影响PROFIBUS现场总线稳定性因素探讨

【摘 要】本文根据实际应用过程中经常遇到的一些影响PROFIBUS现场总线不稳定的因素和可能引起不稳定现象的因素进行了系统的分析，供致力于现场总线技术的人员探讨。

【关键词】现场总线；PRIFIBUS；可编程序；控制器；通信系统

0.引言

PROFIBUS协议是ProaessFieldbus的缩写，是一种国际性的开放式的现场总线标准，主要用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术，可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。ROFIBUS是一种高速低成本且用于设备级控制系统与分散式I／0的通信。，使用现场总线除节约相关费用外，可通过中控对现场进行参数调整，同时通过现场设备的自诊断功能预测和寻找故障点，尽管其制造厂采取了一些措施，使得它的可靠性较高，但还有至多因素会造成其不稳定，从而影响数据的可靠传输，这将会造成设备的突然停止。总线故障比一般的电气故障较难解决，因此引起的停机时间较长。虽然它发生的频率较少，但是正因为这样，使设备人员忽略了对它的重视，也因此缺乏处理此类故障的经验。一旦出现故障，常常摸不到头绪，延误开机时间。本文针对总线故障问题可能引发的原因、采用硬件信息分析方法、软件分析方法等，进行总线上故障诊断分析，供致力于现场总线技术的人员共同探讨。

1.故障因素分析

1.1未设计专用接地网，或接地达不到要求

现场总线PROFIBUS的传输介质共用传输数据和供电电流。其工作电压较低（5V左右），其本身耐压也非常低（-7V~+12V）。一旦有过压引入，就会击穿损坏。在有强烈的浪涌能量出现时，甚至可以看到收发器爆裂，线路板焦糊的现象。因此，如未设计整个系统的专用接地网，或接地达不到要求一旦有过压引入，就会击穿损坏。在电缆敷设施工时应依据《电气安装规范》要求信号线与动力线分开敷设，对其整个系统的拉地电阻要求一般不应大于4Ω或更小。防止出现干扰问题而造成的总线的不稳定性。

1.2未严格区分现场接地

一般低压设备有以下几种接地类型：①机壳地又称屏蔽地，使机壳和大地处于相等电位可以保护人身安全，也可以防止静电、磁感应并屏蔽外界干扰；②交流地，交流电源的N线。这种地线是产生噪声的主要地方；③直流地，它是直流电源标准电压的起点，在非浮空的直流电源，就把它作为地线，而且就是接地的连线；④信号地，通常是指传感器的地；⑤数字地又称为逻辑地，是数字电路部分的等电位点，是数字信号的零电位；⑥模拟地，是各种模拟信号的零电位，它们之间接地的要求不一样。因此，应特别注意。例如：交流地与信号地不能共用。一段电源地线的两点间会有几毫伏甚至几伏电压，对低电平的信号电路来说是一个非常严重的干扰。必须隔截和防止。

1.3动力信号线缆混布

现场总线的传输介质共同传输数据和供电电流。根据《电气安装规范》在设计时，采用独立桥架，分开敷设动力桥架进和控制系统现场总线；并保证一定的距离。但实际应用中，却不可避免的混在了一起。特别在进入电控内的时候，电控柜目前都没设计双线槽，都是走的同一线槽，所以，不可避免的混在了一起。因此，笔者建议厂家在设计时能否考虑在电控内设计双线槽。使电源线与现场总线彻底的分开。

1.4距离与速率设置的不匹配

因现场总线的传输速率与距离的关系设置不匹配而导致网络故障，需合理在软件中设置合适的通讯速率(见表1)，或适当降低通讯速率来保障网络的稳定性，也可使用光电传输设备(OLM)进行总线传输，来克服因长距离传输造成的故障保障网络的稳定性。

表1 现场总线的传输速率与距离的关系

上表显示的是传输速率与距离的理论值。在现场实际应用却要考虑现场的环境、设备的稳定性等因素。在郑州卷烟厂叶片处理段网络由主控PLC（S7-400）、18个I/O箱、三台电子皮带秤、一台静态秤、4台水分仪、3台流量计、1个中继器构成。最初组态时，设置网络的传输速率为1.5Mbps，系统能稳定运行。可过了一段时间，系统出现不稳定，检查其实际距离是小于最大理论距离的。但后来笔者将传输速率将原来的1.5Mbps改为187.5Kbps，再也没出现过此现象。

1.5元器件的老化稳定性差

现场总线系统的不稳定与元器件的稳定性有很大的关系。在现场维护中，一台LENZE8200变频器经常掉线，查变频器的参数设置正常，恢复为出厂设置重新设置参数，故障仍然存在。最后更换网卡后，再也没有出现过掉线。如果连接器坏了，也会导致网络数据无法采集。从整个系统的稳定性来看，元器件的稳定性也是影响系统稳定重要因素之一。

1.6现场环境因素影响

现场总线PROFIBUS系统的不稳定与周围的环境有关系。西门子可编程序控制器、变频器等元器件对环境（湿度、温度、海拔、灰尘等）都有具体的要求。如果这些环境长期不满足，就会造成元器件的不稳定。

1.7安装接线不规范

在《可编程序控制器硬件和安装手册》中对总线电缆和电缆连接器的安装有详细的要求（见表2）。

表2总线电缆安装规范

可见，总线的安装是一件非常仔细、认真的工作，而且要使用专用工具。可在安装、维护中，许多工作人员却不严格按上面的方法安装。给总线不稳定性潜伏的机会。

1.8噪音的影响

现场总线应用必然涉及到系统噪音问题，由于所（下转第215页）（上接第175页）有的现场设备完全连接到现场总线的网络当中，连接处必然使用快速连接接头，这种接头长期处于现场环境较为恶劣的地方，就会出现网络噪音的现象，继而出现设备与网络连接错误的报警，所以现场总线对现场的卫生条件，现场的振动条件都有严格的要求。接头需要定期进行检查，但是并不是检查后就可以完全消除噪音。

1.9冗余问题的影响

现场总线设计思想，低速部分是不要冗余的，因为现场总线已经分散了危险，现场仪表在现场可以自成调节回路而实现自主调节。虽然是这样，但是由于没有冗余功能，所以一旦总线故障，造成设备大面积停机。所以要想达到安全的目的，冗余设计是很有必要的。

2.结语

现场总线PROFIBUS在现场应用中，其稳定性对生产非常重要，影响其不稳定的因素多。除产品自身的原因外，潜伏在设计、安装、调试、维护等过程中，因此，应多方配合，按照产品规范、按规则的手法严格搞好每一环节，把可能影响的因素杜绝在各个环节。

【参考文献】

［１］崔坚，李佳．西门子工业网络通讯指南（上）.机械工业出版社，2004．

［２］斯可克．现场场总线应用疑难解答北京.中国电力出版社，2006．

［３］PROFIBUS现场总线网络调试与维护教程.SIEMENSAG.2006。