浅谈PROFIBUS工业网络的应用.docx
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浅谈PROFIBUS工业网络的应用
浅谈PROFIBUS工业网络的应用
（一）
近年来，随着工业自动控制、计算机、通信、工业网络等技术在汽车制造行业的广泛应用，我公司的信息管理平台不仅可以对生产经营信息进行实时处理，而且已逐步通过工业网络将生产流程和自动控制系统纳入到企业管理信息化平台，其中西门子（SIEMENS）公司PROFIBUS总线技术及产品在生产线中的大量采用，为公司管控一体化功能的实现提供了坚实的基础。
随着制造业自动化中分散化结构的广泛采用，原来集中安装在控制柜中的器件逐步分散安装到生产线上的各个工位的附近，这使得PROFIBUS现场总线在机器级和车间级应用日益广泛；现场总线实现了数字和模拟输入/输出模块、智能信号装置与可编程逻辑控制器（PLC）和PC之间的数据传输，把输入/输出模块分散到实际需要的工位附近，可节省大量的设备安装调试费用和维修成本。
由于PROFIBUS已成为国际开放标准，标准化的现场总线具有“开放”的通信接口、对用户“透明”的通信协议，可将不同制造厂商的PROFIBUS产品集成到一个控制系统中，现场总线PROFIBUS不仅能满足传感器/执行器领域的控制需求，同时也能满足生产过程中现场级控制数据交换的要求。
一、PROFIBUS工业网络简介
PROFIBUS定义了串行现场总线系统的技术和功能特征，利用该总线系统，可组网连接底层（传感器、执行器）的分布式数字可编程逻辑控制器和中间层执行层（单元级）设备。
PROFIBUS协议采用ISO/OSI网络参考模型的第一层（物理层）、第二层（数据链路层）和第七层（应用层）。
从用户角度看，PROFIBUS提供了DP、FMS、PA三种通信协议。
PROFIBUS总线可使用电气网络、光纤网络和红外线无线传输等传输介质进行实际工程组网。
在总线拓扑上可分为线型结构和树型结构。
1、PROFIBUS设备分为主站设备和从站设备
主站设备：
主站设备决定了总线上的数据流量。
一个主站如果具有总线访问授权，就可以发送消息而无需外部请求。
在PROFIBUS协议中，也称主站为主动站。
从站设备：
从站设备是低成本的I/O设备。
典型的从站设备是传感器、执行器和测量变送器。
它们不能分配总线访问授权，也就是说，它们只允许响应接收到的信息或在主站请求时给出响应消息。
从站也称为被动站。
它们只占用总线协议的一小部分。
因此，总线协议极其简单。
2、PROFIBUS的分类
按传输介质分：
电气网络、光纤网络、红外线无线传输；
按信息处理方法分：
数据通信、过程和现场通信。
3、传输速率
PROFIBUS总线的传输速率从9.6kbit/s－12Mbit/s,总线长度与传输速率相关，传输速率越高总线长度越短，越容易受到电磁干扰。
4、拓扑结构
线型结构：
所有的节点都只需要一个接口即可连接到总线上的称为线型结构，有时线型结构也称为总线结构，当然不是每个总线都具有线型结构。
树型结构：
PROFIBUS也使用树型结构。
树型结构也可以看作是不同长度以及不同类型的多个线型结构的串联。
连接单独线路的组件尤为重要。
如果所连接的组件类型相同，那么这些组件可以是简单的放大器（中继器）；但是如果使用的是不同类型的组件，那么连接组件也可以是转换器（路由器、网桥、网关等）。
树型结构的单独的“分支”也可以直接相互连接。
5、PROFIBUS－DP协议
PROFIBUSDP是主站和现场设备（DP从站）之间过程输入和过程输出数据进行传输的标准化接口。
DP主站和DP从站之间周期性地交换少量数据。
PROFIBUSDP是与标准EN50170Vol.2PROFIBUS一致的串行总线。
因此这种PROFIBUS协议（已经为快速数据交换进行了优化）特别适用于现场级的自动化系统和分布式I/O设备之间的通信。
