PROFIBUS在工业应用中的抗干扰设计

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　　【摘 要】本文介绍了PROFIBUS在工业中的应用，并从PROFIBUS的基本特点、传输协议、硬件结构三个方面阐述了PROFIBUS，着重讲述了PROFIBUS信号线抗干扰设计所采用的常规措施。
　　【关键词】PROFIBUS;抗干扰;现场总线
　　中图分类号： TM571 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）03-0108-002
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.03.044
　　Anti-interference design of PROFIBUS in industrial applications
　　FAN Min
　　（School of Physics and Telecommunication Engineering， Yulin Normal University， Yulin Guangxi 537000， China）
　　【Abstract】This article introduces the application of Profibus in industry. It explaines the basic characteristics of the Profibus、transmission protocol and hardware architecture. The paper introduces the measure which is adopted in the anti-jamming of Profibus.
　　【Key words】Profibus; Anti-interference; Fieldbus
　　0 引言
　　現场总线自从上世界70年代诞生以来，由于和传统接线方式相比具有很多优点，比如减少了数据传输信号线的数量，从而大大降低了铺设电缆的成本，增强了系统性能并降低了维护成本，因此得到了广泛的推广和应用。PROFIBUS作为目前常用的一种现场总线，在远程I/O领域、工业自动化仪表领域越来越广泛。据统计，目前生产PROFIBUS 相关产品的制造商已经有2200多个。
　　PROFIBUS的特点总结如下：
　　（1）开放性好，支持PROFIBUS的厂商多;
　　（2）信号传输速度快，可达到12MB/S;
　　（3）节省现场电缆数量以及铺设电缆时间。
　　由于现场总线的控制系统结构比较简单，使用的信号线较少，因此大大减少了系统维护的工作量[1]。
　　现场总线的系统结构比较简化，大大的减少了设备与通讯接线，加强了现场仪器和设备的功能，减少了信号传输，大大提高了系统的可靠性。由于PROFIBUS的开放性非常好，用户可以根据需要采用不同厂家的设备组成系统。并且不需要考虑系统与设备的兼容性，这样使用户具有了系统集成的主动权。
　　1 PROFIBUS介绍及在工业中的应用
　　PROFIBUS已成为德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170。PROFIBUS为不同的应用引入了四种类型PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PRO
　　FINET，图1为PROFIBUS结构图[2]。
　　目前国内部分化工、水泥等工厂采用ABB Symphony Plus现场总线控制系统，它的现场总线协议为两种，分别是PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA。
　　1.1 PROFIBUS-DP的应用
　　PROFIBUS-DP（Decentrilized Periphery）主要用于实现现场级控制系统与分布式I/O和其他现场设备之间的通信，数据传输快速稳定。控制主站与分散在工厂的设备（如远程I/O、电动阀门等）通过专用的DP电缆进行通讯，并管理和控制整个DP网络。传输的速率可达12Mbps，双绞线和光纤用作传输介质，并且拓扑结构具有星形、树形、总线类型、菊花类、环形等[3]。DP的基本版本是DP-V0，扩展版本是DP-V1和DP-V2。DP的基本版本和扩展版本的功能均能用于PA。
　　1.2 PROFIBUS-PA的应用
　　PROFIBUS-PA（Process Automation）的设计主要是针对过程控制的特殊要求。它使用同一根电缆进行信号传输和供电，并可用于对本质安全有要求或一般过程控制的情况下。
