淺談Profibus—DP總線在工廠通訊網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

劉朝華

摘 要：現(xiàn)場總線是一種有效支持分布式控制和實時控制的通訊網(wǎng)絡(luò).本文在介紹Profibus-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)硬件和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合電氣通訊網(wǎng)絡(luò)的實例簡要介紹了Profibus-DP總線在工廠通訊網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

關(guān)鍵詞：智能模塊；網(wǎng)絡(luò)；Profibus-DP；總線；中繼器；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；終端電阻

1 前言

現(xiàn)場總線技術(shù)是近年來迅速發(fā)展起來的工業(yè)數(shù)據(jù)總線，已經(jīng)成為當(dāng)今工業(yè)自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點。它主要用于解決工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備諸如智能化儀器儀表、控制器、檢測元件、動作執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備之間的數(shù)字通信以及現(xiàn)場設(shè)備與高級控制系統(tǒng)之間信息和數(shù)據(jù)傳遞等問題。由于它構(gòu)建了全數(shù)字式、全分散的控制系統(tǒng)，引起傳統(tǒng)控制系統(tǒng)發(fā)生了顛覆性變革，目前所推出的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)有PROFIBUS、CAN、FF、HART等。

2 PROFIBUS現(xiàn)場總線的特點

PROFIBUS 是Process Tield Bus 的縮寫，一種國際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)應(yīng)用特點它可分為PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA，PROFIBUS-DP三種基本通訊協(xié)議版本。支持主-從站系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)。該總線物理結(jié)構(gòu)采用RS-485傳輸方式，傳輸速率可由9.6Kbps至12Mbps。能實現(xiàn)設(shè)備層到車間級監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，從而為工廠綜合自動化和現(xiàn)場設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。在工業(yè)自動化領(lǐng)域中，PROFIBUS 在現(xiàn)場總線技術(shù)領(lǐng)域一直是國際市場上的領(lǐng)導(dǎo)者，目前大部分的PROFIBUS應(yīng)用是基于PROFIBUS-DP協(xié)議。

3 PROFIBUS現(xiàn)場總線的硬件

PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)主要涉及到的硬件包括：PROFIBUS總線接口，通訊介質(zhì)，PROFIBUS插頭，中繼器，OLM以及終端電阻等。

3.1 PROFIBUS接口

PROFIBUS接口物理上是RS485串口，一般采用SUB-D 型的接口。一般CPU或者通訊板卡都采用該接口，分公接頭和母接頭，大部分都采用母接頭，與網(wǎng)絡(luò)上的總線連接器（公頭）配套使用。該接口外部的金屬屏蔽部分一般連接到CPU或者CP的內(nèi)部的“PE”。而當(dāng)CPU安裝在底板上時，其“PE”與底板是連通的。接地必須良好，否則容易導(dǎo)致通訊干擾，發(fā)生通訊故障。

3.2 通訊介質(zhì)

PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)支持RS485的電纜和光纖兩種通訊介質(zhì)。西門子的PROFIBUS通訊電纜是一根屏蔽雙絞線，屏蔽可以提高電磁兼容（EMC）能力。標(biāo)準(zhǔn)的西門子PROFIBUS電纜一般都是A類電纜，其中數(shù)據(jù)線有兩根：A為綠色和B為紅色，分別連接DP接口的管腳3（B）和8（A），電纜外包裹著編織網(wǎng)和鋁箔兩層屏蔽。除了電纜，PROFIBUS通訊還支持光纖做為傳輸介質(zhì)，在遠(yuǎn)程通訊中我們一般使用光纖作為傳輸介質(zhì)。

3.3 PROFIBUS總線連接器

PROFIBUS總線連接器我們習(xí)慣稱為DP頭，用于連接PROFIBUS電纜和PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的站點。在PROFIBUS連接器上，有一個進線孔（In）和一個出線孔（Out），分別連接至前一個站和后一個站。當(dāng)各站點通過插頭連接以及網(wǎng)線連接到網(wǎng)絡(luò)上時，根據(jù)RS485串口通訊的規(guī)范，在物理網(wǎng)段終端的站點應(yīng)該設(shè)置終端電阻消除在通信電纜中的信號反射。而每個PROFIBUS插頭上，都內(nèi)置了終端電阻（220歐姆），需要是可以接入（On）和切除（Off）。當(dāng)終端電阻設(shè)置為“On”時，表示一個物理網(wǎng)段的終結(jié)，因此連接在出線端口“Out”后面的網(wǎng)段的信號也將被中斷。因此，在每個物理網(wǎng)段兩個終端站點上都將終端電阻開關(guān)撥至“On”。

