PROFIBUS-DP现场总线技术的网络优化

毕延军，杨国新，宫林祥

1 前言

PROFIBUS是Process Field Bus的简称，是按ISO/OSI参考模型制订的现场总线标准[1]。目前该协议已应用的领域包括加工制造、过程控制和楼宇自动化等。中铝山东第二氧化铝厂在应用PROFIBUSDP现场总线通信协议中，由于安装布线不规范，加上现场维护手段不到位等情况，随着运行年限的增加，频繁出现ProfiBus总线设备掉线、闪断等故障，导致东区过滤工段控制网络故障停车事故。对PROFIBUS-DP总线网络进行优化，以达到减少总线网络故障、降低宕机时间、精简系统维护成本的目的。

2 现场检测

使用PROFIBUS通信诊断工具ProfiTrace对山东第二氧化铝厂东区过滤工段的PROFIBUS-DP网络进行详细检测。DP总线网络直线拓扑结构通信前、中、后取3个接入点，监测优化前差分信号波形见图1；DP总线网络直线拓扑结构通信前、中、后取3个接入点，第一行为A线对地信号波形，第二行为B线对地信号波形，上下对应监测AB线对地信号波形见图2；DP总线网络通信中间接入点，监测优化前节点电压值棒图见图3。

图1 优化前差分信号波形

图3 优化前节点电压值

从示波器波形显示中可以发现，不论是差分信号还是AB线对地信号，都与标准的PROFIBUS-DP波形相去甚远，信号波动剧烈，产生严重畸变。同时节点电压相比于标准的5 V电压值来说，存在普遍偏离的现象。

上述状态监测结果，证明网络通信质量较差，对生产的安全稳定运行带来较大的风险隐患，使得通信出现闪断，严重时会使网络设备误动作或设备跳停，妨碍正常生产运行。因此，为了提高系统的安全可靠性，必须对原有控制总线网络进行优化整改，解决已有的通信故障隐患。

3 PROFIBUS网络通信优化及效果

根据检测结果，提出PROFIBUS网络通信优化计划书，具体实施内容如下：1）召开项目调度会，明确工作的内容和相关工作的负责人；2）确认PROFIBUS-DP网络优化方案；3）在进行网络优化前，对原来的PROFIBUS-DP网络通信状况进行检测；4）PROFIBUS-DP网络通信线缆敷设满足该总线安装规范；5）新敷设的通信线缆因在动力线电缆槽中，特加装金属屏蔽软管，减少EMI干扰；6）设备安装，包含接插件和电源设备的安装和电源线的敷设；7）理顺PROFIBUS-DP网络线缆走向标注标识；8）对15台左右接线不规范的PROFIBUS-DP总线连接器重新进行连接；对原来劣化的5台PROFIBUS-DP总线连接器进行更换；9）对优化后的系统和设备进行上电单机联机调试。

3.1 网络拓扑结构优化

首先从控制系统总线网络拓扑结构上进行优化。控制系统原有的总线型拓扑结构为DCS系统PB总线通讯下挂30台ABB变频器，现使用带有分支功能的隔离中继器，将原来的直线型结构变为星型分支结构。优化后的网络拓扑结构如图4所示。

图4 优化后PB现场总线系统拓扑结构

3.2 安装与布线规范优化

网络改造之后，根据实际情况，需对原来部分设备进行更换，同时增加一批新的功能性设备。更换PROFIBUS-DP总线连接器进出线连接顺序15台，ABB变频器连接PROFIBUS-DP总线连接器30台。增加PROFIBUS-DP隔离优化修复模块1台，双电源有源终端电阻5台，24 V直流电源12台，空气开关12台，PROFIBUS-DP总线连接器36台，其中30台替换原连接器。

3.3 EMI屏蔽隔离

首先，将PROFIBUS-DP站点3楼的30台ABB变频器设备进行分段隔离透明传输，将原来的网络隔离为5路，避免了设备之间形成通信串扰，并对传输信号进行了修复；其次，依据DP安装与布线规范对新增电缆铺设走向、距离、折弯、屏蔽、接地做了处理。为了加强对干扰信号的屏蔽性能，新敷设的PROFIBUS-DP通信电缆全部穿金属软管，并单独敷设，使其远离动力线缆，改造完善了DP线路EMI屏蔽隔离，这样可以有效避免EMI干扰问题。此外，发现部分站点的进出线顺序不规范，对其通信线的进出顺序进行优化调整。

3.4 优化效果

对网络优化后整体的通信状况进行了DP总线网络通信任意接入点监测，优化后差分信号波形均为标准规范方波,如图5所示，其中方波上升沿和下降沿尖峰为测试工具ProfiTrace短接线造成，非系统本身干扰。

图5 优化后差分信号波形

从图5站点的通信波形发现，优化后原来图1网络中存在的各种故障波形全部消除，在整个系统范围内取任意测量点得到的通信波形都更加标准规范，符合正常通信质量要求，原来受到干扰引起的剧烈抖动也得到最大限度的修复。

从图3和图6优化前后节点电压值棒图对比也可以明显看出优化后各个节点电压值更稳定一致。优化后的站点通信电压明显比优化前有所提高，符合正常的通信值。正常的节点电压，更有助于对干扰的抑制作用，同时可以解决在传输过程中产生的信号衰减问题。

图6 优化后节点电压值

通过上述的对比可以看出，优化后的网络通信质量更好，站点的通信电压更标准稳定，符合PROFIBUS通信规范的要求，且网络抗干扰的能力更强，可以实现正常安全可靠高质量通信的目的。

3.5 后期维护

1）判断故障点。优化后网络分成了相互隔离透明传输的5个总线分支网段，在隔离修复器上每段都有独立的故障诊断灯。可根据故障灯的状态，判断该段是否有故障存在，这就极大地缩小了排故的范围；建议使用PROFIBUS故障在线检测模块COMBricks，可以远程对网络状态全面监测，可视化更加直观。

2）在线监测网络优化健康状态。具体措施：在隔离优化修复模块分支隔离网段通道上加装5台COMBricks在线监测模块；通过远程增设监控站进行在线实时监控各分支总线运行状态，实现远程智能维护；在远程增设监控站现场总线网络智能诊断系统FNIDS；室内加装空调，温度控制在25℃左右。

4 结语

通过对过滤工段的PROFIBUS-DP网络进行优化，消除了原来网络安装中存在的不规范问题，加强了总线系统的整体抗干扰性能。使用具有分支功能的隔离优化修复模块，不仅起到增强信号，隔离滤波透明传输的作用，同时网段上的划分使得网络结构更加清晰简洁。优化前过滤工段每月都有5、6次网络故障报警，优化后半年未发生网络故障报警事件，缩短了排故时间，降低了停机对企业造成的经济损失和事故发生概率。

［1］（德）韦格曼，基利恩.西门子PROFIBUS工业通信指南［M］.北京：人民邮电出版社，2007.