江 豪 王永華

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

PROFIBUS總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行分析

江 豪 王永華

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在電磁干擾、電壓波動(dòng)、通信速率不匹配等因素下，容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)丟站、閃斷、通信不穩(wěn)定等故障。為保證總線系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，對PROFIBUS總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)、總線線纜敷設(shè)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備使用等方面進(jìn)行了研究，重點(diǎn)分析了系統(tǒng)接地和電磁干擾對總線系統(tǒng)的影響。分析研究了實(shí)際工程測試數(shù)據(jù)及故障原因，得出幾種確?？偩€穩(wěn)定運(yùn)行的措施。實(shí)際工程應(yīng)用證明，這些措施可供行業(yè)設(shè)計(jì)人員參考借鑒。

總線技術(shù) PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 故障 自診斷 數(shù)據(jù)通信 電磁干擾 通信速率 中繼器 信號(hào)分析

0 引言

得益于科技的快速發(fā)展，近年來,工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展十分迅速。以總線技術(shù)為代表的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息傳遞方式正在各個(gè)行業(yè)得到大力推廣，并被廣泛應(yīng)用。隨著PROFIBUS現(xiàn)場總線在國內(nèi)的推廣應(yīng)用，國內(nèi)圍繞著PROFIBUS 總線研發(fā)的接口設(shè)備或網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品也越來越多。據(jù)PI國際組織統(tǒng)計(jì)，有2 000多個(gè)不同的制造商提供PROFIBUS相關(guān)產(chǎn)品。

隨著PROFIBUS總線的深入應(yīng)用，大規(guī)模、多節(jié)點(diǎn)、多層次的總線網(wǎng)絡(luò)不斷被投入實(shí)際應(yīng)用。部分總線系統(tǒng)經(jīng)過長時(shí)間、不間斷的帶電運(yùn)行，外加網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型較為龐雜，其總線系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況較為突出。為了使總線系統(tǒng)的維護(hù)更加容易和簡便，總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者應(yīng)充分考慮各種因素，有效避免網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)丟失、閃斷、通信不穩(wěn)定、設(shè)備端口損壞等應(yīng)用難題[1]。

1 PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定分析

總線系統(tǒng)和所有的控制系統(tǒng)一樣，無論是控制器的選擇，還是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的搭建，總會(huì)伴隨著由多種不利因素而引起的問題。對于總線系統(tǒng)而言，底層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)常態(tài)化的不穩(wěn)定和瞬時(shí)異常情況都是需要研究和解決的問題，其嚴(yán)重時(shí)將造成總線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換紊亂或者系統(tǒng)癱瘓?？偩€網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定影響因素有很多，下面從幾個(gè)關(guān)鍵因素進(jìn)行分析。

1.1 總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不合理

工業(yè)總線技術(shù)的開發(fā)基于各種數(shù)據(jù)通信技術(shù)，目前，主要基于RS- 422、RS- 485、RS- 232或者工業(yè)以太網(wǎng)等通信介質(zhì)及通信協(xié)議技術(shù)進(jìn)一步開發(fā)而來。每種總線技術(shù)及通信協(xié)議都因眾多因素的影響而有許多的注意事項(xiàng)，其中最為重要的便是總線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用設(shè)計(jì)。總線網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)的數(shù)量、傳輸數(shù)據(jù)量、通信速率、通信介質(zhì)、信號(hào)中繼、抗干擾處理等都是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的因素[2]。

然而在現(xiàn)實(shí)中，并非每個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)者都能全面、詳盡、科學(xué)地考慮各種因素。如未能充分了解現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)情況，將不能精確核算網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)及通信數(shù)據(jù)量、有效處理復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)在安裝調(diào)試時(shí)出現(xiàn)這樣或那樣的不足，并由此造成總線系統(tǒng)不穩(wěn)定，有時(shí)甚至難以修復(fù)和彌補(bǔ)。

1.2 總線網(wǎng)絡(luò)布線不規(guī)則

總線網(wǎng)絡(luò)不僅數(shù)據(jù)傳輸距離較遠(yuǎn)、通信數(shù)據(jù)量大，而且數(shù)據(jù)刷新實(shí)時(shí)性較高，所以總線線纜敷設(shè)施工規(guī)范相對其他電氣線纜布線的要求要更加嚴(yán)格和規(guī)范，總線網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場線纜敷設(shè)也就顯得尤為重要。

