【经验总结】Profibus总线常见诊断方法分析及干扰处理措施

Profibus是一种在工控领域应用广泛的重要的现场总线。

本文对于经常出现在Profibus网络中的问题，分析了其原因并给出了几种诊断方法，并对比了几种诊断方法优劣，总结了干扰预防处理措施。

20 世纪90 年代以来，信息工业4C 技术（Computer、Control、Communication、CRT）的高速发展，工业控制领域对控制范围和规模的不断扩大，对性能、信息量和实时性要求提高以及与控制、管理和决策相结合，现场总线技术随之而生，可以说现场总线是自动化发展的必然产物。

现场总线是指安装在过程控制区域的现场设备与控制区域的中央控制系统进行数字式、串行、多点信息交换的数据总线。总线协议是现场总线的核心所在，总线协议技术是系统的，有完整的硬件和软件支持，能够形成系统和产品，总线协议的标准化是实现开放、互操性的前提。现场总线遵循了统一的总线协议，实现双向数字通信，具有多种智能化功能，增加现场级的信息处理和控制能力，具有丰富的状态、诊断、参数信息。现场总线技术是控制系统由传统的集散型控制系统（DCS）向现代化的现场总线控制系统（FCS）不断发展渐进的支撑。

Profibus 现场总线

在现场总线技术发展中，Profibus 现场总线技术无疑是应用最为广泛的，它是由德国和欧洲公司为主的国际性组织所主导的。Profibus 总线协议通信模型参照ISO-OSI 标准用于信息通信的七层参考模型，并增添了面向用户的用户层，如图1 所示，Profibus-DP 将其简化为三层，仅定义第一层（物理层），第二层（数据链路层）和用户层。

图1 Profibus 对于OSI 模型的简化

Profibus 是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术，可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。Profibus 传输距离远速度快，数据安全性高，安装简单，使用方便易于调试。广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域自动化。Profibus 按照应用场合分为了Profibus-DP、Profibus-PA 和Profibus-FMS 3 个不同系列。FMS 的协议层行规较为繁琐，不能适应目前现场总线高速传输的要求，已渐渐退出了实际应用，现在应用最多的是DP 和PA这两种系列。

故障及其原因分析

在Profibus 总线网络的搭建和使用中，特别是在安装调试及现场总线控制系统运行中，由于一些安装配置或电磁干扰等原因，会使得Profibus 网络中断、通信性能下降、网络不稳定、站点丢失等故障。目前根据大量的现场实践经验得到，故障大致可以分为物理故障和网络逻辑故障。其中，大部分的故障是物理故障，主要是安装不规范，线缆布局及接口的问题较多，另外也时常有一些较复杂的瞬时故障发生。

物理故障主要有以下几点：

1. 线路及网络插头等引起的故障；

2. 电压电流剧烈变化、噪音干扰（共模差模干扰）、电磁干扰所引起的故障；

3. 通讯端口和模块引起的故障；

4. 中间件及耦合器等引起的故障。而网络逻辑故障主要有：① 硬件组态故障如波特率配置、站点模块组态等问题；② 通讯故障，功能块配置问题，在编程的时候功能块选用不当，有些信号需加延时处理等。

这里我们主要研究的是出现问题最多的物理故障。

首先，查明造成故障干扰的因素至关重要，以便于采取措施，对症下药。从硬件上，在存在大量用电设备的工程中，由于电气接线复杂、控制设备多、控制回路繁杂，很容易造成各线路之间的相互影响。各类电缆在桥架的走线布局不合理、接地不合规范、应当屏蔽的地方未做好屏蔽、通信线靠近大功率大电流设备都容易引起的Profibus 网络的故障。

   诊断方法   

随着现场总线发展，相应的总线故障问题种类也越来越多，问题往往都不容易找到，为了适应这样一种实际问题，随着时间推移产生了一些诊断方法。这些方法主要有：

1. 通过站点状态指示灯及万用表等简单工具排查：这种方法只能简单地排查Prof ibus 电缆是否连接，各站点是否连接，首尾终端电阻是否接入等，此方法只用作前期的初步检查。