紧凑型DP从站：
紧凑型DP从站使用一种不能更改的I/O结构。
西门子数字式ET200B系列（B代表BlockI/O）是该类DP从站的一个实例。
根据所需要的I/O通道数量和电压范围，可以在200B模块范围内选择合适的模块。
模块化DP从站：
对于模块化DP从站，其输入和输出区域的结构多种多样，并且可以在组态中定义。
西门子ET200M是该类DP从站的典型实例。
可以在ET200M的接口模块（IM153）上连接多达8块I/O模块（S7-300系列模块）。
智能DP从站（I-DP从站）：
能预处理信号的现场设备被称为“智能从站”。
在硬件配置期间就定义了其输入和输出区域的结构。
智能从站的一个特征是：
DP主站可以使用的从站输入和输出区域不能与实际的物理I/O设备一致，但是必须与由预处理CPU所虚拟的输入和输出区域一致。
6、FMS标准通信
PROFIBUSFMS（现场总线报文规范）提供了结构化数据（FMS协议）的传输服务。
FMS服务可以看作是ISO参考模型第七层的一部分。
允许在PROFIBUS上与不同公司的设备进行开放通信。
在FMS所提供的服务当中，通过FMS连接，可以完成FMS协议的读取、写入和信息发布服务。
数据接收由通信伙伴通过用户确认的方式进行确定，即远程通信伙伴上的应用程序已正确地接收到数据。
只能在PROFIBUS子网上进行使用FMS服务的数据传输。
FMS服务的自动重发和附加校验机制（第2层上各个字符的奇偶位及校验和）保证了非常高的数据完整性。
7、PROFIBUS－PA协议
PROFIBUS-PA是为过程处理而特别设计的，且允许把传感器/执行器连接到共享的现场总线电缆（也可以用于危险区域）。
PROFIBUS-PA在数据传输中使用了扩展的PROFIBUS-DP协议。
另外，还使用定义了现场设备响应特性的PA配置文件。
符合IEC61158-2（同步传输方法）的传输方法还保证了本质安全，以及通过总线给现场设备供电。
通过使用网段耦合器，PROFIBUS-PA设备可以轻松地集成到PROFIBUSDP网络中。
PROFIBUSPA可以用于实现单独的线型、树型和星型总线结构或混合结构系统。
在单一总线段上运行的节点数目依赖于所用的电源、总线节点的能耗、总线电缆和总线系统的扩展。
本质安全系统中的PROFIBUS-PA总线段可以连接多达10个节点；非本质安全系统可以处理多达32个站点。
此协议所使用的传输率是31.25kbits/s。
要增加系统的可靠性，可以使用冗余总线段。
使用网段耦合器或DP/PA链路，可以将PA总线段连接到PROFIBUSDP总线段上。
8、公司生产车间广泛使用的电气传输的PROFIBUS－DP
电气网络使用带屏蔽层的双绞线电缆。
RS485接口使用电压差分信号，所以它比电压或电流接口更抗干扰。
在PROFIBUS中，节点通过总线端子或总线连接器连接到总线（每个网段至多32个节点），一个网络上节点的最大数目限制在127个（其中0号站用于编程设备，1号站用于HMI）。
单独的网段通过RS485中继器连接到一起。
传输速率可以逐级从9.6kbit/s调整到1.5Mbit/s。
对于实时性要求极高的PROFIBUSDP应用，也可以采用符合IEC61158/EN50170的传输速率：
3、6和12Mbit/s。
最大网段长度取决于传输速率。
电气网络可以组态为线型（总线型）或树型拓扑结构。
为了保证PROFIBUS的正常可靠的工作，在总线的两端应安装终端电阻（阻值为220Ω），终端电阻分为有源终端电阻和无源终端电阻，对于无源终端电阻所连接的站必须始终通电，这样才能保证PROFIBUS工作正常。
如果需要扩展总线的长度或者PROFIBUS从站数大于32个时，就要加入RS485中继器，RS485中继器具有信号放大和再生功能，在一条PROFIBUS总线上最多可安装9个西门子RS485中继器。