PROFIBUS總線通信采用串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，底層為RS- 485通信[3]。在實(shí)際項(xiàng)目中，串行網(wǎng)絡(luò)常敷設(shè)于復(fù)雜的生產(chǎn)區(qū)域，線纜穿越的區(qū)域較為寬廣。為防止各種干擾和意外的發(fā)生，線纜的敷設(shè)需要嚴(yán)格按照安裝規(guī)范。而現(xiàn)實(shí)并非如此，下面列舉幾條常見的不規(guī)則布線行為。

①未采用DP線纜專用的剝制工具，而使用電工工具隨意剝制DP線纜；

②沒有按照動(dòng)力電、干擾信號(hào)及通信信號(hào)之間安裝規(guī)范進(jìn)行布線，線纜走線隨意、雜亂，沒有走專用的屏蔽管網(wǎng)；

③線纜進(jìn)電氣柜沒作任何屏蔽保護(hù)接地措施；

④不安裝網(wǎng)絡(luò)信號(hào)中繼器及終端信號(hào)吸收設(shè)備，或者安裝位置不合理；

⑤非總線專業(yè)安裝人員不規(guī)范的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安裝作業(yè)。

1.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的故障

根據(jù)國際組織的分析統(tǒng)計(jì)，在使用和維護(hù)全球多達(dá)6 000萬節(jié)點(diǎn)的PROFIBUS總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí)，絕大多數(shù)問題出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)的設(shè)備上，而非PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)本身。因此，對于總線控制系統(tǒng)的維護(hù)，首先應(yīng)該定期檢查網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的運(yùn)行狀況。

1.3.1 網(wǎng)絡(luò)線纜及連接器質(zhì)量不合格

PROFIBUS DP總線線纜是由西門子提供的專用DP電纜，外觀為紫色塑料外皮、有網(wǎng)狀屏蔽層、有薄金屬屏蔽層、單股銅絲(一根為紅色、一根為綠色)。需要特別說明的是，標(biāo)準(zhǔn)電纜的A、B銅線截面積、外層塑料包裹物截面積和整個(gè)線纜的截面積都有著嚴(yán)格的尺寸要求；同時(shí)，為了確保RS- 485信號(hào)的穩(wěn)定傳輸，其A、B線的攪合度也有嚴(yán)格的規(guī)定[3]。一旦線纜質(zhì)量不合格或者采用非DP標(biāo)準(zhǔn)電纜，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的底層物理介質(zhì)就沒有任何質(zhì)量保證，數(shù)據(jù)通信質(zhì)量的穩(wěn)定性也就難以保證。

DP網(wǎng)絡(luò)需要專用的連接器，D型接口公頭。連接器有45°、90°、135°和180°這4種出線規(guī)格[3]，同時(shí)有快速壓接及端子連接這2種銅絲接入方式。專用連接器對線纜鎖定及屏蔽層的可靠連接都進(jìn)行了巧妙的處理。

DP線纜、DP連接器及線纜專用剝制設(shè)備需要配套使用。在國內(nèi)，很多項(xiàng)目為了節(jié)約成本，采用質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)線纜及連接器，雖然短時(shí)內(nèi)可以使用，卻為日后總線系統(tǒng)的維護(hù)增加了許多不確定因素，由此帶來的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行不穩(wěn)定情況也日益增多。

1.3.2 從站設(shè)備故障

在總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用中，從站的丟失是最常見的問題，幾乎任何從站接口或者從站內(nèi)部錯(cuò)誤都會(huì)造成該從站和主站的通信中斷，導(dǎo)致從站站點(diǎn)丟失[4]。如果從站不是一個(gè)遠(yuǎn)程I/O，而是智能從站，譬如PLC擴(kuò)展的總線模塊作為PROFIBUS從站，這種較為復(fù)雜的從站系統(tǒng)會(huì)因?yàn)镻LC系統(tǒng)錯(cuò)誤(模塊/通道錯(cuò)誤、程序錯(cuò)誤等)而引起從站站點(diǎn)的丟失[3]。這在項(xiàng)目初期的調(diào)試階段尤為突出。

一般而言，采用較為成熟或者質(zhì)量可靠的硬件設(shè)備，這類故障會(huì)相應(yīng)減少。某些投入使用的總線網(wǎng)絡(luò)、站點(diǎn)丟失故障頻發(fā)，通過分析網(wǎng)絡(luò)中硬件設(shè)備，發(fā)現(xiàn)原因常和下列因素有關(guān)：網(wǎng)關(guān)類產(chǎn)品數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)有缺陷，使設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)死機(jī)情況；產(chǎn)品電磁抗干擾處理不到位，設(shè)備難以抵抗電磁干擾而出現(xiàn)運(yùn)行紊亂；自主研發(fā)的從站設(shè)備未經(jīng)過各種應(yīng)用環(huán)境下的嚴(yán)格測試，投入使用后故障頻發(fā)。

