Profibus網(wǎng)絡丟站因素分析及工程解決方案

喬茜華 王成群 王永華,2

(鄭州輕工業(yè)學院電氣信息工程學院1，河南 鄭州 450002；紡織服裝產(chǎn)業(yè)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心2，河南 鄭州 451191)

Profibus網(wǎng)絡丟站因素分析及工程解決方案

喬茜華1王成群1王永華1,2

(鄭州輕工業(yè)學院電氣信息工程學院1，河南 鄭州 450002；紡織服裝產(chǎn)業(yè)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心2，河南 鄭州 451191)

Profibus主要用于工廠自動化車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設備層數(shù)據(jù)通信。在實際工程應用中，丟站是基于Profibus現(xiàn)場總線技術的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)的常見故障。導致丟站的原因有很多，分析認為外界干擾尤其電磁干擾(EMI)和接地系統(tǒng)問題是主要因素。通過Profibus網(wǎng)絡試驗平臺對丟站因素和機理進行研究，找出導致丟站的原因。結(jié)合實際工程項目應用，提出了相應的工程解決方案，為Profibus網(wǎng)絡系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了保障。

Profibus 現(xiàn)場總線技術 丟站 電磁干擾 接地系統(tǒng)

0 引言

Profibus是能夠全面覆蓋工廠自動化和過程自動化應用領域的現(xiàn)場總線，它以其技術的成熟性和應用的可靠性等多方面優(yōu)點，在現(xiàn)場總線技術領域中成為領導者[1]。在實際工程應用中，現(xiàn)場級測控系統(tǒng)的工作環(huán)境比較復雜，電磁環(huán)境比較惡劣。這些因素對系統(tǒng)的可靠性與安全性都構成了威脅，導致現(xiàn)場總線通信上存在一些隱患。若不能及時發(fā)現(xiàn)和處理，將有可能造成系統(tǒng)通信故障，出現(xiàn)網(wǎng)絡站點丟失，從而影響系統(tǒng)的正常運行。

本文以大型實際紡織工程項目為背景，以工業(yè)網(wǎng)實驗平臺為依托，通過大量試驗對DP從站丟站因素和丟站機理進行分析研究，并給出相應的工程解決方案。該方案使基于總線技術的數(shù)據(jù)集成及處理系統(tǒng)的丟站問題得到了解決，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，為Profibus網(wǎng)絡系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了保障。

1 造成Profibus網(wǎng)絡丟站的因素

Profibus DP現(xiàn)場總線系統(tǒng)在調(diào)試、運行階段會出現(xiàn)通信意外中斷、某些DP站點隨機通信故障的現(xiàn)象。在我們實施的實際工程項目中有時也會出現(xiàn)某些從站莫名其妙地丟失，斷電后重新上電又恢復了正常通信，這說明信號質(zhì)量不好。由于Profibus是低電壓、高頻的時差分信號系統(tǒng)，因此通信電纜的連接質(zhì)量和信號品質(zhì)就顯得尤為重要。

1.1 Profibus網(wǎng)絡丟站因素介紹

在實際工程應用中，引起Profibus網(wǎng)絡丟站故障主要有下列因素。

① 硬件部分不可靠：通信電纜、模塊或端口故障等。

② 安裝過程中的故障：網(wǎng)絡接頭接觸不良、A/B線接反、終端電阻設置錯誤等。

③ 網(wǎng)段中DP通信電纜過長。

④ 獨立供電電源對從站的影響。

⑤ 外界干擾,如變壓器、變頻器的電磁干擾。

⑥ 接地系統(tǒng)不規(guī)范。

1.2 系統(tǒng)因素分析及解決方法

上述①～④屬于網(wǎng)絡自身引起的，屬于系統(tǒng)因素，是本節(jié)分析對象。⑤～⑥屬于外部原因引起的，屬于外來因素，在第2節(jié)進行試驗分析。

