現場總線PROFIBUS不穩定因素的探討

2020-11-22 電子產品世界

現場總線PROFIBUS是工業通信系統，它是使用一類傳輸介質（如具有位串傳輸的銅纜、光纖或無線等），用比特串傳輸，將分散的現場設備（如傳感器、執行機構、驅動器、變送器等）連接到中央控制或管理系統。儘管其製造廠採取了一些措施，使得它的可靠性較高，但還有許多外部因素也會造成其不穩定，從而影響數據的可靠傳輸，這將會造成設備的突然停止。要提高現場總線PROFIBUS的可靠性，一方面要求現場總線PROFIBUS的質量和相關設備的抗幹擾能力；另一方面，要求工程設計、安裝施工和使用維護中引起高度重視，多方配合才能完善解決問題，有效地增強現場總線的可靠性。它的應用提高了自動化過程生產力和靈活性，同時為分布式自動化系統的構造建立了基本的前提條件。它成套系統的建立和運行期間能減少使用者的總成本以及增強性能和改進質量。目前，在菸草行業許多煙廠都應用了，它確實實現了工藝控制由結果控制向過程控制的轉變，由控制指標向控制參數轉變；由人工控制經驗決策向自動控制科學決策轉變。但隨著應用的日漸廣泛，其不穩定性也顯得日益重要。本文就此問題提出一些可能引起的因素，供致力於現場總線技術的人員探討。


一、未設計整個系統的專用接地網，或接地達不到要求。

現場總線PROFIBUS的傳輸介質共用傳輸數據和供電電流。其工作電壓較低（5V左右），其本身耐壓也非常低（-7V~+12V）。一旦有過壓引入，就會擊穿損壞。在有強烈的浪湧能量出現時，甚至可以看到收發器爆裂，線路板焦糊的現象。因此，對其整個系統的拉地電阻要求一般不應大於4Ω或更小。筆者在建設一個工廠時，曾見過設計只按《建築物防雷設計規範》GBJ50057-94規定設計防雷接地，而沒有設計電氣設備專用接地網。安裝電氣輔助設施的單位和設備廠家對此也沒對其提出異議或要求。導致最後所有的接地都與防雷接地網共用。結果造成在調試期間，電控櫃內的一組PLC被燒，才意識到專用接地網的重要性，才做彌補工作。更有的設計了專用接地網，但業主或施工單位為節約，埋設的材料不合格或深度不夠；使接地達不到要求（小於4Ω或更小）。這點筆者認為是可能影響現場總線PROFIBUS不穩定最重要的因素之一。

二、不注意區分以下幾種接地。

一般低壓設備有以下幾種接地類型：①機殼地又稱屏蔽地，它機殼和大地處於相等電位可以保護人身安全，也可以防止靜電、磁感應並屏蔽外界幹擾。②交流地，交流電源的N線。這種地線是產生噪聲的主要地方。③直流地，它是直流電源標準電壓的起點，在非浮空的直流電源，就把它作為地線，而且就是接地的連線。④信號地，通常是指傳感器的地。⑤數字地又稱為邏輯地，是數字電路部分的等電位點，是數位訊號的零電位。⑥模擬地，是各種模擬信號的零電位。它們之間接地的要求不一樣。因此，應特別注意。例如：交流地與信號地不能共用。一段電源地線的兩點間會有幾毫伏甚至幾伏電壓，對低電平的信號電路來說是一個非常嚴重的幹擾。必須隔截和防止。

三、依據《電氣安裝規範》要求信號線與動力線分開，但在具體實踐中卻不可能完全分開。

現場總線的傳輸介質共同傳輸數據和供電電流。根據《電氣安裝規範》在設計時，採用雙層橋架，一層敷設動力橋架，一層敷設現場總線；但實際應用中，卻不可避免的混在了一起。特別在進入電控內的時候，電控櫃目前都沒設計雙線槽，都是走的同一線槽，所以，不可避免的混在了一起。因此，筆者建議廠家在設計時能否考慮在電控內設計雙線槽。使電源線與現場總線徹底的分開。

