PROFIBUS 網絡安裝規(guī)范

了解了PROFIBUS的各個網絡器件，這里就PROFIBUS安裝的注意事項進行介紹，同時會結合一些現場的實例加以說明。

3.1網絡拓撲的規(guī)則

設計一條PROFIBUS網絡，首先需要了解PROFIBUS網絡的拓撲規(guī)則：

①    PROFIBUS網絡是RS485串口通訊，半雙工，支持光纖通訊；

②    每個網絡理論上多可連接127個物理站點，其中包括主站、從站以及中繼設備；

③    網絡的通訊波特率9.6kbps~12Mbps，通訊波特率與通訊的距離具有一定的對應關系（見表3）；

④    每個物理網段多32個物理站點設備，物理網段兩終端都需要設置終端電阻或使用有源終端電阻；

⑤    每個網段的通訊距離或者設備數如果限，需要增加RS485中繼器進行網絡拓展，中繼器多可串聯9個；

⑥    每個中繼設備（RS485中繼器、OLM）也做為網絡中的一個物理站點，但沒有站號；

⑦    網絡支持多主站，但在同一網絡中，不建議多于3個主站；

⑧    在Step7軟件中進行PROFIBUS網絡組態(tài)時，應當按照從小到大的順序設置從站站號，且應該連續(xù)；

⑨    一般0是PG的地址，1～2為主站地址，126為某些從站默認的地址，127是廣播地址，因而這些地址一般不再分配給從站，故DP從站多可連接124個，站號設置一般為 3~125。

⑩    如果網絡中涉及到分支電纜，則應注意分支電纜的長度應當嚴格遵守PROFIBUS的協(xié)議規(guī)定，比如：波特率1.5Mbps時，網段中分支電纜長度6.6米（表5）。

?     表5  波特率與分支電纜的長度對應表

?     用戶如果使用了西門子的SIMOCODE 3UF7等產品時，就會涉及到網絡中存在分支電纜的問題。為了保證每個網段的分支電纜不過規(guī)定長度，一般可以在每個抽屜柜內設計一個中繼器，進行物理網段的分割，同時還可以起到隔離干擾的作用。

在進行PROFIBUS網絡連接之前，首先應當考慮拓撲結構的設計是否有問題。如果拓撲結構有問題，將來網絡通訊很可能出現問題。

另外，從波特率與距離的對應關系中可以看到，波特率越高，則對應的通訊距離越近，因而如果現場遇到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，再進行觀察處理。

3.2  PROFIBUS網絡安裝的規(guī)則

3.2.1 網絡布線的規(guī)則

①選擇標準PROFIBUS通訊電纜

標準PROFIBUS通訊電纜的特性阻抗為150歐姆，這與PB頭的終端電阻設置為“ON”時的終端電阻值剛好匹配，如果選擇普通的電纜，其特性阻抗與終端電阻很可能不匹配，則通訊性能將會受到影響；

標準的PROFIBUS電纜往往是雙層屏蔽的，屏蔽效果比較好。另外，標準通訊電纜是雙絞的，因而對于信號在電纜內傳輸時自身產生的干擾也能夠起到自我抑制的作用。

②屏蔽層多點接地

PROFIBUS電纜在插頭內接線時，須將屏蔽層剝開，壓在插頭內的金屬部分，該金屬部分與當Sub-D插頭外部的金屬部分相連，當將插頭插在CPU或者ET200M等設備的DP口上時，則通過設備連接到了安裝底板，而安裝底板一般是連接在柜殼上并接地的，從而實現了屏蔽層的接地。

圖23  PROFIBUS 插頭內部接線即屏蔽層的處理

由于接地有利于保護PLC設備以及DP通訊口，因此對于所有的PROFIBUS站點都要求進行接地處理，即“多點接地”。

③布線規(guī)則

高電壓，大電流的動力電纜，與小電壓和小電流的電纜應該是分線槽布線，同時線槽應蓋上蓋板，盡量全封閉；如果現場無法分線槽布線，則將兩類電纜盡量遠離，中間加金屬隔板進行隔離，同時金屬線槽要做接地處理（圖24）。