1.3.3 總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備故障

如果網(wǎng)絡(luò)的從站設(shè)備只是短時(shí)故障或者偶爾死機(jī)，在得到及時(shí)維護(hù)處理后，這些問題并不會(huì)嚴(yán)重影響總線系統(tǒng)的整體運(yùn)行，也不會(huì)造成系統(tǒng)停機(jī)。但是，總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(中繼器、終端電阻)故障會(huì)直接造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓，故此類故障要盡量避免[5]。在未選用西門子提供的專用中繼器和終端電阻時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)此類嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)故障。

對于終端電阻而言，未能正確設(shè)置DP連接器的終端開關(guān)、未安裝不間斷供電的專用終端電阻，都會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的不穩(wěn)定，從而引起系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的不穩(wěn)定，甚至?xí)斐删W(wǎng)絡(luò)癱瘓。譬如由于網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)分布區(qū)域大且節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，操作人員在對電控箱清掃或者誤動(dòng)作等情況下會(huì)造成終端電阻配置錯(cuò)誤，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中斷。雖然這種錯(cuò)誤非常容易糾正，但會(huì)對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)造成致命的停機(jī)故障。

1.4 電磁干擾

任何通信網(wǎng)絡(luò)都要做好線纜抗干擾處理，否則就會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。而且，此類故障并沒有太多有效的解決措施。

2 PROFIBUS總線系統(tǒng)可靠運(yùn)行分析

2.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)原則

遵循PROFIBUS總線的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)規(guī)則，對網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)規(guī)模、主站數(shù)量、網(wǎng)段數(shù)、通信速率、數(shù)據(jù)交換量等方面進(jìn)行了合理的配置和設(shè)置，以達(dá)到控制系統(tǒng)所要求的最優(yōu)方案。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)一般參照如下規(guī)則[3,6]：

①在滿足應(yīng)用需求的情況下，盡量選擇較低的通信速率，常用速率為187.5 kbit/s；

②網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡單，站點(diǎn)數(shù)量不要太多，站點(diǎn)地址規(guī)劃要連續(xù)；

③1個(gè)網(wǎng)絡(luò)中使用的中繼器不要超過7個(gè)，且應(yīng)避免使用中繼器而形成的過多分岔網(wǎng)絡(luò)；

④在1個(gè)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)中，站點(diǎn)最好不超過100個(gè)(包括I、II類主站和從站)；

⑤1個(gè)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)可由多個(gè)網(wǎng)段組成，1個(gè)網(wǎng)段站點(diǎn)最好不超過20個(gè)；

⑥合理利用主站的I/O外部地址，科學(xué)規(guī)劃從站數(shù)據(jù)交換長度和數(shù)據(jù)類型。

2.2 總線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

為確保總線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換的穩(wěn)定、減少網(wǎng)絡(luò)線纜敷設(shè)和日后網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)維護(hù)的難度，網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計(jì)要從實(shí)際需求出發(fā)，力爭總線網(wǎng)絡(luò)簡單易用，最好在項(xiàng)目開展初期利用組態(tài)軟件進(jìn)行完整的模擬操作，從而更加科學(xué)合理地進(jìn)行設(shè)計(jì)、規(guī)劃。

2.2.1 通信速率的合理選擇

在總線應(yīng)用領(lǐng)域，高通信速率可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速交換，不僅使數(shù)據(jù)刷新周期縮短，而且信息交互量也相應(yīng)增大。但是通信速率越高、網(wǎng)絡(luò)長度就越短、抗干擾處理措施就更加復(fù)雜，所以總線通信速率的選擇應(yīng)該盡量地低，滿足需求即可。一般而言，187.5 kbit/s較為常用，3 Mbit/s以上的速率極少采用。表1列舉了幾種常用的通信速率和最大網(wǎng)絡(luò)長度之間對應(yīng)關(guān)系[3]。

表1 通信速率與最大網(wǎng)絡(luò)長度對應(yīng)關(guān)系Tab.1 The corresponding relationship between communiication speed and network length

