Profibus在遠距離及高次諧波干擾情況下的設計應用

王文斌王瑾

（北方重工集團有限公司，沈陽 110141）

引言

近年來，隨著生產車間自動化和過程自動化中分散化結構的迅速增長，現場總線系統的應用日益普遍，現場總線系統標準化的現場總線具有"開放"的通信接口，允許用戶選用不同制造商生產的分散裝置和現場設備，為重型機械產品中特別是新產品的集散控制系統的研制、設計、調試提供了極大的方便。

Profibus總線技術是德國西門子公司推出的開放型現場總線，可將西門子公司的產品與其它廠商的產品相連接，還可形成高速與遠距離的應用組態 ，使其能夠適應網絡的多樣性。我公司為國外配套生產的人造版生產線由于設備多而分散，并且分布距離遠；同時生產線又有多臺變頻器運行，存在高次諧波的干擾。通過現場的規范施工和硬件的組態配置，不僅解決了安裝布線等施工成本問題，也解決了在極端環境下不同設備廠商的設備集成、遠距離通訊和高次諧波干擾問題。

1.人造板生產線的基本設備組成

按照人造板生產線的工藝流程可把設備分成以下幾個工段：備料工段；熱磨工段；調制膠工段；干燥工段；鋪裝預壓工段；熱壓成型工段；砂光工段。設備的工藝性能要求對經熱磨施膠后的纖維物料進行遠距離干燥輸送，設備的最遠距離近300米，整個生產線有100多臺電機分散布置。由設備的工藝性能決定了采用Profibus現場總線是非常理想的控制方式。

2.人造板生產線電氣控制系統設計

2.1 控制系統設計的指導思想

由于現場施工情況復雜，很有可能導致項目的現場總線通訊上存在著一些隱患，如果不能及時發現和處理，將有可能導致系統出現通訊故障，從而影響整個系統的正常運行。鑒于此，為充分體現全集成自動化的現代控制技術，提高整個系統的抗干擾能力，使設備在滿足生產線工藝的情況下，安全可靠的運行，是我們進行控制系統設計的指導思想。

2.2 控制系統的網絡構建

按照人造板生產線設備的分布、生產工藝的要求，充分利用現場總線分布式控制的特性，電控系統以西門子S7-300 PLC為核心；考慮到人造板生產線粉塵較多以及高溫濕熱的施工環境，現場的分布式從站，選用了圖爾克的FLDP模塊，其防護等級達到IP67；系統中還配有多臺西門子變頻器，用來實現了人造板生產線工藝上的調速要求，變頻器選用了Profibus CBP2通訊板，以方便集中進行變頻裝置的速度設定；這樣用西門子公司的S7-300、ET200M、變頻器與圖爾克的FLDP一起構成了分布式的Profibus現場總線控制系統。

2.3 系統的硬件選型和組態

人造板生產線采用西門子PLC系統的主要模塊如下：

電源模塊：6ES7 307-1EA01-0AA0

CPU模塊：6ES7 315-2AF03-0AB0

開入模塊：6ES7 321-1BH01-0AA0

開出模塊：6ES7 322-1BH01-0AA0

模入模塊：6ES7 331-7KF02-0AB0

模出模塊：6ES7 332-5HD01-0AB0

接口電纜：6ES7 368-3BB01-0AA0

導軌：6ES7 390-1AF30-0AA0

RS485中繼器：6ES7 972-0AA01-0XA0

人造板生產線采用圖爾克PLC系統的主要模塊如下：

開入模塊：FLDP-IM16-0001

開出模塊：FLDP-OM16-0001

電源接插件：B4151-0/13.5

BS41151-0/13.5

總線接插件：BMWS8151-0/9

BMSWS8151-0/9

輸入接插件：FSM4-1/1/S90

輸出接插件：FSM5-1/1/S90

BS8141-0

BS8151-0

終端電阻：RSS4.5-PDP-TR

由于生產線設備較多，分布距離較遠，根據現場設備的工藝分布，選用了兩套S7-300，按照設備的工藝分布，鋪裝預壓及以前各設備用一套S7-300，熱壓成型及以后各設備用一套S7-300，兩套S7-300的硬件組態分別如圖1和圖2所示。

