PROFIBUS-DP現場總線技術的網絡優化

畢延軍，楊國新，宮林祥

1 前言

PROFIBUS是Process Field Bus的簡稱，是按ISO/OSI參考模型制訂的現場總線標準[1]。目前該協議已應用的領域包括加工制造、過程控制和樓宇自動化等。中鋁山東第二氧化鋁廠在應用PROFIBUSDP現場總線通信協議中，由于安裝布線不規范，加上現場維護手段不到位等情況，隨著運行年限的增加，頻繁出現ProfiBus總線設備掉線、閃斷等故障，導致東區過濾工段控制網絡故障停車事故。對PROFIBUS-DP總線網絡進行優化，以達到減少總線網絡故障、降低宕機時間、精簡系統維護成本的目的。

2 現場檢測

使用PROFIBUS通信診斷工具ProfiTrace對山東第二氧化鋁廠東區過濾工段的PROFIBUS-DP網絡進行詳細檢測。DP總線網絡直線拓撲結構通信前、中、后取3個接入點，監測優化前差分信號波形見圖1；DP總線網絡直線拓撲結構通信前、中、后取3個接入點，第一行為A線對地信號波形，第二行為B線對地信號波形，上下對應監測AB線對地信號波形見圖2；DP總線網絡通信中間接入點，監測優化前節點電壓值棒圖見圖3。

圖1 優化前差分信號波形

圖3 優化前節點電壓值

從示波器波形顯示中可以發現，不論是差分信號還是AB線對地信號，都與標準的PROFIBUS-DP波形相去甚遠，信號波動劇烈，產生嚴重畸變。同時節點電壓相比于標準的5 V電壓值來說，存在普遍偏離的現象。

上述狀態監測結果，證明網絡通信質量較差，對生產的安全穩定運行帶來較大的風險隱患，使得通信出現閃斷，嚴重時會使網絡設備誤動作或設備跳停，妨礙正常生產運行。因此，為了提高系統的安全可靠性，必須對原有控制總線網絡進行優化整改，解決已有的通信故障隱患。

3 PROFIBUS網絡通信優化及效果

根據檢測結果，提出PROFIBUS網絡通信優化計劃書，具體實施內容如下：1）召開項目調度會，明確工作的內容和相關工作的負責人；2）確認PROFIBUS-DP網絡優化方案；3）在進行網絡優化前，對原來的PROFIBUS-DP網絡通信狀況進行檢測；4）PROFIBUS-DP網絡通信線纜敷設滿足該總線安裝規范；5）新敷設的通信線纜因在動力線電纜槽中，特加裝金屬屏蔽軟管，減少EMI干擾；6）設備安裝，包含接插件和電源設備的安裝和電源線的敷設；7）理順PROFIBUS-DP網絡線纜走向標注標識；8）對15臺左右接線不規范的PROFIBUS-DP總線連接器重新進行連接；對原來劣化的5臺PROFIBUS-DP總線連接器進行更換；9）對優化后的系統和設備進行上電單機聯機調試。

3.1 網絡拓撲結構優化

首先從控制系統總線網絡拓撲結構上進行優化。控制系統原有的總線型拓撲結構為DCS系統PB總線通訊下掛30臺ABB變頻器，現使用帶有分支功能的隔離中繼器，將原來的直線型結構變為星型分支結構。優化后的網絡拓撲結構如圖4所示。

圖4 優化后PB現場總線系統拓撲結構

3.2 安裝與布線規范優化

網絡改造之后，根據實際情況，需對原來部分設備進行更換，同時增加一批新的功能性設備。更換PROFIBUS-DP總線連接器進出線連接順序15臺，ABB變頻器連接PROFIBUS-DP總線連接器30臺。增加PROFIBUS-DP隔離優化修復模塊1臺，雙電源有源終端電阻5臺，24 V直流電源12臺，空氣開關12臺，PROFIBUS-DP總線連接器36臺，其中30臺替換原連接器。

3.3 EMI屏蔽隔離

首先，將PROFIBUS-DP站點3樓的30臺ABB變頻器設備進行分段隔離透明傳輸，將原來的網絡隔離為5路，避免了設備之間形成通信串擾，并對傳輸信號進行了修復；其次，依據DP安裝與布線規范對新增電纜鋪設走向、距離、折彎、屏蔽、接地做了處理。為了加強對干擾信號的屏蔽性能，新敷設的PROFIBUS-DP通信電纜全部穿金屬軟管，并單獨敷設，使其遠離動力線纜，改造完善了DP線路EMI屏蔽隔離，這樣可以有效避免EMI干擾問題。此外，發現部分站點的進出線順序不規范，對其通信線的進出順序進行優化調整。

3.4 優化效果

對網絡優化后整體的通信狀況進行了DP總線網絡通信任意接入點監測，優化后差分信號波形均為標準規范方波,如圖5所示，其中方波上升沿和下降沿尖峰為測試工具ProfiTrace短接線造成，非系統本身干擾。

圖5 優化后差分信號波形

從圖5站點的通信波形發現，優化后原來圖1網絡中存在的各種故障波形全部消除，在整個系統范圍內取任意測量點得到的通信波形都更加標準規范，符合正常通信質量要求，原來受到干擾引起的劇烈抖動也得到最大限度的修復。

從圖3和圖6優化前后節點電壓值棒圖對比也可以明顯看出優化后各個節點電壓值更穩定一致。優化后的站點通信電壓明顯比優化前有所提高，符合正常的通信值。正常的節點電壓，更有助于對干擾的抑制作用，同時可以解決在傳輸過程中產生的信號衰減問題。

圖6 優化后節點電壓值

通過上述的對比可以看出，優化后的網絡通信質量更好，站點的通信電壓更標準穩定，符合PROFIBUS通信規范的要求，且網絡抗干擾的能力更強，可以實現正常安全可靠高質量通信的目的。

3.5 后期維護

1）判斷故障點。優化后網絡分成了相互隔離透明傳輸的5個總線分支網段，在隔離修復器上每段都有獨立的故障診斷燈?？筛鶕收蠠舻臓顟B，判斷該段是否有故障存在，這就極大地縮小了排故的范圍；建議使用PROFIBUS故障在線檢測模塊COMBricks，可以遠程對網絡狀態全面監測，可視化更加直觀。

2）在線監測網絡優化健康狀態。具體措施：在隔離優化修復模塊分支隔離網段通道上加裝5臺COMBricks在線監測模塊；通過遠程增設監控站進行在線實時監控各分支總線運行狀態，實現遠程智能維護；在遠程增設監控站現場總線網絡智能診斷系統FNIDS；室內加裝空調，溫度控制在25℃左右。

4 結語

通過對過濾工段的PROFIBUS-DP網絡進行優化，消除了原來網絡安裝中存在的不規范問題，加強了總線系統的整體抗干擾性能。使用具有分支功能的隔離優化修復模塊，不僅起到增強信號，隔離濾波透明傳輸的作用，同時網段上的劃分使得網絡結構更加清晰簡潔。優化前過濾工段每月都有5、6次網絡故障報警，優化后半年未發生網絡故障報警事件，縮短了排故時間，降低了停機對企業造成的經濟損失和事故發生概率。

［1］（德）韋格曼，基利恩.西門子PROFIBUS工業通信指南［M］.北京：人民郵電出版社，2007.