第①種因素的解決方法為采用逐點排除法，即用通信節(jié)點逐個脫網(wǎng)的方法排查故障。先從發(fā)生通信故障網(wǎng)段中離通信主站最遠的節(jié)點開始,逐一合上DP頭的終端電阻。當合上某節(jié)點的終端電阻后, 其靠近主站側(cè)的節(jié)點通信恢復正常,則可判定故障點就在此節(jié)點與上一節(jié)點之間。查出后修復或更換故障通信電纜或模塊即可。由于Profibus網(wǎng)絡系統(tǒng)在高電磁發(fā)射環(huán)境(如紡織、煙草等行業(yè))下運行，應使用優(yōu)質(zhì)通信電纜和模塊，以提高系統(tǒng)電磁兼容性(EMC)。

實際中最常出現(xiàn)的問題和故障幾乎都是與安裝有關，這主要包括終端電阻設置錯誤、電源線布置不當或電纜走線不當?shù)?，所以Profibus正確安裝是Profibus總線正確使用的關鍵。不規(guī)范的網(wǎng)絡安裝會引入外界EMI干擾，導致通信質(zhì)量下降，影響設備正常工作。盡管設備具有一定的抗干擾能力，但從總線上引入的部分干擾不可修復。所以第②種因素解決方法是在網(wǎng)絡安裝中，本著規(guī)范、不依賴設備抗干擾能力的原則來進行設備安裝和布線，以減少或消除安裝因素引起的丟站故障。

第③種因素是由于信號傳輸隨著距離的增加逐漸衰減，網(wǎng)段過長會導致信號不穩(wěn)定。解決方案是增加RS- 485中繼器，以增加網(wǎng)絡長度，提供段與段之間的信號隔離與緩沖[3]。

對于第④種獨立電源因素，我們進行試驗研究。試驗平臺為：裝有Step7軟件的PC，MW電源24 VDC-1.5/3.0A各1個，CPU 412-2DP作DP主站，4套CPU 222CN 和EM277作DP從站，組成網(wǎng)絡，1#～2#從站離主站較近，3#～4#從站離主站較遠，主機CPU 222CN和其DP模塊EM 277的部分參數(shù)如表 1所示。

表1 通信模塊的相關參數(shù)

經(jīng)計算可得，1套從站的電流消耗約為315 mA，4套從站的電流總耗約是1.3 A。首先選用1.5 A電源作為網(wǎng)絡從站的獨立電源，然后在Step7中組態(tài)好網(wǎng)絡并下載到主站PLC，1#～2#從站與主站之間的通信正常，3#從站通信不穩(wěn)定，4#從站通信不上。測量3#從站的輸入電壓在20 V左右波動，4#從站的輸入電壓低于20 V?？s減3#～4#從站獨立電源線或更換3 A電源后，主從站之間通信正常。分析其原因為1.5 A電源處于滿負荷工作狀態(tài)且對3#～4#從站供電過遠，電流過大使其本身及線路功耗增加致使電壓拉低，導致3#～4#從站低于正常工作電壓而不能正常通信。解決方法是獨立電源容量要留有裕度，且供給從站的電源線不宜過長。

2 Profibus網(wǎng)路丟站主要因素研究

上述分析的網(wǎng)絡丟站因素雖然在故障中所占比例較高，但這些因素易于排查解決。本節(jié)主要從電磁干擾、接地系統(tǒng)等影響模塊內(nèi)部通信的因素進行研究，結(jié)合這些因素分析造成主從站之間通信中斷的狀態(tài)機理。

由于Profibus網(wǎng)絡在高電磁發(fā)射環(huán)境下運行，所受電磁干擾非常多，因此研究系統(tǒng)的干擾和接地問題非常必要。電磁干擾(electro magnetic interference,EMI)是干擾電纜信號并降低信號完好性的電子噪聲，能引起設備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降。EMI分為傳導干擾和輻射干擾兩種，傳導干擾主要是電子設備產(chǎn)生的干擾信號通過導電介質(zhì)或公共電源線互相產(chǎn)生干擾，輻射干擾是指電子設備產(chǎn)生的干擾信號通過空間耦合把干擾信號傳給另一個電網(wǎng)絡或電子設備。下面搭建如圖 1所示的試驗平臺，進行EMI、接地系統(tǒng)因素引起的網(wǎng)絡丟站試驗。