圖24  電纜槽架以及電纜在線槽內的處理

圖25 現場布線

電纜槽架之間也的連接應該保證用金屬連接部件大面積連接處理，同時注意“接地”的連接。

圖26 電纜橋架之間的連接以及接地處理

圖27 現場的通訊電纜

圖26中的電纜通訊直接暴露在外面，很容易被壓斷，類似情況可考慮局部或者全部穿管。

由于平行布線的兩根電纜之間需要考慮空間電容耦合，因此為了避免相互之間的影響，應避免平行布線（圖27）。

圖28  通訊電纜在線槽內與動力電纜平行走線

在圖27中，通訊電纜不僅沒有滿足a. 或 b. 兩條原則，反而與比較大的動力電纜平行布線，這會導致該電纜比較容易受到動力電纜的干擾。

可以交叉布線：

兩根交叉布線的電纜相互之間不會因為容性耦合而產生干擾。

圖29  通訊電纜貼近金屬板

通訊電纜應與大面積的金屬板或“地平面”貼近。

圖30 通訊電纜形成環(huán)

此時如果有磁力線從環(huán)中間穿過時，根據“右手定律”，容易產生干擾信號。

在圖30中，盡管背板是比較大的金屬板，但由于項目已經完成，因而不存在電纜長度變化的可能，因此還是建議用戶將過長的電纜剪短，放入柜內的電纜槽內。

PROFIBUS 連接的站點可能分布較廣，為了保證通訊的質量，一般要求所有通訊站點都應該處于同一個電壓等級上，即應當都是“等電勢”的（圖31）。

圖31 通訊站點之間應做“等電勢”處理

如果兩個站點的“地”之間不等電勢，則當兩個設備分別各自接地時，將會在兩個接地點之間產生電勢差，此時電流會流過通訊電纜的屏蔽層，從而對通訊產生影響。因此應該在兩個設備之間進行等電勢的綁定。

可以用等勢線將兩個設備的“地”進行連接，等勢線的規(guī)格為：銅 6mm² ，鋁 16mm²，鋼 50mm² 。

當然，這里不是要求所有的現場都需要增加額外的等勢線而增加成本，只是建議在出現接地點電勢不相等的情況時，如果影響到通訊，或者可能造成設備損壞，則應當想辦法加以改進。

如果由于接地點本身的原因造成了通訊不穩(wěn)定，比如某個系統(tǒng)的“地”本身存在著很強的干擾，則在此處將屏蔽層接地反而會對PROFIBUS通訊造成影響，因而此時應該考慮首先處理好“地”，然后再將PROFIBUS屏蔽層接地。

為現場設備提供一個良好的“地”以及進行正確的“接地”是提高EMC特性的前提（圖32）。

圖32  系統(tǒng)進行良好的接地設計和實施

通訊電纜在電柜內布線時，也應該遵循之前的原則，即遠離干擾源。

在柜內的走線應當進行精心的設計，盡量避免與高電壓、大電流的電纜在同一線槽內走線（圖33），同時，不要在柜內形成“環(huán)”，特別時避免將變頻器等干擾源包圍在                                                               

圖 33 通訊電纜與動力電纜在電柜內的受干擾情況

3.2.2  通訊電纜的屏蔽層在電柜內的處理

1) 首先是PROFIBUS插頭，除了之前介紹的，需要將屏蔽層壓在插頭的金屬部分外，還需要注意屏蔽層不要剝開的太長，否則會暴露在空間，成為容易受干擾的“天線”（圖34）。

圖34 屏蔽層暴露在空間容易接收干擾

2) 通訊電纜的屏蔽層在進/出電氣柜時，都應該進行屏蔽層接地處理

屏蔽層應該保證與接地銅排進行大面積的接觸（圖35）。

圖35  屏蔽層的接地

通訊電纜在進/出電柜時，都應該將電纜的屏蔽層進行接地處理。這樣避免外部的干擾信號進入電柜，同時也避免柜內產生的干擾對外部設備造成影響（圖36）。

圖36 屏蔽層在柜內進行接地處理

如果通訊電纜在柜內需要經過端子進行連接，則屏蔽層好在端子排的兩側分別進行連接（圖37）。

圖37  通訊電纜通過端子連接時的屏蔽層處理

而此時應當避免的做法是將屏蔽層剝開，擰成一根連接到端子（圖38），這種方式在EMC領域有個名稱叫做“豬尾巴”。

圖38 屏蔽電纜接頭處的“豬尾巴效應”