圖1 鋪裝預壓區系統的硬件組態

2.4 電控設備的組成

全線提供的電控設備包括：電控柜 18個；控制臺5個；控制箱15個；分線盒19個，整個生產線裝機容量約為1345kW。人造板生長線鋪裝預壓區和熱壓成型區供電單線圖分別如圖3和圖4所示。

圖2 熱壓成型區系統的硬件組態

圖3 鋪裝預壓區供電單線圖

圖4 熱壓成型區供電單線圖

3.控制系統初調時出現的問題

3.1 站點之間距離過遠引起的問題

鋪裝預壓部分的PLC按照圖1組態并下載到PLC以后，S7-300的CPU上的BUSF燈報總線故障，通過STEP7軟件在線診斷，距離較遠的從站顯示沒有連接。把現場總線的波特率調整到19.2kbps之下時，遠距離從站時有時無，通訊不穩定。

3.2 多臺變頻器啟動后引起的問題

在鋪裝預壓部分總共有五臺西門子變頻器，通過CBP2通訊板連接到現場總線。初期調試期間，當啟動一臺變頻器時，Profibus總線通訊正常；當啟動2臺或2臺以上變頻器時，S7-300的CPU上的BUSF燈報總線故障。通過STEP7軟件在線診斷，有一個從站丟失，顯示無連接；當停掉所有變頻器后，丟失的從站通訊又恢復正常。

4.故障的產生原因及解決措施

4.1 站點遠距離通訊問題的解決措施

Profibus網絡通訊的本質是RS485串口通訊，按照RS485串口通訊的規范，當網絡中的硬件設備超過32個，或者波特率對應的網絡通訊距離已經超出規定范圍時，就應該使用RS485中繼器來拓展網絡連接。19.2kbps以下的現場總線的通訊波特率較低，并且通訊不穩定，不能滿足系統的工藝要求，為此在距離較遠的兩個站點之間加入RS485中繼器進行信號放大，并用作為網絡終端站點，兩個網段的終端電阻都應設置為"On"，如圖5所示。

圖5 中繼器做為網絡終端站點

加入RS485中繼器進行信號放大后，現場總線的波特率為500kbps，總線通訊正常，完全滿足工藝要求。

4.2 變頻器高次諧波干擾的解決措施

通過停止變頻器后，丟失的從站又恢復連接，現場總線通訊也恢復正常這一現象判斷，是變頻器的干擾引起現場總線的通訊故障。變頻器主要由整流電路，逆變電路，控制電路組成，其中整流電路和逆變電路由電力電子器件組成，電力電子器件具有非線性特性，當變頻器運行時，它要進行快速開關動作，因而產生高次諧波，這樣變頻器輸出波形除基波外還含有大量高次諧波，高次諧波是變頻器產生干擾的主要原因。

接地往往是抑制噪聲和防止干擾的重要手段,良好的接地方式可在很大程度上抑制內部噪聲的耦合,防止外部干擾的侵入,提高系統的抗干擾能力。接地的作用總的來說有兩個：保護人員和設備不受損害叫保護接地；保障設備的正常運行的叫工作接地。為此，針對設備的安裝施工采取如下措施：（1）設備現場有兩個"地"，一個是保護接地，所有動力設備都要保護接地；另一個是屏蔽接地（工作接地），現場總線的屏蔽層接到屏蔽接地。（2）現場總線穿金屬管，當管線太長時，金屬管應多點接地。（3）屏蔽層接地點盡量遠離變頻器，并與變頻器接地點分開。（4）通訊電纜在線槽內與動力電纜平行走線。在采取上述措施后，所有變頻器即使同時啟動，現場總線通訊依然正常，變頻器的高次諧波干擾問題得到解決。

5.結論

只要嚴格按照Profibus的規范進行網絡拓撲的設計、遵守布線規則、處理好系統的"地"與"接地"等，將在很大程度上避免總線網絡使用中出現的各種問題。

[1]西門子有限公司.Profibus現場總線安裝指導.2010,(08).

[2]西門子有限公司.工業通訊產品目錄IK PI.2011.

[3]GB/T5226.1-1996標準.