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)中繼器的合理使用

為確保網(wǎng)段之間的通信可靠、增加網(wǎng)絡(luò)的靈活度、擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)長度，合理使用網(wǎng)絡(luò)中繼器可以使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)豐富多變，滿足多樣化的需求。中繼器不僅起到對信號(hào)的加強(qiáng)作用，還可充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)測試節(jié)點(diǎn)；同時(shí)一個(gè)中繼器最多可有4根進(jìn)出線，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。中繼器的詳細(xì)使用請參閱使用手冊，這里僅給出幾個(gè)要點(diǎn)供實(shí)際應(yīng)用參考[6-7]。

①2個(gè)站點(diǎn)間最多允許4個(gè)中繼器，1個(gè)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)一般不超過7個(gè)中繼器；

②使用PA網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要配置Link和Coupler模塊；

③2個(gè)中繼器之間的站點(diǎn)一般不要超過20個(gè)；

④盡可能少地利用中繼器形成分岔網(wǎng)絡(luò)，終端電阻要設(shè)置正確；

⑤中繼器安裝位置合理，供電冗余且接地要良好；

⑥中繼器出線到站點(diǎn)的線纜長度不能小于1 m。

2.3 通信抗干擾處理

2.3.1 供電網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

PROFIBUS總線網(wǎng)絡(luò)有大量的站點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這些設(shè)備在工作時(shí)都需要直流24 V電源。鑒于總線的串行傳輸?shù)奶匦?，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不允許斷電，所以在規(guī)劃和敷設(shè)DP電纜時(shí)，需要考慮多點(diǎn)直流電源的供電問題。為保證供電的可靠性及DP網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的供電必須和車間供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)合并進(jìn)行合理規(guī)劃，在此可參考數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.3.2 干擾源的規(guī)避

基于串行通信的PROFIBUS系統(tǒng)需要做各種抗干擾處理，在此主要介紹了幾種常見干擾源的處理方法[8]。

①平行排列，總線線纜和400 V以下的交直流電纜距離要大于20 cm；

②平行排列，總線線纜和大于400 V的交直流電纜或電話線距離要大于50 cm；

③交叉時(shí)，正交交叉，不可并排或以其他方式交叉；

④DP線纜敷設(shè)需走專用的鍍鋅屏蔽鐵管，鐵管要連接成管網(wǎng)，且多點(diǎn)接地；

⑤電氣柜內(nèi)部要避開動(dòng)力電、變壓器，變頻器，接觸器等強(qiáng)干擾源。

2.3.3 屏蔽層接地處理

PROFIBUS DP電纜的屏蔽層應(yīng)該在電纜的兩端可靠接地，以形成一個(gè)大面積的對地連接，這樣可有效防止外界磁場對線纜中A、B線的電磁干擾。在敷設(shè)總線電纜時(shí)，要確保電纜的網(wǎng)狀或箔狀護(hù)套使用接地板夾和地相連。當(dāng)電纜進(jìn)入電氣柜時(shí)，接地點(diǎn)盡可能地靠近入口處，如圖1所示。

圖1 DP電纜電氣柜入口接地圖

Fig.1 The inlet grounding of DP cable in electric cabinet

3 PROFIBUS系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行

PROFIBUS總線系統(tǒng)的使用手冊詳細(xì)地介紹了各種設(shè)計(jì)及安裝規(guī)范，這些都要求項(xiàng)目具有良好的供電系統(tǒng)、專用的線纜屏蔽管道、理想的接地系統(tǒng)、優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。然而該規(guī)范在國內(nèi)并沒有被很好地執(zhí)行，現(xiàn)場很多實(shí)際應(yīng)用并未按規(guī)范操作，因此很多的現(xiàn)場工況難以按照安裝規(guī)范來進(jìn)行總線網(wǎng)絡(luò)的安裝和敷設(shè)。

下面以實(shí)際工程為例，進(jìn)一步探討如何在不太理想的應(yīng)用環(huán)境下保證PROFIBUS總線系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1 DP總線網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場安裝

總線系統(tǒng)在實(shí)際工程項(xiàng)目中的應(yīng)用千差萬別，有的電纜溝可供布線，有的預(yù)埋屏蔽管網(wǎng)，有的需要架設(shè)橋架。不管采用哪種方法來安裝總線線纜，都需要注意以下幾點(diǎn)。

①PROFIBUS總線線纜必須走獨(dú)立的鍍鋅屏蔽鐵管，而且鐵管連接處要可靠焊接，并實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)可靠接地，本接地點(diǎn)不可和生產(chǎn)用電接地混用。屏蔽管不能與設(shè)備外殼相連，否則很難達(dá)到總線的抗干擾要求。

