PROFIBUS DP現(xiàn)場總線系統(tǒng)穩(wěn)定性淺析

吳曉彤

(寧波中華紙業(yè)有限公司,浙江寧波,315000)

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PROFIBUS DP現(xiàn)場總線系統(tǒng)穩(wěn)定性淺析

吳曉彤

(寧波中華紙業(yè)有限公司,浙江寧波,315000)

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)場總線的穩(wěn)定性進(jìn)行了討論。

PROFIBUS；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；穩(wěn)定性

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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一直是國際市場現(xiàn)場總線技術(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)場目前使用的就是PROFIBUS DP現(xiàn)場總線通信控制系統(tǒng)。這套PROFIBUS DP現(xiàn)場總線通信控制系統(tǒng)自開機(jī)啟用以來,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)場總線系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵還是要規(guī)范現(xiàn)場安裝。本文就寧波中華紙業(yè)有限公司通過規(guī)范現(xiàn)場安裝來提高PROFIBUS現(xiàn)場總線系統(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PROFIBUS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。

表1 不同傳輸速度時(shí)的電纜長度

(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)一般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)段中分支電纜總長度6.6 m,見表2。

表2 比特率與分支電纜的長度對(duì)應(yīng)表

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PROFIBUS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)場無法分線槽布線,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)力電纜避免長距離平行布線。

(4)通信電纜過長時(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)做等電勢連接。PROFIBUS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”的。如果兩個(gè)站點(diǎn)的“地”之間不等電勢,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)行等電勢的綁定。當(dāng)然,這里不是要求所有的現(xiàn)場都需要增加額外的等勢線而增加成本,只是建議在出現(xiàn)接地點(diǎn)電勢不相等的情況時(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,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)場的連接中,如果將屏蔽層剝開過長,則通信電纜會(huì)有很長一段沒有被屏蔽層“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)場總線,但不時(shí)還會(huì)發(fā)生一些故障。因此需要定期對(duì)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢測,及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種隱患。

PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)故障檢測一般分為靜態(tài)檢測和動(dòng)態(tài)檢測兩種方式。

4.1 靜態(tài)檢測

靜態(tài)檢測是對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在物理連接質(zhì)量方面進(jìn)行檢測，主要是檢測通信回路是否短路、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)備斷電的情況用萬用表測總線回路阻值,正常阻值在110 Ω左右,若測出阻值偏差很大，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

動(dòng)態(tài)檢測是對(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。可用西門子提供的專用檢測設(shè)備對(duì)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)通信波形進(jìn)行檢測,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

通過近幾年的故障分析處理發(fā)現(xiàn),造成PROFIBUS通信故障的原因,大部分最終都很簡單,如：現(xiàn)場接地不好,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PROFIBUS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。

[1] Wu Yong-sheng, Fang Ke-ren. Energetics Industry Measure and Instrument[M]. Beijing: Water & Power Press,1995.

吳永生, 方可人. 熱工測量及儀表[M]. 北京: 水利電力出版社, 1995.

[2] Wang Shao-chun. Automation Detection Technology[M]. Second Edition. Beijing: Metallurgy Industry,1995.

王紹純. 自動(dòng)檢測技術(shù)[M]. 2版. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1995.

[3] ZHOU Hai-jun, LIU Yu-juan, CUI Jian. Security Analysis of DCS Network in Pulp & Paper Mills[J]. China Pulp & Paper, 2012, 31(10): 35.

周海君, 劉玉娟, 崔 健. 造紙廠DCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全分析[J]. 中國造紙, 2012, 31(10): 35.

[4] GAO Zhi-fu, ZHANG Feng, ZHOU Xin. Integrated Information Platform Technology of Automatic Control System in the Paper Industry[J]. China Pulp & Paper, 2014, 33(8): 43.

(責(zé)任編輯：馬 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

吳曉彤先生,工程師；主要從事儀表自動(dòng)化管理工作。

2015-11-17(修改稿)

TS736

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