中继器是一个有源的网络元件，本身在网络中也算做一个站点。
RS485中继器还可使网段之间相互实现电气隔离。
二、PROFIBUS网络的诊断
随着公司技改、技措项目的大量实施，采用PROFIBUS通讯方法的分布控制系统在企业中的应用越来越多，每个系统中PROFIBUS站点的数量和总线应用长度也不断增长。
在日常维修中只有掌握PROFIBUS网络的诊断技术才能迅速识别和纠正故障，把设备停机时间降到最低，保障企业生产的正常进行。
PROFIBUS的诊断方法主要分为过程诊断和系统诊断，过程诊断是在PLC外部采用诊断工具识别和修正总线故障（如西门子的BT200总线测试仪），系统诊断是在PLC系统（包括总线和人机界面）进行定位并修正故障。
1、使用西门子BT200 485总线测试仪测试PROFIBUS
BT200是一种对RS485物理层进行测试的检测工具，它不仅可测试电缆的情况，还可以测量从站的站地址。
BT200分为普通和专家两种测试模式，在普通模式下可检测出站点连接中断、接线反相、短路、AB相或屏蔽层断路、没有或多于2个终端电阻等信息；专家模式还可进行RS485接口测试、路径测试、网络距离测量和信号反射测试等功能。
站点测试：
将BT200连接到已通电的从站上，对于一个从站的RS485接口，可检测出485接口的好坏，还能测量实际总线电平（标准为5V）。
路径测量：
BT200可跨越中继器或光纤对整个网络进行测试，还可测出总线上的正常工作的从站数量和站地址。
距离测量：
BT200可测出PROFIBUS电缆的实际长度（测量误差0.5米，电缆较短时不能准确测量）。
2、使用带诊断功能的总线中继器对PROFIBUS网络进行在线诊断
诊断中继器用于在系统正常工作时进行线路诊断。
它作为一个RS485中继器集成在PROFIBUSDP网络中，并且具有线路诊断的强大功能。
诊断中继器可以检测出A或者B断线、信号线和屏蔽层之间发生短路、缺少总线终端电阻等电缆故障。
在STEP7中，可以使用COMPROFIBUS或者GSD文件将诊断中继器组态为一个标准从站。
3、用西门子STEP7软件进行网络诊断
在STEP7中的“HWconfig”中，使用菜单项“PLC－故障模块”在线打开可访问站的组态信息。
4、通过编程诊断PROFIBUS故障
对于分布式I/O，如果机架、子网或者站发生故障被PLC识别后，CPU（CPU315－2DP或S7－400）操作系统会调用OB86机架故障处理组织块，并且这些事件的发生和离去都会触发调用。
在OB86中编程可识别PROFIBUS总线是否发生故障，并可编程对产生的不同故障分类处理。
通过调用SFC13系统功能（读出从站诊断信息）诊断PROFIBUS，在OB1中调SFC13系统功能，可将从站诊断信息存入一个DB数据块中进行分析，识别故障从站地址。
CALLSFC13
REQ:
=TRUE/读请求
LADDR:
=W#16#3FE /从站诊断地址
RET_VAL:
=MW0/SFC13的输出参数
RECORD:
=P#db100.DBX0.0BYTE64/诊断数据目的数据块
BUSY:
=M2.0/SFC13运行状态
通过调用功能块FB125和功能FC125PROFIBUS－DP诊断块诊断PROFIBUS网络，功能块FB125不仅可诊断出哪个从站发生了错误和故障，还可检测有关从站错误或者故障的详细信息。
调用功能块FB125（包括相同的背景数据块编号和实际的用户操作数）必须在OB1、OB82和OB86中执行。
功能FC125是一个简化版本，只能给出“哪一个从站发生了错误或者故障”的信息。
使用该功能无法显示更详细信息。
功能FC125在组织块OB1调用。
可编程序控制器PLC已广泛应用于各行各业，尤其是电力系统某些独立的控制单元或者信号相对集中的系统，基本上都采用了PLC进行过程控制，运用它既可完成各种复杂的工艺流程，又简化了早期采用继电器控制的方式，而且可靠性也得到了极大的提高，但是在实际应用中也经常会出现一些故障，导致系统不能正常启动或者某一设备失控。
