6)每个中继设备(RS485中继器、OLM)也作为网络中的一个物理站点,但没有站号。

(7)网络支持多主站,但在同一网络中,建议不多于3个主站。

(8)一般0是PG的地址,1～2为主站地址,126为某些从站默认的地址,127是广播地址,因而这些地址一般不再分配给从站,故DP从站最多可连接124个,站号设置一般为3～125。

(9)如果网络中涉及到分支电缆,则应注意分支电缆的长度应当严格遵守PROFIBUS的协议规定,如比特率1.5 Mb/s时,网段中分支电缆总长度6.6 m,见表2。

表2 比特率与分支电缆的长度对应表

如果使用了西门子的SIMOCODE 3UF7等产品,就会涉及到网络中存在分支电缆的问题,比如智能MCC柜等。

在进行PROFIBUS网络连接之前,首先应当考虑拓扑结构的设计是否有问题。如果拓扑结构有问题,将来网络通信很可能出现问题。另外,从比特率与距离的对应关系中可以看到,比特率越高,则对应的通信距离越近,因而如果现场遇到PROFIBUS的通信有通信连接不上或者通信不稳定的情况,也可以考虑先将比特率降低,再进行观察处理。

3 PROFIBUS网络安装的规则

3.1 网络布线的规则

3.1.1 选择标准PROFIBUS通信电缆

标准PROFIBUS通信电缆的特性阻抗与DP头的终端电阻设置为“ON”时的终端电阻值刚好匹配,如果选择普通的电缆,其特性阻抗与终端电阻很可能不匹配,则通信性能将会受到影响。标准的PROFIBUS电缆往往是双层屏蔽双绞线,屏蔽效果比较好。

3.1.2 屏蔽层多点接地

PROFIBUS电缆在插头内接线时,须将屏蔽层剥开,压在插头内的金属部分,该金属部分与DP插头外部的金属部分相连,当将插头插在DP口上时,则通过设备连接到了安装底板,而安装底板一般是连接在柜壳上并接地的,从而实现了屏蔽层的接地屏蔽层通过金属部分进行接地。PROFIBUS插头内部接线，即屏蔽层的处理，由于接地有利于保护PLC设备以及DP通信口,因此对于所有的PROFIBUS站点都要求进行接地处理,即“多点接地”。

3.1.3 布线规则

(1)不同电压等级的电缆分线槽布线。高电压、大电流的动力电缆,与小电压、小电流的电缆应该是分线槽布线,同时线槽应盖上盖板,尽量全封闭；如果现场无法分线槽布线,则将两类电缆尽量远离,中间加金属隔板进行隔离,同时金属线槽要做接地处理。电缆桥架之间的连接也应该保证用金属连接部件大面积连接处理,同时注意“接地”的连接。

(2)通信电缆单独在线槽外布线时,可根据情况采用穿金属管的方式,这样既可以保护通信电缆不被损坏,又对于防止电磁的干扰有好处,但注意外部的金属管需要接地。

(3)通信电缆与动力电缆避免长距离平行布线。

(4)通信电缆过长时,不要形成环状，此时如果有磁力线从环中间穿过时,根据“右手定律”,容易产生干扰信号。

(5)通信线连接的设备应做等电势连接。PROFIBUS连接的站点可能分布较广,为了保证通信的质量,一般要求所有通信站点都应该处于同一个电压等级上,即应当都是“等电势”的。如果两个站点的“地”之间不等电势,则当两个设备分别各自接地时,将会在两个接地点之间产生电势差,此时电流会流过通信电缆的屏蔽层,从而对通信产生影响。因此应该在两个设备之间进行等电势的绑定。当然,这里不是要求所有的现场都需要增加额外的等势线而增加成本,只是建议在出现接地点电势不相等的情况时,如果影响到通信,或者可能造成设备损坏,则应当想办法加以改进。如果由于接地点本身的原因造成了通信不稳定,比如某个系统的“地”本身存在着很强的干扰,则在此处将屏蔽层接地反而会对ROFIBUS通信造成影响,因而此时应该考虑首先处理好“地”,然后再将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”是提高电磁兼容特性的前提。比如抄浆打包线的改造。