②采用專用工具進(jìn)行線纜剝制，且配套使用專用DP連接器，DP電纜嚴(yán)格按照連接器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)出線順序連接。在電氣柜內(nèi)布線需要穿金屬軟管，布線位置遠(yuǎn)離變壓器或者變頻器等電磁干擾設(shè)備，金屬軟管要連接設(shè)備機(jī)殼接地。

③網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過DP連接器自動(dòng)連接DP線纜的屏蔽層，要將DP站點(diǎn)設(shè)備的接地線接入總線專用接地系統(tǒng)，切不可和設(shè)備上的普通接地點(diǎn)相連。

④對于沒有良好接地的環(huán)境而言，DP線纜、DP模塊、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等寧可不接地，也不能接入有各種干擾源的接地網(wǎng)中，不然接地非但沒有起到抑制干擾的效果，還會(huì)加入干擾源。

3.2 網(wǎng)絡(luò)通信信號(hào)分析與處理

對于已經(jīng)投入使用或者已經(jīng)完成施工的總線系統(tǒng)，可采用專用工具檢測PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，然后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)質(zhì)量，針對性地進(jìn)行技術(shù)處理，以達(dá)到總線系統(tǒng)抗干擾性能的技術(shù)要求[9]。通過總線通信波形，可快速發(fā)現(xiàn)通信質(zhì)量不佳的站點(diǎn)，避免盲目處理問題。一般可用數(shù)字示波器或者PROFITrace檢測工具捕獲信號(hào)波形，并通過查看通信信號(hào)的波形來直觀地判斷網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的好壞。

3.3 通信線路抗干擾

對于總線系統(tǒng)而言，站點(diǎn)重復(fù)、終端電阻設(shè)置、中繼器連接、數(shù)據(jù)交換地址等問題在經(jīng)過初期調(diào)試和應(yīng)用測試后基本都可達(dá)到預(yù)期的效果。唯獨(dú)通信線路的抗干擾抑制問題往往難以滿足設(shè)計(jì)要求，主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)初期并不能全面悉知總線網(wǎng)絡(luò)電磁環(huán)境，同時(shí)生產(chǎn)設(shè)備在實(shí)際生產(chǎn)中的啟停、變頻器工作、電機(jī)運(yùn)行、強(qiáng)電線路的電流變化等都會(huì)對總線的正常工作帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

在這里，以紡織生產(chǎn)為例，簡要分析車間供電系統(tǒng)、接地系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)情況，并針對這些較為嚴(yán)重的電磁干擾環(huán)境，探討如何做好總線網(wǎng)絡(luò)的抗干擾處理。

一般的供電系統(tǒng)有TN-S和TN-C兩種，TN-S就是三相五線制供電方式，三根動(dòng)力線(L1、L2、L3)、一根中性線(N)、還有一根線徑更粗的接地線，中性線和接地線的獨(dú)立供電可有效保證用電安全。TN-C系統(tǒng)即將中性線和接地線合二為一，是三相四線制供電方式[8]。

大部分紡織企業(yè)生產(chǎn)線采用的是TN-C供電系統(tǒng)，這種供電系統(tǒng)的“地”較TN-S供電系統(tǒng)(中性線和地線分開)的“地”明顯存在噪聲電壓、電流，若將總線網(wǎng)絡(luò)的地直接接到這種不干凈的“地”上，勢必會(huì)引入較大干擾。所以必須采用正確、可行的方法處理總線系統(tǒng)的接地，不然通信線纜屏蔽層不僅起不到抑制干擾的作用，反而會(huì)加重干擾。

電氣控制柜中的變壓器、接觸器、強(qiáng)電供電線纜等都是干擾非常嚴(yán)重的設(shè)備，總線線纜在電氣柜內(nèi)部布線需要避開這些設(shè)備；同時(shí)，由于空間電磁場干擾的存在，應(yīng)避免懸空走線。為此，在實(shí)際的工程中，DP線纜在設(shè)備之間進(jìn)行布線時(shí)，應(yīng)走專用的鍍鋅屏蔽管以抑制干擾，在出線進(jìn)入電氣柜這段線路，一定要利用帶有屏蔽層的防護(hù)設(shè)備對DP線纜進(jìn)行電磁防護(hù)，并根據(jù)實(shí)際設(shè)備的接地狀況，選擇性地進(jìn)行保護(hù)層屏蔽接地。一般而言，DP電纜的屏蔽層不接地，除非專用的通信接地系統(tǒng)非常好。

