分析Profibus通信稳定性及故障快速排查

任伟　边松涛

摘要：Profibus是工业控制领域中的主流现场总线标准，但故障率高，较难维护。本文就对Profibus通信稳定性及故障快速排查有关内容进行分析，以供参考。

关键词：Profibus;通信;稳定性;故障;快速排查

一、Profibus传输技术

Profibus最常用的一种通信传输方式是RS-485传输，可以根据使用工况环境、设备运行可靠性影响和成本选择传输电缆，选择A类和B类两种通信电缆，A为屏蔽双绞线，B为普通双绞线。在网络布线时往往选用带屏蔽的双绞线，以提高总线的抗干扰能力。基本特征：网络拓扑有线型、树型和星型三种，两端有终端电阻;传输速率为9.6Kbit/s到12Mbit/s，电缆最大长度取决于传输速率;采用屏蔽双绞电缆，或者尽可能地采用光纤替代电缆;最好使用9针D型插头。传输速率（波特率）越高，传输距离就越短，系统抗干扰能力就越差;同时，在通信质量要求较高的场所，建议不要采用普通双绞线。

二、通信稳定性的影响因素

2.1Profibus总线连接器（DP头）

要求：安装规范，Profibus电缆屏蔽层长8mm左右，并保证屏蔽层压在压夹下，屏蔽层不能接触红绿线芯;最好采用用螺丝紧固的DP头。

2.2Profibus总线电缆

2.2.1安装

由于Profibus电缆的铜质线材的特性容易受到外部环境的影响。如果Profibus电缆与动力电缆在较长距离上并行敷设，动力电缆产生的电磁干扰，势必会进入Profibus电缆产生电容性和电感性干扰，干扰网络中的数据通信。为了避免这种情况，从最初铺设电缆时就应确保Profibus电缆和其他的电力电缆之间至少维持10cm间距，应当始终铺设在相互分离的电缆桥架内。

2.2.2屏蔽

由于外部环境所产生电磁干扰或者容性干扰可以通过Profibus电缆进入通信网络，那么Profibus电缆的屏蔽层与地电位之间的可靠连接显得非常重要，在日常应用中，通常必须将电缆屏蔽层的两端可靠接地，特别是在高频干扰环境中，这种方法可以提供较为有效的干扰抑制。如果在一个通信网络系统中，不能提供等电位连接，各个总线各站点之间存在电位差，势必会在Profibus电缆上产生等电位连接电流，电缆屏蔽中的等电位连接电流会大大降低信号屏蔽效果。那么最好只把电缆屏蔽层的一端接地。对于固定的总线站，建议在Profibus电缆进入控制柜时剥开电缆屏蔽，并使用合适的电缆夹将其连接至地电位。

2.2.3连接

Profibus电缆采用9芯Profibus总线连接器（DP头）进行总线站间的电缆互连。剥去Profibus电缆外皮至红绿线芯长20mm，屏蔽层长8mm左右，总线连接器与总线站连接，而总线连接器则与总线电缆连接。

2.2.4网络电阻

如果是连接在profibus网络上的站点内部通信模块或是节点的连接有短路或接地等的问题，就会改变整个网络的电阻特性，从而引起网络不稳定。

2.3终端电阻

终端电阻是在一条Profibus网络的两端，并联在通信线上的电阻。根据网络传输理论，终端电阻可以吸收网络上的干扰反射波，有效地增强通信电平信号强度。两个终端电阻并联后的电阻值应当基本等于Profibus电缆在通信频率上的特性阻抗，其作用是为了消除通信信号在通信电缆传输过程中的信号反射。

2.4传输速率

用Profibus诊断工具PB-T3对PM10智能MCC光纤网环MCS-DP304进行通讯测试，测试结果显示，网络的传输速率（波特率）越高，通信效果越差，系统抗干扰能力就越差。

三、Profibus网络检测分析

3.1总线电阻的检测

3.1.1断开终端电阻时总线电阻的检测

图1显示了在标准总线插头连接器上检测数据线是否反接的测试原理。这种测试要求总线电缆上装配的总线插头连接器未与总线站连接，并且在总线线路的总线插头连接器上也绝不能有任何总线终端电阻。要执行测试，需要两个单端9针Profibus网络连接器。辅助插头连接器1包含一个1针转换开关，其底板触点与具有插槽触点的9针Profibus网络连接器的屏蔽（外壳）相连，另外两个电路触点分别与针3（数据线B）与针8（数据线A）相连。

3.1.2有终端电阻时总线电阻的检测

如果在带有总线终端电阻测试时，先断开一类主站（PLC）的电源，用万用表的电阻档检测，那么检测到的网络静态电阻，应小于或等于110Ω。

3.2Profibus网络通信检测

在Profibus通信网络的维护过程中，往往要借助于较先进的检测工具。Profibus网络检测仪是一种对Profibus通信网络进行有效的检测、分析、诊断与系统维护的专业工具。除了能够自动检测网络通信波特率以及分析和识别网络中各个主、从站设备以外，还可判断Profibus总线中所有通信站点的信号质量，提供总线中信号状况的概览视图，并通过内置的有存储功能的示波器直观地显示物理信号的形态，以便于迅速地发现并纠正错误，指导维护人员对通信网络进行有的放矢的检查和维护处理。

四、通信故障快速排查方法

4.1拔萝卜法

当一条通信网络出现通信故障时，如果是智能抽屉控制柜的设备（站点），那么，采用“拔萝卜”的方式是个比较快捷找到故障点的方法。每个抽屉就像填埋在通信网络上的一个一个“萝卜”，出现故障时，将抽屉一个一个拔出来，使其脱开通信网络，直到不出现通信故障时，表示故障点就出现在这里，进行检查处理。

4.2步进法

在等分网络法将网络“分割”后，基本确定了故障点的范围，可能还有三五个站点，这时可以用“等分法”继续排查，但意义不是很大。这时可结合“步进法”，即将故障段站点按照距离PLC的远近顺序，将拨码开关逐个依次“ON”，步步为营，层层推进，直到找到故障点。

五、结语

总之，在实际中，由于造成通信故障的因素很多，故障现象千变万化。拔萝卜法、步进法只是通信故障快速排查方法的一小部分，在处理通信故障时，不能拘泥于这些方法中的某一种，而要多种方法交叉配合使用。

参考文獻

[1]PROFIBUS在工业应用中的抗干扰设计[J].范敏.科技视界.2019（03）

[2]浅析PROFIBUS-PA的基本原理及特性[J].周志敏.智慧工厂.2019（02）

作者介绍：

任伟（1972.01.31），性别：男;籍贯：江苏无锡;民族：汉;学历：硕士;职称：高工：研究方向：电气.