Profibus在远距离及高次谐波干扰情况下的设计应用

王文斌王瑾

（北方重工集团有限公司，沈阳 110141）

引言

近年来，随着生产车间自动化和过程自动化中分散化结构的迅速增长，现场总线系统的应用日益普遍，现场总线系统标准化的现场总线具有"开放"的通信接口，允许用户选用不同制造商生产的分散装置和现场设备，为重型机械产品中特别是新产品的集散控制系统的研制、设计、调试提供了极大的方便。

Profibus总线技术是德国西门子公司推出的开放型现场总线，可将西门子公司的产品与其它厂商的产品相连接，还可形成高速与远距离的应用组态 ，使其能够适应网络的多样性。我公司为国外配套生产的人造版生产线由于设备多而分散，并且分布距离远；同时生产线又有多台变频器运行，存在高次谐波的干扰。通过现场的规范施工和硬件的组态配置，不仅解决了安装布线等施工成本问题，也解决了在极端环境下不同设备厂商的设备集成、远距离通讯和高次谐波干扰问题。

1.人造板生产线的基本设备组成

按照人造板生产线的工艺流程可把设备分成以下几个工段：备料工段；热磨工段；调制胶工段；干燥工段；铺装预压工段；热压成型工段；砂光工段。设备的工艺性能要求对经热磨施胶后的纤维物料进行远距离干燥输送，设备的最远距离近300米，整个生产线有100多台电机分散布置。由设备的工艺性能决定了采用Profibus现场总线是非常理想的控制方式。

2.人造板生产线电气控制系统设计

2.1 控制系统设计的指导思想

由于现场施工情况复杂，很有可能导致项目的现场总线通讯上存在着一些隐患，如果不能及时发现和处理，将有可能导致系统出现通讯故障，从而影响整个系统的正常运行。鉴于此，为充分体现全集成自动化的现代控制技术，提高整个系统的抗干扰能力，使设备在满足生产线工艺的情况下，安全可靠的运行，是我们进行控制系统设计的指导思想。

2.2 控制系统的网络构建

按照人造板生产线设备的分布、生产工艺的要求，充分利用现场总线分布式控制的特性，电控系统以西门子S7-300 PLC为核心；考虑到人造板生产线粉尘较多以及高温湿热的施工环境，现场的分布式从站，选用了图尔克的FLDP模块，其防护等级达到IP67；系统中还配有多台西门子变频器，用来实现了人造板生产线工艺上的调速要求，变频器选用了Profibus CBP2通讯板，以方便集中进行变频装置的速度设定；这样用西门子公司的S7-300、ET200M、变频器与图尔克的FLDP一起构成了分布式的Profibus现场总线控制系统。

2.3 系统的硬件选型和组态

人造板生产线采用西门子PLC系统的主要模块如下：

电源模块：6ES7 307-1EA01-0AA0

CPU模块：6ES7 315-2AF03-0AB0

开入模块：6ES7 321-1BH01-0AA0

开出模块：6ES7 322-1BH01-0AA0

模入模块：6ES7 331-7KF02-0AB0

模出模块：6ES7 332-5HD01-0AB0

接口电缆：6ES7 368-3BB01-0AA0

导轨：6ES7 390-1AF30-0AA0

RS485中继器：6ES7 972-0AA01-0XA0

人造板生产线采用图尔克PLC系统的主要模块如下：

开入模块：FLDP-IM16-0001

开出模块：FLDP-OM16-0001

电源接插件：B4151-0/13.5

BS41151-0/13.5

总线接插件：BMWS8151-0/9

BMSWS8151-0/9

输入接插件：FSM4-1/1/S90

输出接插件：FSM5-1/1/S90

BS8141-0

BS8151-0

终端电阻：RSS4.5-PDP-TR

由于生产线设备较多，分布距离较远，根据现场设备的工艺分布，选用了两套S7-300，按照设备的工艺分布，铺装预压及以前各设备用一套S7-300，热压成型及以后各设备用一套S7-300，两套S7-300的硬件组态分别如图1和图2所示。