下面以阳城电厂6×350MW机组输煤专业的PLC控制系统为例进行故障排除分析。
1系统介绍
阳城电厂输煤系统采用了西门子S7-400系列的可编程序控制器PLC进行过程控制和数据采集，采用双机冷备配置方案。
通过profibus现场总线连接2个远程I/O站，总线为全双工网络冗余结构，通过冗余的通迅处理器和网络连接，中间加装RS485中继器进行信号放大，电源为热备用，采用双回路供电，加装UPS。
监控系统采用西门子工控机和基于Windows95的监控软件（WINCC），共2台上位机，其中一台作为控制使用；另一台作为报表并作为备用监控上位机。
PLC和上位机通过网络通讯，使运行状态及运行参数在CRT上实时显示出来，并对重要参数、报警信息、故障、操作运行等进行记录和打印。
运行人员可通过CRT画面对系统进行控制监视，也可运用键盘和鼠标完成系统或设备的启动、停止以及对运行参数的设定。
2系统中常见故障的分析与排除
2.1CP443通讯模块“stop”指示红灯亮
首先检查接线有无松动，如果接线良好，应检查CPU是否指示EXTF（外部故障），若由于程序事先设定的地址错误，可重新检查程序的硬件配置是否正确。
如果仍无法排除，再检查S7的通讯软件设计得是否正确，或通过更换模块的方法检查是否通讯模块本身故障。
2.2RS485中继器信号全部消失
如果RS485中继器信号全部消失，会造成信号传输中断，使主控室与各远程站失去联系，无法控制远程站的设备。
首先应检查DC24V电源供电是否正常，如果电源正常再检查RS485中继器的所有接线是否有松动。
2.3某一远程站失去信号
如果RS485中继器正常工作，而某一远程站在运行中突然失去信号，可能是该站的控制电源消失或CPU故障；如果该站的信号时有时无，则可能是控制电源引起的，可以从UPS电源和供电回路进行查找。
如果CPU模块上的指示灯显示INTF或EXTF，则表示内部故障或外部故障，INTF是指CPU本身或程序的问题引起。
如果程序已经调试正确，在运行中突然发生，解决的方法是将钥匙开关由RUN位置打至STOP位置，使CPU停止工作，然后再打至RUN的位置。
如果是EXTF，则是由于外部的控制系统引起的或者是本站的模块出现问题，也许是失电，也许是模块本身故障，在实际工作中多数是由于失电引起。
S7-400系列可编程序控制器的硬件基本上很可靠。
而且已调试正确的程序以及通讯地址不会变动，如果上述问题无法解决，可采用替换模块的方法查故障。
2.4上位机控制部分无法操作
引起这一现象的原因，可从上位机与PLC的通讯卡件、通讯电缆、通讯地址三方面查找。
实际工作中一般由于卡件松动或者接线松动引起的原因比较多，如果均已固定良好，就可能是卡件故障，可重新更换后进行调试。
2.5上位机和PLC无法远程操作某一设备
引起这一现象的原因应从两方面进行分析：
一是操作上是否满足工艺流程的要求（联锁/解锁方式），或者是该设备的启动和停止按钮没有复位，一直在保持状态，可重新点击后解决；二是从PLC的输出模块上查找，是否该设备的启动和停止信号一直保持（绿灯），导致设备无法正常操作。
假如要停止某台运行的设备，结果无法停止，而输出的信号模块上指示灯一直显示该设备运行。
解决的方法是：
若控制该设备启动的继电器一直吸合，无法断开，可更换继电器；如仍不能解决，可以将该站DC24V电源断开，重新合上查看是否正常（注意：
在重合过程中为防止设备突然再启动，必须确定该设备是否处于可运行的安全状态，否则不能用该方法），如果启动指示灯仍亮，该设备又重新启动，则可能是该模块上的输出点损坏，可以用更换板子的方法来解决。
2.6上位机方面的故障
由于上位机一直处于24h工作状态，故障记录、操作信息以及数据采集的工作量很大。