圖1 Profibus-DP網(wǎng)絡電磁干擾和接地系統(tǒng)試驗平臺

在試驗平臺中，選擇CPU412-2DP作DP主站，BC3100、WAGO750-343和CPU224CN+EM277作DP從站，組成Profibus-DP網(wǎng)絡系統(tǒng)。系統(tǒng)配置有金屬屏蔽軟管、Profibus總線診斷分析工具Proficore、Tektronix TDS2012B示波器、變頻器等試驗設備。在Step7軟件中，組態(tài)好網(wǎng)絡并下載到DP主站，用示波器測試的信號波形如圖 2所示。由圖2可以看出，網(wǎng)絡A、B信號波形良好，主從站之間通信正常。按照下面試驗步驟，對兩種主要丟站因素進行分析研究。

① 在上述通信正常的DP網(wǎng)絡附近放置運行的變頻器和變頻電機，網(wǎng)絡A、B信號波形如圖 3所示。

圖2 網(wǎng)絡正常通信時A、B信號波形

圖3 變頻器干擾時A、B信號波形

② 在①基礎上，DP通信電纜套上金屬屏蔽軟管時網(wǎng)絡A、B信號波形如圖 4所示。

圖4 通信電纜加屏蔽時A、B信號波形

③ 在②基礎上，DP通信電纜屏蔽層接地時網(wǎng)絡A、B信號波形如圖 5所示。

圖5 通信電纜加屏蔽且屏蔽層接地時A、B信號波形

從上面的網(wǎng)絡信號波形圖得出如下分析結(jié)論：圖2網(wǎng)絡信號A、B波形良好，主從站通信正常。在DP網(wǎng)絡附近放置工作的變頻器時，從圖 3可以看出DP網(wǎng)絡附近置有強烈干擾源時，網(wǎng)絡信號A、B波形發(fā)生畸變，嚴重時造成通信中斷致使丟站。在DP通信電纜加裝金屬屏蔽軟管，從圖 4可以看出網(wǎng)絡信號波形不穩(wěn)定，通信質(zhì)量較差但網(wǎng)絡信號A、B波形能恢復到通信狀態(tài)，說明通信電纜屏蔽對EMI有抑制作用。最后在此基礎上使DP通信電纜屏蔽層接地，從圖 5可以看出網(wǎng)絡信號波形恢復較好，主從站之間通信恢復正常。從試驗分析可得屏蔽和接地是抑制干擾的重要方法,正確使用屏蔽和接地是Profibus系統(tǒng)穩(wěn)定運行、消除干擾的重要措施，兩大技術應用得法可明顯提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

下面從圖6所示的Profibus DP的狀態(tài)機制分析從站丟失的內(nèi)部機理。Profibus DP網(wǎng)絡是一個M/S網(wǎng)絡，DP主從站之間的通信基于主從原理，采用分時輪詢傳輸。主站具有總線控制權，周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息，從站不能向主站提出請求，只能接收主站的請求并作有關應答或響應。

圖6 Profibus DP狀態(tài)機模型

系統(tǒng)上電后，主站首先使用診斷報文判斷從站是否在總線上，然后給出確定的從站地址進行輪詢數(shù)據(jù)循環(huán)，主從就進入周期性數(shù)據(jù)交互階段，此時主站發(fā)送輸出請求數(shù)據(jù)，從站回復輸入數(shù)據(jù)。若是此過程系統(tǒng)受到難以承受的EMI或其他丟站因素的影響，從站未在總線上時，主站發(fā)送診斷請求命令，從站無響應，主站Slave_Handler狀態(tài)機不轉(zhuǎn)移。主站連續(xù)多次發(fā)送請求信息而從站未有應答，則從站離開數(shù)據(jù)交互狀態(tài)，從站回復RS(服務拒絕)信息，主站回到診斷請求狀態(tài)，就會出現(xiàn)DP站點丟失現(xiàn)象。