　　在PROFIBUS现场总线系统中，DP/PA耦合器是一个PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA之间的物理转换器，可将PROFIBUS-DP网络转换为PROFIBUS-PA网络。DP和PA之间的数据转换必须通过耦合器。部分国内工厂采用倍加福公司的产品，需要配置耦合器并占用网络中的总线地址。耦合器是冗余的，可以根据需要将冗余DP网络转换为4路PA网络。这四条信号线用于连接现场仪表，有1到4个分支。为了提高通讯稳定性，接线盒大多带有过载保护和短路保护。
　　2 仪表的抗干扰设计
　　2.1 通讯电缆的选择
　　PROFIBUS信号间的传输必须采用专用的通讯电缆，专用的通讯电缆特性阻抗的大小为150欧，与PB头的终端电阻设置为“ON”时的终端电阻值相同。如果使用普通的通讯电缆，它的特性阻抗达不到要求，很可能造成通讯信号不稳定。标准PROFIBUS通讯电缆是双绞线，这样可以有效的抑制信号传输时信号线自身产生的干扰。
　　2.2 屏蔽接地设计
　　PROFIBUS-DP使用多点接地，PROFIBUS-PA使用单点接地。良好的接地可以屏蔽大量的干扰信号。光纤电缆通常用作建筑物外的PROFIBUS连接，因为光纤电缆不受电磁干扰[4]。且光纤电缆提供电隔离，可以忽略等电势体连接。网络设备需要将接地线连接到专用总线接地系统，不得连接到普通接地点，并且PROFIBUS的接地点与生产用电的接地点不可以混用。如果设备没有良好的总线接地系统，则总线网络设备宁可不接地，也绝不能接到含有干扰源的接地网，否则不仅没有有效的降低干扰，还会加入干扰。 　　2.3 干扰源的规避
　　减少变频器等比较大功率的设备对通信的影响，除了干扰电源外，变频器等设备还会通过空间辐射干扰影响设备的正常运行，以及设备间进行PROFIBUS通信的能力。随着变频器等设备也通过PROFIBUS进行通讯，这些设备产生的干扰也有可能直接进入通讯系统，因而应该对变频器进行EMC的处理。
　　在安装变频器的时候，在点柜内，使用镀锌基板作为安装背板来改善EMC特性。变频器的输出线应该由对应的EMC进行处理，例如，通信电缆采用屏蔽电缆接地，动力电缆采用屏蔽电缆接地或者采用铁氧体磁环进行滤波处理等。
　　2.4 总线网络的现场安装
　　通讯电缆在安装的过程中，不能形成环状。根据“右手定则”，如果电缆布置形成环状，当环中间有磁力线穿过时，此时容易有干扰信号产生。通訊电缆在布置的过程中最好贴近大面积的金属板。电压高、电流大的电缆容易产生强磁场，布置时与电压小和电流小的电缆应该尽量远离。PROFIBUS冗余电缆尽可能在不同的电缆桥架走线，使用独立的镀锌屏蔽铁管，避免因同样原因将冗余电缆都损坏。屏蔽管与设备外壳不可以连接到一起，否则不能满足抗干扰的要求。
　　在机柜入口将所有电缆的屏蔽层接地。连接面积应足够大，不同厂家都有特制的接地夹来增大接触面积。为了保护电缆不受机械力损坏，电缆在接地夹的上下端都需要固定[5]。
　　在电缆屏蔽层接地之前，尽量避免任何电缆即使是同种类型电缆与PROFIBUS电缆隔离段平行走线（特别是电话线、高频电源等）。当电缆无法避免交叉时，电缆间的夹角须为直角。
　　2.5 杜绝人为因素
　　由于电气维护人员的工作性质，导致大多数一线维护人员不了解总线工作系统。在设备检修的过程中，未在合适的DP网络设置终端电阻，或者设备损坏，造成DP网络通讯中断。在DP网络安装的过程中，可以将终端电阻设置开关做防护处理，同时，对每个网络供电和信号设备做明显标示。
　　3 结语
　　现场总线在工厂的引入促进了工厂向数字化、自动化方向发展，然而，在实际使用的过程中，出现了不少问题。因此，在应用现场总线的同时，也要做好现场总线的抗干扰设计。本文中的抗干扰设计方法是实际工程中摸索得到的结果， 具有一定的参考意义。
　　【参考文献】
　　[1]王顺菊.浅谈Profibus 总线电缆的安装规范[J].锻压技术与制造装备，2011.
　　[2]Jonas Berge. FieldBuses for Process Control Engineering， Operation， and Maintenance[M].北京：清华大学出版社，2013.
　　[3]Siemens AG. SIMENIC SIM1 UserDescriPtion， May， 5sth. 2014.
　　[4]徐秀杰，张永德.现场总线PROFIBUS-PA技术研究及产品开发[J].仪表标准化计量.2013，5：20-25.
　　[5]SIEMENS.SIMENIC DPC31 User Description（Siemens PROFIBUS Controller）Version0.2. June 2014.
　　[6]缪彬彬，邓锐.PROFIBUS-DP总线型称重仪表抗干扰能力的研究[J].中国仪器仪表，2011.
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