如果我们在最初设计时，所采用的故障、操作信息输出方式是电子文件，则该信息记录在计算机硬盘的存储区上，日积月累导致硬盘的剩余空间很小，结果计算机运行速度很慢，最后出现死机不能操作，只能关闭电源重新启动。
解决这一问题的方法有两种：
一是定期删除过期无用的信息，以便释放空间；二是将记录的信息由输出文件改为输出至打印机。
3结束语
在实际工作中，我们经常会遇到各种各样的故障，但是如果熟悉该系统的配置方案、控制方式，先从软件、操作方面解决，然后再从硬件的接线、电源上入手，采取逐一排除的方法，最后对确认不能解决的故障再采用替换硬件的方法，就能排除系统所有故障，从而确保安全生产。
摘要:
在大型工业自动化设备中，自动化元件往往都是通过Profibus总线进行连接。
如果现场设备很多或者相距很远的时候，现场总线就会受到干扰或者通讯信号减弱。
本文针对RS485中继器的拓扑功能进行阐述。
将该元件连接到现场总线中去，有利于总线抗干扰能力及信号的增强。
同时本文也列举了布线时所用到的屏蔽接地的方法。
关键词：
Profibus，RS485中继器，隔离，屏蔽接地
1．概述
现场总线技术主要是采用数字式通讯方式取代设备级的4-20mA（模拟量）/24VDC（开关量）信号，使用一根电缆连接所有现场设备。
按照Profibus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。
先了解一下总线传输长度与传输速率（波特率）的关系（见表1）及总线的拓扑结构（见图1），使用中继器可以延长通讯距离。
PROFIBUS支持总线型、树型和星型拓扑，在总线的开头和结尾必须有终端，一段最多有32个站组成。
波特率（kBit/s） 9.6 19.2 93.75 187.5 500 1500 12000
线长（m） 1200 1200 1200 1000 400 200 100
表1
图1
2．RS485中继器使用方法
下面介绍RS485中继器的相关知识，RS485中继器的具有网段的划分和网络的拓扑两种功能，首先还是介绍一下RS485中继器的面板：
图2
RS485中继器其中：
1）RS485中继器的电源端子。
其中“M5.2”是信号线“A、B”的“信号地”；
2）网段1和网段2的电缆屏蔽层接地；
3）网段1的信号线端子；
4）网段1的终端电阻设置；
5）网络开关，用于接通和断开网段1、2；
6）网段2的终端电阻设置；
7）网段2的信号线端子；
8）背板安装弹簧片；
9）用于PG/OP连接到网段1的接口；
10）LED24V电源指示灯；
11）网段1的工作指示LED；
12）网段2的工作指示LED；
注意:
M5.2用于信号电压测量时做为参考地，一般不接线。
2．1网段的划分
RS485中继器上下分为两个网段，其中A1/B1和A1’/B1‘是网段1的一个Profibus接口，A2/B2和A2’/B2‘是网段2的一个Profibus接口，PG/OP接口属于网段1；信号再生是在网段1和网段2之间实现的，同一网段内信号不能再生；两个网段之间是物理隔离的,因而RS485中继器除了扩展网段外，还有一个作用就是可以进行网络隔离。
2．2网络拓扑
A1/B1和A1’/B1‘其实是一个Profibus接口的进口/出口的接线端子，就像Profibus接头的进口/出口一样，因而也涉及到终端电阻的设置问题，这也往往是在使用过程中容易出现错误的地方。
2．2．1中继器做为终端设备的网络拓展
图3
在这个网络拓扑中，中继器连接了网段1和网段2，由于中继器内部是隔离的，因而作为网段1来讲，中继器就是该网段的一个终端设备，因而在网段1中，应该将Profibus网线接在A1/B1上，同时网段1的终端电阻设置为“On”；而网段2与网段1类似，也需要将电缆连接在A2/B2上，同时终端电阻设置为“On”。
由于在一个RS485物理网段中，只能够连接32个物理设备，但RS485中继器本身也是一个特殊的DP从站设备，在网段1和网段2中，都分别占用一个物理位置（但不用分配站号），因而实际在这两个网段中都只能再连接31个DP主站/从站设备。
