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 吳曉彤

 （寧波中華紙業(yè)有限公司，浙江寧波，315000）

摘要：主要對(duì)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)中所涉及的硬件和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹和分析，并針對(duì)如何提高PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的穩(wěn)定性進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：PROFIBUS；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：'r57 36DOI：10 11980/j. issn. 0254-508X．2016. 04. 011

 PROFIBUS是一種具有廣泛應(yīng)用范圍、開放的數(shù)字通信系統(tǒng)，在集中自動(dòng)化系統(tǒng)向分散自動(dòng)化系統(tǒng)轉(zhuǎn)移方面是一種重大突破。因而從誕生至今，PROFIBUS -直是國(guó)際市場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。

 寧波中華紙業(yè)有限公司造紙生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)目前使用的就是PROFIBUS DP現(xiàn)場(chǎng)總線通信控制系統(tǒng)。這套PROFIBUS DP現(xiàn)場(chǎng)總線通信控制系統(tǒng)自開機(jī)啟用以來(lái)，在通信系統(tǒng)方面出現(xiàn)過各種故障，從寧波中華紙業(yè)有限公司通過對(duì)各種故障現(xiàn)象進(jìn)行分析并采取的各種解決措施來(lái)看，大部分故障是由網(wǎng)絡(luò)硬件安裝不規(guī)范或硬件故障造成的。因此，提高現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵還是要規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)安裝。本文就寧波中華紙業(yè)有限公司通過規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)安裝來(lái)提高PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析總結(jié)，以便給同行提供參考。

1 PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)硬件結(jié)構(gòu)

 PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)主要的硬件包括：PROFIBUS接口，通信介質(zhì)，PROFIBUS插頭，中繼器，OLM以及有源終端電阻等。

2 PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)安裝規(guī)范

 設(shè)計(jì)一條PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，首先需要了解PRO-FIBUS網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湟?guī)則。

 (1) PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)是RS485串口通信，半雙工，支持光纖通信。

 (2)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)理論上最多可連接127個(gè)物理站點(diǎn)，其中包括主站、從站以及中繼設(shè)備。

 (3)網(wǎng)絡(luò)的通信比特率9.6 kb/s~12 Mb/s，通信比特率與通信的距離具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，詳見表1。

 (4)每個(gè)物理網(wǎng)段最多32個(gè)物理站點(diǎn)設(shè)備，物理網(wǎng)段兩終端都需要設(shè)置終端電阻或使用有源終端電阻。

 (5)每個(gè)網(wǎng)段的通信距離或者設(shè)備數(shù)量如果超限，需要增加RS485中繼器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓展，中繼器最多可串聯(lián)9個(gè)。

 (6)每個(gè)中繼設(shè)備（RS485中繼器、OLM）也作為網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)物理站點(diǎn)，但沒有站號(hào)。

 (7)網(wǎng)絡(luò)支持多主站，但在同一網(wǎng)絡(luò)中，建議不多于3個(gè)主站。

 (8) -般0是PG的地址，1～2為主站地址，126為某些從站默認(rèn)的地址，127是廣播地址，因而這些地址一般不再分配給從站，故DP從站最多可連接124個(gè)，站號(hào)設(shè)置一般為3～125。

 (9)如果網(wǎng)絡(luò)中涉及到分支電纜，則應(yīng)注意分支電纜的長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵守PROFIBUS的協(xié)議規(guī)定，如比特率1.5  Mb/s時(shí)，網(wǎng)段中分支電纜總長(zhǎng)度6.6 m，見表2。

 如果使用了西門子的SIMOCODE 3UF7等產(chǎn)品，就會(huì)涉及到網(wǎng)絡(luò)中存在分支電纜的問題，比如智能MCC柜等。

 在進(jìn)行PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)連接之前，首先應(yīng)當(dāng)考慮拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否有問題。如果拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有問題，將來(lái)網(wǎng)絡(luò)通信很可能出現(xiàn)問題。另外，從比特率與距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系中可以看到，比特率越高，則對(duì)應(yīng)的通信距離越近，因而如果現(xiàn)場(chǎng)遇到PROFIBUS的通信有通信連接不上或者通信不穩(wěn)定的情況，也可以考慮先將比特率降低，再進(jìn)行觀察處理。

3 PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)安裝的規(guī)則

3.1  網(wǎng)絡(luò)布線的規(guī)則

3.1.1  選擇標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS通信電纜

 標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS通信電纜的特性阻抗與DP頭的終端電阻設(shè)置為“ON”時(shí)的終端電阻值剛好匹配，如果選擇普通的電纜，其特性阻抗與終端電阻很可能不匹配，則通信性能將會(huì)受到影響。標(biāo)準(zhǔn)的PROFI-BUS電纜往往是雙層屏蔽雙絞線，屏蔽效果比較好。

