PROFIBUS在工業(yè)應(yīng)用中的抗干擾設(shè)計

范敏

【摘 要】本文介紹了PROFIBUS在工業(yè)中的應(yīng)用，并從PROFIBUS的基本特點、傳輸協(xié)議、硬件結(jié)構(gòu)三個方面闡述了PROFIBUS，著重講述了PROFIBUS信號線抗干擾設(shè)計所采用的常規(guī)措施。

【關(guān)鍵詞】PROFIBUS;抗干擾;現(xiàn)場總線

中圖分類號： TM571 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）03-0108-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.03.044

Anti-interference design of PROFIBUS in industrial applications

FAN Min

（School of Physics and Telecommunication Engineering， Yulin Normal University， Yulin Guangxi 537000， China）

【Abstract】This article introduces the application of Profibus in industry. It explaines the basic characteristics of the Profibus、transmission protocol and hardware architecture. The paper introduces the measure which is adopted in the anti-jamming of Profibus.

【Key words】Profibus; Anti-interference; Fieldbus

0 引言

現(xiàn)場總線自從上世界70年代誕生以來，由于和傳統(tǒng)接線方式相比具有很多優(yōu)點，比如減少了數(shù)據(jù)傳輸信號線的數(shù)量，從而大大降低了鋪設(shè)電纜的成本，增強了系統(tǒng)性能并降低了維護成本，因此得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。PROFIBUS作為目前常用的一種現(xiàn)場總線，在遠程I/O領(lǐng)域、工業(yè)自動化儀表領(lǐng)域越來越廣泛。據(jù)統(tǒng)計，目前生產(chǎn)PROFIBUS 相關(guān)產(chǎn)品的制造商已經(jīng)有2200多個。

PROFIBUS的特點總結(jié)如下：

（1）開放性好，支持PROFIBUS的廠商多;

（2）信號傳輸速度快，可達到12MB/S;

（3）節(jié)省現(xiàn)場電纜數(shù)量以及鋪設(shè)電纜時間。

由于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，使用的信號線較少，因此大大減少了系統(tǒng)維護的工作量[1]。

現(xiàn)場總線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡化，大大的減少了設(shè)備與通訊接線，加強了現(xiàn)場儀器和設(shè)備的功能，減少了信號傳輸，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。由于PROFIBUS的開放性非常好，用戶可以根據(jù)需要采用不同廠家的設(shè)備組成系統(tǒng)。并且不需要考慮系統(tǒng)與設(shè)備的兼容性，這樣使用戶具有了系統(tǒng)集成的主動權(quán)。

1 PROFIBUS介紹及在工業(yè)中的應(yīng)用

PROFIBUS已成為德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170。PROFIBUS為不同的應(yīng)用引入了四種類型PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PRO

FINET，圖1為PROFIBUS結(jié)構(gòu)圖[2]。

目前國內(nèi)部分化工、水泥等工廠采用ABB Symphony Plus現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，它的現(xiàn)場總線協(xié)議為兩種，分別是PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA。

1.1 PROFIBUS-DP的應(yīng)用

PROFIBUS-DP（Decentrilized Periphery）主要用于實現(xiàn)現(xiàn)場級控制系統(tǒng)與分布式I/O和其他現(xiàn)場設(shè)備之間的通信，數(shù)據(jù)傳輸快速穩(wěn)定?？刂浦髡九c分散在工廠的設(shè)備（如遠程I/O、電動閥門等）通過專用的DP電纜進行通訊，并管理和控制整個DP網(wǎng)絡(luò)。傳輸?shù)乃俾士蛇_12Mbps，雙絞線和光纖用作傳輸介質(zhì)，并且拓撲結(jié)構(gòu)具有星形、樹形、總線類型、菊花類、環(huán)形等[3]。DP的基本版本是DP-V0，擴展版本是DP-V1和DP-V2。DP的基本版本和擴展版本的功能均能用于PA。

1.2 PROFIBUS-PA的應(yīng)用

PROFIBUS-PA（Process Automation）的設(shè)計主要是針對過程控制的特殊要求。它使用同一根電纜進行信號傳輸和供電，并可用于對本質(zhì)安全有要求或一般過程控制的情況下。

在PROFIBUS現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，DP/PA耦合器是一個PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA之間的物理轉(zhuǎn)換器，可將PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為PROFIBUS-PA網(wǎng)絡(luò)。DP和PA之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換必須通過耦合器。部分國內(nèi)工廠采用倍加福公司的產(chǎn)品，需要配置耦合器并占用網(wǎng)絡(luò)中的總線地址。耦合器是冗余的，可以根據(jù)需要將冗余DP網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為4路PA網(wǎng)絡(luò)。這四條信號線用于連接現(xiàn)場儀表，有1到4個分支。為了提高通訊穩(wěn)定性，接線盒大多帶有過載保護和短路保護。