图1 铺装预压区系统的硬件组态

2.4 电控设备的组成

全线提供的电控设备包括：电控柜 18个；控制台5个；控制箱15个；分线盒19个，整个生产线装机容量约为1345kW。人造板生长线铺装预压区和热压成型区供电单线图分别如图3和图4所示。

图2 热压成型区系统的硬件组态

图3 铺装预压区供电单线图

图4 热压成型区供电单线图

3.控制系统初调时出现的问题

3.1 站点之间距离过远引起的问题

铺装预压部分的PLC按照图1组态并下载到PLC以后，S7-300的CPU上的BUSF灯报总线故障，通过STEP7软件在线诊断，距离较远的从站显示没有连接。把现场总线的波特率调整到19.2kbps之下时，远距离从站时有时无，通讯不稳定。

3.2 多台变频器启动后引起的问题

在铺装预压部分总共有五台西门子变频器，通过CBP2通讯板连接到现场总线。初期调试期间，当启动一台变频器时，Profibus总线通讯正常；当启动2台或2台以上变频器时，S7-300的CPU上的BUSF灯报总线故障。通过STEP7软件在线诊断，有一个从站丢失，显示无连接；当停掉所有变频器后，丢失的从站通讯又恢复正常。

4.故障的产生原因及解决措施

4.1 站点远距离通讯问题的解决措施

Profibus网络通讯的本质是RS485串口通讯，按照RS485串口通讯的规范，当网络中的硬件设备超过32个，或者波特率对应的网络通讯距离已经超出规定范围时，就应该使用RS485中继器来拓展网络连接。19.2kbps以下的现场总线的通讯波特率较低，并且通讯不稳定，不能满足系统的工艺要求，为此在距离较远的两个站点之间加入RS485中继器进行信号放大，并用作为网络终端站点，两个网段的终端电阻都应设置为"On"，如图5所示。

图5 中继器做为网络终端站点

加入RS485中继器进行信号放大后，现场总线的波特率为500kbps，总线通讯正常，完全满足工艺要求。

4.2 变频器高次谐波干扰的解决措施

通过停止变频器后，丢失的从站又恢复连接，现场总线通讯也恢复正常这一现象判断，是变频器的干扰引起现场总线的通讯故障。变频器主要由整流电路，逆变电路，控制电路组成，其中整流电路和逆变电路由电力电子器件组成，电力电子器件具有非线性特性，当变频器运行时，它要进行快速开关动作，因而产生高次谐波，这样变频器输出波形除基波外还含有大量高次谐波，高次谐波是变频器产生干扰的主要原因。

接地往往是抑制噪声和防止干扰的重要手段,良好的接地方式可在很大程度上抑制内部噪声的耦合,防止外部干扰的侵入,提高系统的抗干扰能力。接地的作用总的来说有两个：保护人员和设备不受损害叫保护接地；保障设备的正常运行的叫工作接地。为此，针对设备的安装施工采取如下措施：（1）设备现场有两个"地"，一个是保护接地，所有动力设备都要保护接地；另一个是屏蔽接地（工作接地），现场总线的屏蔽层接到屏蔽接地。（2）现场总线穿金属管，当管线太长时，金属管应多点接地。（3）屏蔽层接地点尽量远离变频器，并与变频器接地点分开。（4）通讯电缆在线槽内与动力电缆平行走线。在采取上述措施后，所有变频器即使同时启动，现场总线通讯依然正常，变频器的高次谐波干扰问题得到解决。

5.结论

只要严格按照Profibus的规范进行网络拓扑的设计、遵守布线规则、处理好系统的"地"与"接地"等，将在很大程度上避免总线网络使用中出现的各种问题。

[1]西门子有限公司.Profibus现场总线安装指导.2010,(08).

[2]西门子有限公司.工业通讯产品目录IK PI.2011.

[3]GB/T5226.1-1996标准.