3 Profibus網(wǎng)路丟站工程解決方案

在網(wǎng)絡安裝中，必須本著規(guī)范、不依賴設備抗干擾能力的原則進行，一方面要著力解決總線的屏蔽措施，提高網(wǎng)絡自身的免疫能力；另一方面要注意避開干擾源，防止干擾串入網(wǎng)絡。

3.1 電磁干擾問題及解決方案

干擾的傳播途徑一是由導線來傳輸?shù)膫鲗Ц蓴_，車間的現(xiàn)場總線中主要表現(xiàn)為地線阻抗干擾和來自工頻電源的干擾；二是通過空間以輻射形式來傳輸?shù)妮椛涓蓴_，如動力電纜、變壓器對現(xiàn)場總線的干擾?？臻g中任意點的磁感應強度B服從畢奧-薩伐定律[4]：

(1)

式中：μ為磁導率；dv為源點周圍處的體積元；r 為dv到場點(x, y, z)的距離；er為源點指向場點的單位矢量。

對于線形電流I，由 Jdv=Idl，得:

(2)

式中：d1為源點附近的長度。

式(1)適用于用電設備周圍的磁感應強度，式(2)適用于動力電纜周圍的磁感應強度。可見電力設備和動力電纜對現(xiàn)場總線的干擾與距離的平方成反比，即距離越大，干擾衰減就越快。因而Profibus通信設備和電纜應盡量遠離干擾源，不能遠離的應盡量與各類線纜之間符合布線間距規(guī)則，盡量與其他電纜交叉，最好是垂直布線，以減少電磁干擾。屏蔽能切斷干擾源和被干擾對象之間的磁力線，以免除電感性耦合、電容性耦合等的電磁干擾，這樣既能保護通信電纜又加強了屏蔽，減少了動力電纜對網(wǎng)絡通信的干擾[5]。為了加強通信電纜抗干擾能力，采取走鍍鋅鋼管或金屬屏蔽軟管，使其與動力電纜分開布線。除了大功率設備通過干擾電源、空間輻射干擾影響通信外，還應禁止總線電纜環(huán)繞成多圈放置。若有磁力線從環(huán)中間穿過時，根據(jù)“右手定律”極易產(chǎn)生干擾信號。

干擾是影響通信好壞的關鍵因素。變頻器等設備具有Profibus通信能力，本文以變頻器為例介紹對電磁干擾源的處理方法。它的使用可使設備平穩(wěn)運行和降低能耗，但輸出的U/I波形中均含有高次諧波，產(chǎn)生的干擾可直接進入通信系統(tǒng)，因而應對變頻器等進行EMC處理。電氣柜內(nèi)用鍍鋅底板做為安裝背板，以改善EMC特性，設計中需考慮電磁兼容性問題，盡量將DP電纜和從站放置在變頻器柜外。

總之，為了實現(xiàn)系統(tǒng)的內(nèi)、外電磁兼容性，需要從技術上分析抑制電磁干擾的3點基本原則：抑制干擾源、切斷或衰減電磁干擾的傳播途徑、提高裝置和系統(tǒng)的抗干擾能力[6]。

3.2 接地問題及解決方案

設備接地方法有3種：浮地、單點接地和多點接地。圖 7是單點和多點接地方法示意圖。

圖7 單點和多點接地的方法

接地的目的一是保護操作人員和設備的安全，即保護地；二是為了抑制電磁干擾，即工作地。DP通信電纜采用RS- 485雙絞屏蔽電纜。由于通信頻率較高，干擾所產(chǎn)生的噪聲電流只在屏蔽層外表流過(集膚效應)，所以應對屏蔽層進行接地處理，一端接地只能屏蔽電場耦合干擾，兩端接地能更好地抑制電磁干擾。

Profibus站點分布較廣，各站點的“地”之間一般電勢不等。當設備分別接地時，會在接地點之間產(chǎn)生電勢差，屏蔽層就會有電流流過，導致地環(huán)流電流，RS- 485總線上也會有很大的共模電壓，從而對系統(tǒng)的通信產(chǎn)生影響。為了保證網(wǎng)絡通信質(zhì)量，在出現(xiàn)接地點電勢不等時，要鋪設等勢線，將設備的“地”進行連接，等勢線的規(guī)格[7]為：銅 6 mm2，鋁 16 mm2。