(6)通信线在电柜内的布线。通信电缆在电柜内布线时,也应该遵循之前的原则,即远离干扰源。在柜内的走线应当进行精心的设计,尽量避免与高电压、大电流的电缆在同一线槽内走线,同时,不要在柜内形成“环”,特别时避免将变频器等干扰源包围在“环”内。

3.2 通信电缆的屏蔽层在电柜内的处理

(1)首先是PROFIBUS DP插头,除了之前介绍的,需要将屏蔽层压在插头的金属部分外,还需要注意屏蔽层不要剥开的太长,否则会暴露在空间,成为容易受干扰的“天线”。

(2)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体有大面积的接触,这样避免外部的干扰信号进入电柜,同时也避免柜内产生的干扰对外部设备造成影响。

(3)如果通信电缆在柜内经过端子进行连接,则屏蔽层最好在端子排的两侧分别进行连接,此时应避免剥开屏蔽层拧成一根连接到端子(这种方式有个名称叫做“猪尾巴”)。在现场的连接中,如果将屏蔽层剥开过长,则通信电缆会有很长一段没有被屏蔽层“保护”,而屏蔽层拧成一根后将形成天线,更容易将干扰引入系统(西门子的柜子有屏蔽接地排)。

3.3 减小变频器等干扰源设备对通信的影响

变频器等较大功率的设备除了通过干扰电源、通过空间辐射干扰影响设备正常运行外,随着变频器等设备具有PROFIBUS通信的能力,这些设备产生的干扰也有可能直接进入通信系统,因而应该对变频器进行相应的处理。

主要是变频器的安装。在电柜内,尽量用镀锌底板替代喷漆底板作为安装背板,变频器本身要有良好的接地,动力电缆采用屏蔽电缆并接地。

4 PROFIBUS网络的故障诊断

ROFIBUS是一种抗干扰性比较强的现场总线,但不时还会发生一些故障。因此需要定期对PROFIBUS网络进行检测,及时发现各种隐患。

PROFIBUS网络故障检测一般分为静态检测和动态检测两种方式。

4.1 静态检测

静态检测是对整个网络在物理连接质量方面进行检测，主要是检测通信回路是否短路、断路以及接触不好等。根据RS485串口通信的规范,每个物理网段两个终端都并联了一个终端电阻(220 Ω),一般在设备断电的情况用万用表测总线回路阻值,正常阻值在110 Ω左右,若测出阻值偏差很大，就需要对各通信接线端子和DP进行检查。

4.2 动态检测

动态检测是对整个网络的通信质量进行检查。主要检测通信信号的强弱,通信质量是否稳定,是否有干扰等。可用西门子提供的专用检测设备对PROFIBUS网络通信波形进行检测,通过观察波形，可以得出一个网络上每台设备通信信号的强弱、质量的好坏等。若某个设备信号较弱,则应检查该台设备的物理接线是否完好；若波形中出现尖端毛刺,则很有可能是外界干扰引起；若某台设备后的所有从站信号都很弱,则应该是信号衰减引起,可以在该设备前加装RS485中继器对信号进行放大(RS485中继器要装在信号开始衰减的设备的前端)。

5 结 语

通过近几年的故障分析处理发现,造成PROFIBUS通信故障的原因,大部分最终都很简单,如：现场接地不好,通信线屏蔽层处理不当,布线时与动力电缆没有分开,通信线在端子上接触不好,通信地址冲突,网络硬件故障等。因此,为了避免PROFIBUS网络在以后的运行中出现故障,首先应该注意按照规范进行网络设计,严格按规范的要求进行现场施工,尽量选用质量较好的网络硬件,同时在日常维护和操作中要严格按规范操作。

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(责任编辑：马 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

吴晓彤先生,工程师；主要从事仪表自动化管理工作。

2015-11-17(修改稿)

TS736

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