三、距離與速率設置的不匹配。

現場總線的傳輸速率與距離的關係。如表：1

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/328672.htm

上表顯示的是傳輸速率與距離的理論值。在現場實際應用卻要考慮現場的環境、設備的穩定性等因素。在四川三鑫菸草有限責任公司的預處理段網絡由主控PLC（S7-400）、18個I/O箱、兩臺核子稱、3臺水分儀、一套加酶系統、3個中繼器構成。最初組態時，設置網絡的傳輸速率為1.5Mbps，系統能穩定運行。可過了一段時間，系統出現不穩定，檢查其實際距離是小於最大理論距離的。但後來筆者將傳輸速率將原來的1.5Mbps改為187.5Kbps，再也沒出現過此現象。

四、元器件的不穩定性。

現場總線系統的不穩定與元器件的穩定性有很大的關係。在現場維護中，一臺西門子MM440變頻器經常掉線，查變頻器的參數設置正常，恢復為出廠設置重新設置參數，故障仍然存在。最後更換網卡後，再也沒有出現過掉線。如果連接器壞了，也會導致網絡數據無法採集。從整個系統的穩定性來看，元器件的穩定性也是影響系統穩定重要因素之一。

五、周圍的環境。

現場總線PROFIBUS系統的不穩定與周圍的環境有關係。西門子可編程序控制器、變頻器等元器件對環境（溼度、溫度、海拔、灰塵等）都有具體的要求。如果這些環境長期不滿足，就會造成元器件的不穩定。

六、安裝接線不規範。

在《可編程序控制器硬體和安裝手冊》中對總線電纜和電纜連接器的安裝有詳細的要求。如表：2

可見，總線的安裝是一件非常仔細、認真的工作，而且要使用專用工具。可在安裝、維護中，許多工作人員卻不嚴格按上面的方法安裝。給總線不穩定性潛伏的機會。

七、噪音的影響。

現場總線應用必然涉及到系統噪音問題，由於所有的現場設備完全連接到現場總線的網絡當中，連接處必然使用TAP接頭，這種接頭長期處於現場環境較為惡劣的地方，就會出現網絡噪音的現象，繼而出現設備與網絡連接錯誤的報警，所以現場總線對現場的衛生條件，現場的振動條件都有嚴格的要求。接頭每次停機都要進行檢查，但是並不是檢查後就可以完全消除噪音。

八、冗餘問題的影響。

現場總線設計思想，低速部分是不要冗餘的，因為現場總線已經分散了危險，現場儀表在現場可以自成調節迴路而實現自主調節。雖然是這樣，但是由於沒有冗餘功能，所以一旦總線故障，雖然可以完全依靠就地來完成功能調節，卻無法讓運行人員監視到全系統運行狀況，按照熱控的檢修標準在控制系統機組主要運行參數的監視就應該停止機組運行，所以要想達到安全的目的，冗餘設計是很有必要的。

九、結束語

現場總線PROFIBUS在現場應用中，其穩定性對生產非常重要，影響其不穩定的因素多。除產品自身的原因外，潛伏在設計、安裝、調試、維護等過程中，因此，應多方配合，按照產品規範、按規則的手法嚴格搞好每一環節，把可能影響的因素杜絕在各個環節。

參考文獻
《RS485數據總線雷擊落過壓防護》http://www.cnbew.com/Article_Show.as、p?ArticleID=393
《建築物防雷設計規範》 GBJ50057-94
《S7-400，M7-400可編程序控制器硬體和安裝手冊》
《現場總線在電廠中應用注意的問題》
http://a.gongkong.com/exhibit/lunwen/more_paper.asp?type=paper&page=9
《可編程控制器》黃明琪 馮濟纓 王福平 重慶大學出版社

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  • Profibus現場總線的網絡結構
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  • 基於Profibus現場總線的控制系統
    其中PROFIBUS總線是最為流行的現場總線技術之一，其產品廣泛應用於工業、電力、能源、交通等自動化領域。它是德國國家標準DIN 19245和歐洲標準EN 50170的現場總線標準，是一種國際化、開發式、不依賴於生產商的現場總線。
  • 現場總線(PROFIBUS)技術簡介(三)
    根據IEC1158-2標準，PA的傳輸技術可確保其本徵安全性，而且可通過總線給現場設備供電。使用連接器可在DP上擴展PA網絡。串聯的中繼器一般不超過3個。它們為現場設備的遠程電源供電，供電裝置可限制IEC1158-2總線的電流和電壓。
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