3.4 RS485中繼器

按照RS485串口通訊的規(guī)范， 如果當(dāng)一個網(wǎng)絡(luò)中實際連接的通信硬件超過32個站時，或者所對應(yīng)的波特率超過一定的通信距離時，則需要增加相應(yīng)的RS485中繼器來進行物理網(wǎng)段的擴展。目前西門子的通訊規(guī)程上可以將中繼器的個數(shù)最多增加到9個，即在一條物理網(wǎng)線上，最多可以串聯(lián)9個西門子的RS485中繼器，這樣，網(wǎng)段的擴展距離將大大增加。中繼器除了具有信號放大、擴展網(wǎng)絡(luò)的作用，還可以將不同的兩個物理網(wǎng)段進行電氣隔離，從而避免兩個網(wǎng)段之間的EMC干擾。西門子中繼器上有網(wǎng)段開關(guān)，只有正確設(shè)置開關(guān)的狀態(tài)才能達(dá)到所需要的功能（放大信號、隔離還是擴展網(wǎng)段）。

4 工程系統(tǒng)實例分析

隨著智能MCC在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中應(yīng)用推廣，其優(yōu)越的性能特點逐漸被用戶熱捧，并主導(dǎo)自動化控制技術(shù)的潮流。下面是電氣智能MCC系統(tǒng)基于PROFIBUS-DP總線在湖南駿泰漿廠其中一個車間的通訊實例。

該車間擁有電機400臺，總功率11550KW，電機控制復(fù)雜，這些都對電機控制提出了很高的要求。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖：系統(tǒng)中的每臺電機設(shè)備通過集成PROFIBUS-DP通信接口的智能模塊（西門子simocode、變頻器等）通過總線網(wǎng)絡(luò)與ABB公司的DCS系統(tǒng)主站進行主從通訊。

圖1湖南駿泰漿紙有限公司懷化年產(chǎn)40噸漂白硫酸鹽木漿項目MCC監(jiān)控系統(tǒng)圖

在上面的工程應(yīng)用當(dāng)中，電氣柜內(nèi)智能模塊通過PROFIBUS電纜將從站組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可為樹形或者鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，終端2處將DP頭撥至ON，或者連接有源終端電阻。單條網(wǎng)絡(luò)中從站數(shù)量超過32個后（圖1，要通過RS485中繼器合理分配網(wǎng)段。通訊電纜的長度受網(wǎng)絡(luò)中設(shè)定的波特率有關(guān)，波特率越高，允許的通訊網(wǎng)段距離越短，因而如果現(xiàn)場遇到PROFIBUS的通訊有通訊不上或者通訊不穩(wěn)定的情況，也可以考慮先將波特率降低處理。駿泰公司的Profibus通訊速率一般采用1.5MBPS和500KBPS兩種波特率，此時在通訊最大距離分別不能超過200米和400米，否則就得增加中繼器（REPEATER）進行擴展。MCC拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)通過光電轉(zhuǎn)換模塊，經(jīng)過光纖傳輸與DCS系統(tǒng)通訊。

5 結(jié)語

現(xiàn)場總線技術(shù)是一項集控制、計算機、數(shù)字通信等技術(shù)為一體的綜合技術(shù)，受到全世界工程技術(shù)人員的關(guān)注，成為自動化技術(shù)發(fā)展的熱點。然而，由于總線通信技術(shù)的隱蔽性，節(jié)點多，在一旦發(fā)生故障尤其是一些軟故障的情況下將極難排除，因此，設(shè)計的合理性顯得尤其重要。 引起通信故障的原因很多，有接口插件接觸不良、屏蔽接地系統(tǒng)不規(guī)范、電磁信號干擾等等。

通訊網(wǎng)絡(luò)通信電平信號質(zhì)量的好壞還可以用PROFIBUS TESTER 3工具測試，軟件中綠色信號表示信號強度都在正常值以上，表示單個從站通訊質(zhì)量優(yōu)良；黃色表示信號弱，網(wǎng)絡(luò)干擾大。

總之，PROFIBUS總線的應(yīng)用場合非常多，應(yīng)用環(huán)境也各不相同，但只要嚴(yán)格按照PROFIBUS的規(guī)范進行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞脑O(shè)計、遵守布線規(guī)則、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(luò)使用中出現(xiàn)的各種問題。因此，只有我們在維護工作中嚴(yán)格參照西門子PROFIBUS的安裝和使用手冊來正確的應(yīng)用PROFIBUS現(xiàn)場總線，才能保證PROFIBUS總線網(wǎng)絡(luò)和整個自動化項目的正常運行。

參考文獻：

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