在現場的連接中，如果將屏蔽層剝開過長，則通訊電纜將有很長一段沒有被屏蔽層“保護”，而屏蔽層擰成一根后將形成天線，更容易將干擾引入系統(tǒng)（圖39）。

圖39 屏蔽電纜的“豬尾巴”連接

3.2.3  過壓保護

如果使用場合存在過壓的危險，請在柜外采用直埋電纜，同時在柜內、柜外的電纜上采用過壓保護裝置（圖40）。

如果存在雷擊，請參照防雷設計標準進行防雷的設計。

圖40 過壓保護裝置

3.2.4  減小變頻器等干擾源設備對通訊的影響

變頻器等比較大功率的設備除了通過干擾電源、通過空間輻射干擾影響設備正常運行外，隨著變頻器等設備具有PROFIBUS通訊的能力，這些設備產生的干擾也有可能直接進入通訊系統(tǒng)，因而應該對變頻器進行EMC的處理。

首先是變頻器的安裝。在電柜內，盡量用鍍鋅底板替代噴漆底板做為安裝背板（圖41），以改善EMC特性。

圖41  使用鍍鋅安裝底板代替噴漆底板

變頻器的出線，都應該進行相應的EMC處理，比如采用通訊電纜采用屏蔽電纜接地，動力電纜采用屏蔽電纜接地或者采用鐵氧體磁環(huán)進行濾波處理等（圖42）。

圖42  對變頻器的電纜進行規(guī)范的EMC處理

4 PROFIBUS診斷的常用工具

PROFIBUS是一種抗干擾性比較強的現場總線，但不時還會發(fā)生一些故障。在處理故障的過程中我們發(fā)現，造成PROFIBUS通訊出現故障的原因，80％都是簡單的原因，比如：現場沒有接地處理、布線時與動力電纜沒有分開等等；因此為了避免PROFIBUS網絡后期運行時出現故障，首先應該注意按照PROFIBUS的規(guī)范進行網絡設計，同時嚴格遵守安裝規(guī)范的要求進行現場施工。

除此之外，現場診斷一般會使用到BT200和示波器等設備。BT200是西門子的提供的PROFIBUS網絡診斷設備，可以進行網絡距離檢測，網絡連接的質量的檢查（比如斷線、短路等等），常用于項目現場施工布線階段；

圖43  BT200

而示波器常常用于檢測PROFIBUS通訊的波形，一般用于項目投產運行后進行網絡通訊信號質量的檢測。

圖43  示波器顯示PROFIBUS信號受到干擾時的波形

另外，STEP7等編程工具也可以做為網絡診斷的一種工具。在STEP7軟件中，提供了“在線診斷”的功能，可以實時的對PROFIBUS網絡進行直接的診斷。比如：哪些從站出現故障，可在STEP7的診斷緩沖區(qū)中直接得到故障信息，因此一般用于項目調試過程中以及項目運行過程中的網絡診斷。

圖44  Step7在線診斷功能

另外STEP7還提供了一些PROFIBUS的診斷功能塊，比如FB125/FC125等，方便用戶通過編程的方式在程序運行中診斷PROFIBUS網絡中出現的故障，同時可將故障信息直接顯示在上位機畫面上。

軟件的診斷方式都支持到通道級的診斷。

5 結束語      

PROFIBUS總線的應用場合非常多，應用環(huán)境也各不相同，但只要嚴格按照PROFIBUS的規(guī)范進行網絡拓撲的設計、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絡使用中出現的各種問題。因此，希望廣大的用戶在閱讀本文的基礎上，能夠繼續(xù)參照PROFIBUS的安裝和使用手冊來正確的應用PROFIBUS現場總線，保證PROFIBUS總線網絡和整個自動化項目的正常運行。