2. 编程软件， 如西门子step7 软件及ABB Control Builder 编程软件，通过编程软件可清楚显示整个网络的拓扑结构和各站点的信息。网络状态信息可全面了解，便于故障定位。用作整体全局的故障检测，定位度不高，对于信号质量等不能诊断。图2 为编程软件的站点显示。

3. 诊断中继器及自带手持诊断设备：如西门子诊断中继器及诊断设备BT200，此类设备对整个总线网络有较为细致的检测功能，可准确排查线路AB 的反接， 短接， 短路，诊断中继器还可记录故障的时间原因，网络拓扑及出错地点。但这种检测局限性比较大，如BT200 大多用在总线布线阶段，在设备处于运行状态诊断有不小难度，诊断中继器长度需100m 以内，且需网络组态，对网络也有要求。

4. 一些抓包软件，如Amprolyzer，专用于底层数据的诊断，作为通信质量的评估软件。诊断功能较为单一，只用于通信质量，无线缆故障定位等功能。

5. 综合性的诊断工具，如德国Comsoft公司的NetTEST II 和Softing 公司的PBT-5设备。这种设备可系统化测试Profibus 网络，大多数的常见错误均可准确定位，这种综合性诊断工具都内置示波器功能，可清楚检测传输信号的通信质量，无论是在设备运行或调试阶段，均可使用非常方便无需组态，可记录检测数据生成报告。结合永久性检测工具可对网络进行永久监测，最大化减小用户工厂停机时间。NetTEST I I 诊断仪如图2所示。

通过比较各种诊断方法，这些诊断方法适用的地方及检测的功能均不一样，作为综合性的诊断工具，功能完善，成本相对要高一些，但能有效排查现场Profibus 网络故障，保证正常生产需要，有条件的工厂可选择综合性的诊断工具，提高企业效益。表一为几种诊断方法比较，可以看到综合诊断工具功能更全面强大。

表1 几种诊断方法比较

   干扰处理   

在工程项目现场应根据现场实际情况，综合解决各类干扰。首先是要做好电缆布线和屏蔽工作， 控制电缆和各种类信号线之间必须做好屏蔽，控制电缆需单独放置，Profibus-DP 总线双绞线在桥架布置上避免与其他信号线、控制电缆及高电压动力电力电缆相同线路，避免容错，最大限度减少干扰源，在接线的时候，要把屏蔽层接好，留出适当长度的屏蔽层，避免与里面的电线接触。

其次，良好的接地是现场总线防干扰的重要措施。“地”，一般选取零电位作为参考点，接地即是在两接触节点之间建立通路，将用电设备则连接到“地”。接地的主要目的是为了保护人、设备的安全以及减弱电磁干扰等。注意通讯接口的固定也非常重要。除接地外，其他设备电源和电缆对通信信号的影响也很大，在有条件的情况下应选用隔离性能好的设备及电源，尽量隔离布线。另外针对模拟信号的干扰大量使用模拟信号隔离器（也称信号变送器）以抵抗干扰，信号隔离器对各种模拟量信号进行电源、输入、输出三线隔离并调理信号，使信号干扰大大减小。正因为其拥有的超强抗干扰能力，加装信号隔离器成为自动化控制系统的常用方法，现场应用也非常广泛。

Prof ibus 总线网络因其诸多优点成为非常重要的现场总线标准，同时也得到了广泛应用，随之而来的是在安装调试及现场运行时各种网络故障的产生。有些故障十分复杂，不易排查，应根据故障特点，选用合适的诊断方法及工具进行分析诊断，快速定位故障，尽快处理故障，缩短调试时间或减小停机时间，增加工厂效益。

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本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2019年01-02月刊《技术文章》栏目，原标题为：Profibus 总线诊断方法分析及干扰处理措施

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