2 儀表的抗干擾設(shè)計

2.1 通訊電纜的選擇

PROFIBUS信號間的傳輸必須采用專用的通訊電纜，專用的通訊電纜特性阻抗的大小為150歐，與PB頭的終端電阻設(shè)置為“ON”時的終端電阻值相同。如果使用普通的通訊電纜，它的特性阻抗達不到要求，很可能造成通訊信號不穩(wěn)定。標準PROFIBUS通訊電纜是雙絞線，這樣可以有效的抑制信號傳輸時信號線自身產(chǎn)生的干擾。

2.2 屏蔽接地設(shè)計

PROFIBUS-DP使用多點接地，PROFIBUS-PA使用單點接地。良好的接地可以屏蔽大量的干擾信號。光纖電纜通常用作建筑物外的PROFIBUS連接，因為光纖電纜不受電磁干擾[4]。且光纖電纜提供電隔離，可以忽略等電勢體連接。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要將接地線連接到專用總線接地系統(tǒng)，不得連接到普通接地點，并且PROFIBUS的接地點與生產(chǎn)用電的接地點不可以混用。如果設(shè)備沒有良好的總線接地系統(tǒng)，則總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備寧可不接地，也絕不能接到含有干擾源的接地網(wǎng)，否則不僅沒有有效的降低干擾，還會加入干擾。

2.3 干擾源的規(guī)避

減少變頻器等比較大功率的設(shè)備對通信的影響，除了干擾電源外，變頻器等設(shè)備還會通過空間輻射干擾影響設(shè)備的正常運行，以及設(shè)備間進行PROFIBUS通信的能力。隨著變頻器等設(shè)備也通過PROFIBUS進行通訊，這些設(shè)備產(chǎn)生的干擾也有可能直接進入通訊系統(tǒng)，因而應(yīng)該對變頻器進行EMC的處理。

在安裝變頻器的時候，在點柜內(nèi)，使用鍍鋅基板作為安裝背板來改善EMC特性。變頻器的輸出線應(yīng)該由對應(yīng)的EMC進行處理，例如，通信電纜采用屏蔽電纜接地，動力電纜采用屏蔽電纜接地或者采用鐵氧體磁環(huán)進行濾波處理等。

2.4 總線網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場安裝

通訊電纜在安裝的過程中，不能形成環(huán)狀。根據(jù)“右手定則”，如果電纜布置形成環(huán)狀，當環(huán)中間有磁力線穿過時，此時容易有干擾信號產(chǎn)生。通訊電纜在布置的過程中最好貼近大面積的金屬板。電壓高、電流大的電纜容易產(chǎn)生強磁場，布置時與電壓小和電流小的電纜應(yīng)該盡量遠離。PROFIBUS冗余電纜盡可能在不同的電纜橋架走線，使用獨立的鍍鋅屏蔽鐵管，避免因同樣原因?qū)⑷哂嚯娎|都損壞。屏蔽管與設(shè)備外殼不可以連接到一起，否則不能滿足抗干擾的要求。

在機柜入口將所有電纜的屏蔽層接地。連接面積應(yīng)足夠大，不同廠家都有特制的接地夾來增大接觸面積。為了保護電纜不受機械力損壞，電纜在接地夾的上下端都需要固定[5]。

在電纜屏蔽層接地之前，盡量避免任何電纜即使是同種類型電纜與PROFIBUS電纜隔離段平行走線（特別是電話線、高頻電源等）。當電纜無法避免交叉時，電纜間的夾角須為直角。

2.5 杜絕人為因素

由于電氣維護人員的工作性質(zhì)，導(dǎo)致大多數(shù)一線維護人員不了解總線工作系統(tǒng)。在設(shè)備檢修的過程中，未在合適的DP網(wǎng)絡(luò)設(shè)置終端電阻，或者設(shè)備損壞，造成DP網(wǎng)絡(luò)通訊中斷。在DP網(wǎng)絡(luò)安裝的過程中，可以將終端電阻設(shè)置開關(guān)做防護處理，同時，對每個網(wǎng)絡(luò)供電和信號設(shè)備做明顯標示。

3 結(jié)語

現(xiàn)場總線在工廠的引入促進了工廠向數(shù)字化、自動化方向發(fā)展，然而，在實際使用的過程中，出現(xiàn)了不少問題。因此，在應(yīng)用現(xiàn)場總線的同時，也要做好現(xiàn)場總線的抗干擾設(shè)計。本文中的抗干擾設(shè)計方法是實際工程中摸索得到的結(jié)果， 具有一定的參考意義。

【參考文獻】

[1]王順菊.淺談Profibus 總線電纜的安裝規(guī)范[J].鍛壓技術(shù)與制造裝備，2011.

[2]Jonas Berge. FieldBuses for Process Control Engineering， Operation， and Maintenance[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[3]Siemens AG. SIMENIC SIM1 UserDescriPtion， May， 5sth. 2014.

[4]徐秀杰，張永德.現(xiàn)場總線PROFIBUS-PA技術(shù)研究及產(chǎn)品開發(fā)[J].儀表標準化計量.2013，5：20-25.

[5]SIEMENS.SIMENIC DPC31 User Description（Siemens PROFIBUS Controller）Version0.2. June 2014.

[6]繆彬彬，鄧銳.PROFIBUS-DP總線型稱重儀表抗干擾能力的研究[J].中國儀器儀表，2011.