3.1.2屏蔽層多點(diǎn)接地

 PROFIBUS電纜在插頭內(nèi)接線時(shí)，須將屏蔽層剝開，壓在插頭內(nèi)的金屬部分，該金屬部分與DP插頭外部的金屬部分相連，當(dāng)將插頭插在DP口上時(shí)，則通過設(shè)備連接到了安裝底板，而安裝底板一般是連接在柜殼上并接地的，從而實(shí)現(xiàn)了屏蔽層的接地屏蔽層通過金屬部分進(jìn)行接地。PROFIBUS插頭內(nèi)部接線，即屏蔽層的處理，由于接地有利于保護(hù)PLC設(shè)備以及DP通信口，因此對(duì)于所有的PROFIBUS站點(diǎn)都要求進(jìn)行接地處理，即“多點(diǎn)接地”。

3.1.3布線規(guī)則

 (1)不同電壓等級(jí)的電纜分線槽布線。高電壓、大電流的動(dòng)力電纜，與小電壓、小電流的電纜應(yīng)該是分線槽布線，同時(shí)線槽應(yīng)蓋上蓋板，盡量全封閉；如果現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法分線槽布線，則將兩類電纜盡量遠(yuǎn)離，中間加金屬隔板進(jìn)行隔離，同時(shí)金屬線槽要做接地處理。電纜橋架之間的連接也應(yīng)該保證用金屬連接部件大面積連接處理，同時(shí)注意“接地”的連接。

 (2)通信電纜單獨(dú)在線槽外布線時(shí)，可根據(jù)情況采用穿金屬管的方式，這樣既可以保護(hù)通信電纜不被損壞，又對(duì)于防止電磁的干擾有好處，但注意外部的金屬管需要接地。

 (3)通信電纜與動(dòng)力電纜避免長(zhǎng)距離平行布線。

 (4)通信電纜過長(zhǎng)時(shí)，不要形成環(huán)狀，此時(shí)如果有磁力線從環(huán)中間穿過時(shí)，根據(jù)“右手定律”，容易產(chǎn)生干擾信號(hào)。

 (5)通信線連接的設(shè)備應(yīng)做等電勢(shì)連接。PRO-FIBUS連接的站點(diǎn)可能分布較廣，為了保證通信的質(zhì)量，一般要求所有通信站點(diǎn)都應(yīng)該處于同一個(gè)電壓等級(jí)上，即應(yīng)當(dāng)都是“等電勢(shì)”的。如果兩個(gè)站點(diǎn)的“地”之間不等電勢(shì)，則當(dāng)兩個(gè)設(shè)備分別各自接地時(shí)，將會(huì)在兩個(gè)接地點(diǎn)之間產(chǎn)生電勢(shì)差，此時(shí)電流會(huì)流過通信電纜的屏蔽層，從而對(duì)通信產(chǎn)生影響。因此應(yīng)該在兩個(gè)設(shè)備之間進(jìn)行等電勢(shì)的綁定。當(dāng)然，這里不是要求所有的現(xiàn)場(chǎng)都需要增加額外的等勢(shì)線而增加成本，只是建議在出現(xiàn)接地點(diǎn)電勢(shì)不相等的情況時(shí)，如果影響到通信，或者可能造成設(shè)備損壞，則應(yīng)當(dāng)想辦法加以改進(jìn)。如果由于接地點(diǎn)本身的原因造成了通信不穩(wěn)定，比如某個(gè)系統(tǒng)的“地”本身存在著很強(qiáng)的干擾，則在此處將屏蔽層接地反而會(huì)對(duì)ROFIBUS通信造成影響，因而此時(shí)應(yīng)該考慮首先處理好“地”，然后再將PROFIBUS屏蔽層接地。為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供一個(gè)良好的“地”以及進(jìn)行正確的“接地”是提高電磁兼容特性的前提。比如抄漿打包線的改造。

 (6)通信線在電柜內(nèi)的布線。通信電纜在電柜內(nèi)布線時(shí)，也應(yīng)該遵循之前的原則，即遠(yuǎn)離干擾源。在柜內(nèi)的走線應(yīng)當(dāng)進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)，盡量避免與高電壓、大電流的電纜在同一線槽內(nèi)走線，同時(shí)，不要在柜內(nèi)形成“環(huán)”，特別時(shí)避免將變頻器等干擾源包圍在“環(huán)”內(nèi)。

3.2通信電纜的屏蔽層在電柜內(nèi)的處理

 (1)首先是PROFIBUS DP插頭，除了之前介紹的，需要將屏蔽層壓在插頭的金屬部分外，還需要注意屏蔽層不要?jiǎng)冮_的太長(zhǎng)，否則會(huì)暴露在空間，成為容易受干擾的“天線”。

