现场总线PROFIBUS不稳定因素的探讨

现场总线PROFIBUS是工业通信系统，它是使用一类传输介质（如具有位串传输的铜缆、光纤或无线等），用比特串传输，将分散的现场设备（如传感器、执行机构、驱动器、变送器等）连接到中央控制或管理系统。尽管其制造厂采取了一些措施，使得它的可靠性较高，但还有许多外部因素也会造成其不稳定，从而影响数据的可靠传输，这将会造成设备的突然停止。要提高现场总线PROFIBUS的可靠性，一方面要求现场总线PROFIBUS的质量和相关设备的抗干扰能力；另一方面，要求工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强现场总线的可靠性。它的应用提高了自动化过程生产力和灵活性，同时为分布式自动化系统的构造建立了基本的前提条件。它成套系统的建立和运行期间能减少使用者的总成本以及增强性能和改进质量。目前，在烟草行业许多烟厂都应用了，它确实实现了工艺控制由结果控制向过程控制的转变，由控制指标向控制参数转变；由人工控制经验决策向自动控制科学决策转变。但随着应用的日渐广泛，其不稳定性也显得日益重要。本文就此问题提出一些可能引起的因素，供致力于现场总线技术的人员探讨。

一、未设计整个系统的专用接地网，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，对其整个系统的拉地电阻要求一般不应大于4Ω或更小。笔者在建设一个工厂时，曾见过设计只按《建筑物防雷设计规范》GBJ50057-94规定设计防雷接地，而没有设计电气设备专用接地网。安装电气辅助设施的单位和设备厂家对此也没对其提出异议或要求。导致最后所有的接地都与防雷接地网共用。结果造成在调试期间，电控柜内的一组PLC被烧，才意识到专用接地网的重要性，才做弥补工作。更有的设计了专用接地网，但业主或施工单位为节约，埋设的材料不合格或深度不够；使接地达不到要求（小于4Ω或更小）。这点笔者认为是可能影响现场总线PROFIBUS不稳定最重要的因素之一。

二、不注意区分以下几种接地。

一般低压设备有以下几种接地类型：①机壳地又称屏蔽地，它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。

三、依据《电气安装规范》要求信号线与动力线分开，但在具体实践中却不可能完全分开。

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，采用双层桥架，一层敷设动力桥架，一层敷设现场总线；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。

三、距离与速率设置的不匹配。

现场总线的传输速率与距离的关系。如表：1

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。在四川三鑫烟草有限责任公司的预处理段网络由主控PLC（S7-400）、18个I/O箱、两台核子称、3台水分仪、一套加酶系统、3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。

四、元器件的不稳定性。

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，一台西门子MM440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。

五、周围的环境。

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。

六、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。如表：2

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。

七、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TAP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。接头每次停机都要进行检查，但是并不是检查后就可以完全消除噪音。

八、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，虽然可以完全依靠就地来完成功能调节，却无法让运行人员监视到全系统运行状况，按照热控的检修标准在控制系统机组主要运行参数的监视就应该停止机组运行，所以要想达到安全的目的，冗余设计是很有必要的。 

九、结束语

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
《RS485数据总线雷击落过压防护》http://www.cnbew.com/Article_Show.as、p?ArticleID=393
《建筑物防雷设计规范》 GBJ50057-94
《S7-400，M7-400可编程序控制器硬件和安装手册》
《现场总线在电厂中应用注意的问题》
http://a.gongkong.com/exhibit/lunwen/more_paper.asp?type=paper&page=9
《可编程控制器》黄明琪 冯济缨 王福平 重庆大学出版社