这些都是物理连接上的限制,在STEP7组态中，网段1和网段2都属于同一个逻辑网络。
整个网络上从站的连接个数取决于DP主站的连接个数（包括RS485中继器、OLM等设备）。
中继器扩展的距离，假设1.5Mbps的波特率时，通讯距离为200米，则网段1从最远站到中继器网段1之间的距离为200米，而从中继器的网段2到最远站还可以再扩展200米，这样整个网络的距离为400米。
2．2．2中继器的一个网段作为中间设备的网络拓展
图4
该网络拓扑中，网段1仍是时正常的连接，但网段2不是网络终端设备了，而是网络中间的一个设备，此时终端电阻应当设置在“Off”，而网段2上的两个终端设备应分别设置终端电阻。
在这种网络拓扑中，网段1的连接方式和距离和上一种方式相同，但网段2的扩展距离是从网段2的左、右两个终端站点之间的距离（1.5Mbps时200米）。
2．2．3中继器在的两个网段内都作为中间设备的网络拓展
图5
此时，网段1和网段2都按照上一种拓扑中网段2的方式进行连接和拓展。
即终端电阻为“Off”，网段1的总长度为200米（1.5Mbps），网段2的总长度也为200米（1.5Mbps）。
两个网段之间是电气隔离的。
当网络中的终端站出现断电情况时，终端电阻也因无法得到电源而丢失（其实是电阻值发生变化），这将导致信号中断或者出现乱码，从而影响到另外一个网段甚至整个网络的通讯质量，因而建议可以将两个网段断开，这样可以避免网段之间的相互干扰。
3．屏蔽接地
3．1屏蔽接地介绍
为了减少电场的、磁场耦合，Profibus与其他电源电缆的骚扰源并行间距越长越好，Profibus可以与其他数据线、网线、屏蔽的模拟量电缆一起布线，如果是无屏蔽的电源线最小间距是200mm.
与不同类型的电缆必须交叉布线时，交叉角度最好为90度，减少线线间串扰，如果不能满足最小间距，也可以选择屏蔽保护，如带有隔离的电缆桥架。
在没有隔离的条件下，在一个电缆槽中应隔离，并将隔离金属板接地，如果与外部相连接，必须使用等电位导线相连接,Profibus线与等电位导线越近越好。
Profibus的屏蔽层要求多端大面积的接地以保证屏蔽层接地，使用Profibus接头可以避免“猪尾巴”现象,Profibus接头的屏蔽线必须良好接地，如果不需要Profibus接头的地方，也要保证屏蔽线良好接地。
所有标识接地符号的点都需要接地，电缆进入电气柜后应先连接屏蔽汇流排，而且尽量采用环型接地法，减少干扰电流流经PLC整体。
较远电气柜间Profibus的连接，为了避免地环流，应使用等电位导线连接，并将Profibus靠近等电位导线布线。
如果Profibus经过车间连接，除了使用等电位连接外，还需要对Profibus进行防雷保护。
3．2中继器的隔离接地
由于网段之间是隔离的,因而如果断开PE端时，可以将两个网段分别按照接地和不接地的两个网段进行连接操作。
图6
4．总结
使用RS485中继器可以使网络中从站数量增多，传输距离增长。
在实际使用时切记在布线时不能强拉硬拽PROFIBUS总线，以免出现硬伤总线受损，在接线时一定不能马虎，不要出现“猪尾巴”现象，这些都会导致总线通讯质量的下降，否则总线不可避免的出现时通时断现象，检查起来也很麻烦，严重影响正常的调试与生产。
在RS485三种网络拓扑方式中，中继器作为终端设备的网络拓展既总线型拓扑结构是最理想的使用方式。
用这种方式可以做到网段1和网段2的隔离，任何一个网段出现问题都不会影响另外一个网段。
其他两种方式都需要在终端设备上设置终端，如果终端设备出现故障，则可能导致整个网络上总线设备出现故障。
什么放在中间不可行？
什么意思？
RS485本来就是个中继器起到延长总线传送的距离，RS485中继器
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