對于一些已經(jīng)投入應(yīng)用的系統(tǒng)而言，隨著時(shí)間推移，原本設(shè)計(jì)和安裝的接地系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生性能下降、接地線路老化的問題，總線系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)丟站和站點(diǎn)閃斷的情況。這種情況下，一般需要將接地系統(tǒng)重新規(guī)整一遍，更換老化的線路并重新進(jìn)行可靠接地。

3.4 主站系統(tǒng)自診斷

在深入應(yīng)用PROFIBUS總線系統(tǒng)后，最常出現(xiàn)的問題是從站丟失或者從站閃斷。譬如用于控制電機(jī)的智能從站或者變頻器從站出現(xiàn)閃斷，造成電機(jī)短時(shí)停機(jī)而后又自動(dòng)恢復(fù)，以及部分從站不明原因的丟站。主站診斷中繼器診斷報(bào)文的簡要解析方式如表2所示。

表2 診斷中繼器診斷報(bào)文解析方式Tab.2 The analysis of diagnostic messages of the diagnostic repeater

這些問題由于閃斷或者短時(shí)丟站，很難事后分析丟站的原因，給系統(tǒng)維護(hù)帶來了極大的困難。采用主站的自診斷功能塊，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)記錄故障發(fā)生的時(shí)間及故障診斷報(bào)文。有了這些詳細(xì)故障記錄，就可深入地分析故障發(fā)生時(shí)的各種網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，為總線維護(hù)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。譬如，可通過主站系統(tǒng)記錄的站點(diǎn)丟站次數(shù)和丟站時(shí)間，判斷網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定情況；通過丟站時(shí)間節(jié)點(diǎn)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的對比，判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的變化和對總線的干擾程度[3,10]。

3.5 杜絕人為因素

PROFIBUS總線系統(tǒng)在應(yīng)用階段，由于電氣維護(hù)人員的行業(yè)特點(diǎn)，致使部分電氣人員對總線系統(tǒng)了解甚少。對于設(shè)備檢修、電氣柜清掃等將DP連接器終端電阻設(shè)置弄錯(cuò)或者設(shè)備損壞等造成的DP網(wǎng)絡(luò)中斷，在實(shí)際施工中可采用物理手段將設(shè)置開關(guān)封死以免誤動(dòng)作；同時(shí)，必須對網(wǎng)絡(luò)供電設(shè)備或者斷路器進(jìn)行明顯標(biāo)示。

4 結(jié)束語

PROFIBUS總線的安裝及設(shè)計(jì)有標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范要求，然而工業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)場的問題層出不窮，必備的要素往往不能滿足于設(shè)計(jì)需求。很多的總線設(shè)計(jì)及安裝要針對不同的情況作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整及處理，例如采用額外添加等電勢線、選用可靠的接地點(diǎn)、采用光隔的DP設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)線路優(yōu)化布局、不穩(wěn)定從站的位置更改、信號(hào)介質(zhì)更換等措施，以保證總線系統(tǒng)的長期、穩(wěn)定運(yùn)行[8]。本文提到的各種措施及方法均是實(shí)際工程中摸索和探討的結(jié)果，具有一定的借鑒意義。

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Analysis of the Stable Operation for PROFIBUS Network System

Faults of losing network station,flash-off,and unstable communication may appear in fieldbus network system under electromagnetic interference,voltage fluctuation,and communication speed mismatch,etc.In order to guarantee stable operation of the bus system,the design,cabling,and application of the network equipment,etc.,of the PROFIBUS system are researched; and the influences of the grounding system and electromagnetic interference in the bus system are analyzed emphatically.The actual engineering test data and the causes of the faults are analyzed,thus several measures for stable operation are obtained.Through practical engineering application,it is proved that these measures can be used as reference for professional designers.

Bus technique PROFIBUS Network system Fault Self-diagnosis Data communication Electromagnetic interference Communication speed Repeater Signal analysis

河南省產(chǎn)學(xué)研基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：132107000003)。

江豪(1980—)，男，2006年畢業(yè)于河南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程及其自動(dòng)化專業(yè)，獲碩士學(xué)位，副教授；主要從事工業(yè)自動(dòng)化、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、 PROFIBUS總線應(yīng)用系統(tǒng)等方向的研究。

TH-3;TP29

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201612005

修改稿收到日期：2015-03-09。