 (2)通信電纜的屏蔽層在進(jìn)、出電氣柜時(shí)，都應(yīng)該進(jìn)行屏蔽層接地處理，屏蔽層應(yīng)該保證與接地體有大面積的接觸，這樣避免外部的干擾信號(hào)進(jìn)入電柜，同時(shí)也避免柜內(nèi)產(chǎn)生的干擾對(duì)外部設(shè)備造成影響。

 (3)如果通信電纜在柜內(nèi)經(jīng)過端子進(jìn)行連接，則屏蔽層最好在端子排的兩側(cè)分別進(jìn)行連接，此時(shí)應(yīng)避免剝開屏蔽層擰成一根連接到端子（這種方式有個(gè)名稱叫做“豬尾巴”）。在現(xiàn)場(chǎng)的連接中，如果將屏蔽層剝開過長(zhǎng)，則通信電纜會(huì)有很長(zhǎng)一段沒有被屏蔽層“保護(hù)”，而屏蔽層擰成一根后將形成天線，更容易將干擾引入系統(tǒng)（西門子的柜子有屏蔽接地排）。

3.3  減小變頻器等干擾源設(shè)備對(duì)通信的影響

 變頻器等較大功率的設(shè)備除了通過干擾電源、通過空間輻射干擾影響設(shè)備正常運(yùn)行外，隨著變頻器等設(shè)備具有PROFIBUS通信的能力，這些設(shè)備產(chǎn)生的干擾也有可能直接進(jìn)入通信系統(tǒng)，因而應(yīng)該對(duì)變頻器進(jìn)行相應(yīng)的處理。

 主要是變頻器的安裝。在電柜內(nèi)，盡量用鍍鋅底板替代噴漆底板作為安裝背板，變頻器本身要有良好的接地，動(dòng)力電纜采用屏蔽電纜并接地。

4 PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的故障診斷

 ROFIBUS是一種抗干擾性比較強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)總線，但不時(shí)還會(huì)發(fā)生一些故障。因此需要定期對(duì)PROFI-BUS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種隱患。

 PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)故障檢測(cè)一般分為靜態(tài)檢測(cè)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)兩種方式。

4.1靜態(tài)檢測(cè)

 靜態(tài)檢測(cè)是對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在物理連接質(zhì)量方面進(jìn)行檢測(cè)，主要是檢測(cè)通信回路是否短路、斷路以及接觸不好等。根據(jù)RS485串口通信的規(guī)范，每個(gè)物理網(wǎng)段兩個(gè)終端都并聯(lián)了一個(gè)終端電阻(220 Ω)，一般在設(shè)備斷電的情況用萬(wàn)用表測(cè)總線回路阻值，正常阻值在110 Ω左右，若測(cè)出阻值偏差很大，就需要對(duì)各通信接線端子和DP進(jìn)行檢查。

4.2動(dòng)態(tài)檢測(cè)

 動(dòng)態(tài)檢測(cè)是對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量進(jìn)行檢查。主要檢測(cè)通信信號(hào)的強(qiáng)弱，通信質(zhì)量是否穩(wěn)定，是否有干擾等�？捎梦鏖T子提供的專用檢測(cè)設(shè)備對(duì)PROFI-BUS網(wǎng)絡(luò)通信波形進(jìn)行檢測(cè)，通過觀察波形，可以得出一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上每臺(tái)設(shè)備通信信號(hào)的強(qiáng)弱、質(zhì)量的好壞等。若某個(gè)設(shè)備信號(hào)較弱，則應(yīng)檢查該臺(tái)設(shè)備的物理接線是否完好；若波形中出現(xiàn)尖端毛刺，則很有可能是外界干擾引起；若某臺(tái)設(shè)備后的所有從站信號(hào)都很弱，則應(yīng)該是信號(hào)衰減引起，可以在該設(shè)備前加裝RS485中繼器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大（RS485中繼器要裝在信號(hào)開始衰減的設(shè)備的前端）。

5結(jié)語(yǔ)

 通過近幾年的故障分析處理發(fā)現(xiàn)，造成PROFI-BUS通信故障的原因，大部分最終都很簡(jiǎn)單，如：現(xiàn)場(chǎng)接地不好，通信線屏蔽層處理不當(dāng)，布線時(shí)與動(dòng)力電纜沒有分開，通信線在端子上接觸不好，通信地址沖突，網(wǎng)絡(luò)硬件故障等。因此，為了避免PROFI-BUS網(wǎng)絡(luò)在以后的運(yùn)行中出現(xiàn)故障，首先應(yīng)該注意按照規(guī)范進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，嚴(yán)格按規(guī)范的要求進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工，盡量選用質(zhì)量較好的網(wǎng)絡(luò)硬件，同時(shí)在日常維護(hù)和操作中要嚴(yán)格按規(guī)范操作。