在采用TN-C(它是用工作零線兼作接零保護線，可以稱作保護中性線，用 NPE 表示)供電系統(tǒng)的紡織車間，由于惡劣的電磁環(huán)境和設備間極易產(chǎn)生不等電位，Profibus網(wǎng)絡的通信電纜必須在等電位的基礎上兩端接地，即整個網(wǎng)絡在等電位基礎上多點接地，才能保證系統(tǒng)抗干擾能力。

Profibus DP網(wǎng)絡等電位基礎上的多點接地如圖 8[2]所示。

圖8 Profibus DP網(wǎng)絡等電位基礎上的多點接地

若由于接地點本身原因造成通信不穩(wěn)定，比如系統(tǒng)的“地”本身存在很強的干擾，則在此處將屏蔽層接地，反而會對Profibus通信造成影響。應先處理好“地”，然后將Profibus屏蔽層接地。為現(xiàn)場設備提供一個良好的“地”以及進行正確的“接地”是提高EMC特性的前提。

總之，接地點選擇總的原則是減小地環(huán)路電流對敏感設備的影響。通信電纜的屏蔽層在進/出電氣柜時，都應該進行屏蔽層接地處理，屏蔽層應該保證與接地銅排進行大面積接觸。這樣避免外部的干擾信號進入電氣柜，同時也避免電氣柜內(nèi)產(chǎn)生的干擾對外部設備造成影響。

4 結(jié)束語

Profibus系統(tǒng)應用場合較多，應用環(huán)境也各不相同，但只要嚴格按照Profibus的規(guī)范進行網(wǎng)絡拓撲設計，遵守布線規(guī)則，做好防電磁干擾措施，處理好系統(tǒng)的“地”與“接地”等，將在很大程度上避免總線網(wǎng)絡丟站問題。本課題以實際項目中的Profibus網(wǎng)絡丟站問題為背景，通過分析和試驗對網(wǎng)絡丟站因素和機理進行論證研究。最后得出了相應的工程解決方案，使基于總線技術的數(shù)據(jù)集成及處理系統(tǒng)的丟站問題得到了解決，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，使得Profibus在行業(yè)的應用更加游刃有余。

[1] 王永華,Verwer A(英).現(xiàn)場總線技術及應用教程[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2012：59-60.

[2] 宋云召，江豪，王永華.Profibus網(wǎng)絡接地方式及其工程應用研究[J].制造業(yè)自動化，2014，36(1)：78-82.

[3] 李娜，王薇，買波，等.Profibus診斷中繼器及其工程應用中的關鍵技術[J].低壓電器，2012，24(11)：59-62.

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

[5] 崔堅.西門子工業(yè)網(wǎng)絡通信指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005：122-161.

[6] 于慶廣.可編程控制器原理及系統(tǒng)設計[M].北京：清華大學出版社，2004：148-163.

[7] 廣州致遠電子有限公司.Profibus網(wǎng)絡安裝的規(guī)則[J].電子技術應用，2011，37(2):14-15.

[8] 江豪，周波，王永華.基于Profibus的FCS故障診斷方法研究[J].自動化儀表，2013，34(11)：34-38.

[9] 宋云召.FCS接地方式對其通信性能的影響研究及工程應用[D].鄭州：鄭州輕工業(yè)學院，2014.

[10]中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.JB/T 10308.3-2005中華人民共和國機械行業(yè)標準：測量和控制數(shù)字數(shù)據(jù)通信工業(yè)控制系統(tǒng)用現(xiàn)場總線類型3：Profibus規(guī)范[S].北京：機械工業(yè)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

河南省產(chǎn)學研合作基金資助項目(編號: 132107000003)。

喬茜華(1989-)，男，現(xiàn)為鄭州輕工業(yè)學院電氣工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事先進工業(yè)控制網(wǎng)絡技術和應用、FCS網(wǎng)絡故障診斷等方面的研究。

TP29

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201505009

修改稿收到日期：2014-10-22。