Profibus_DP现场总线的工程应用
摘 要 Profibus_DP以其独特、开放的性能特点获得了众多厂商的支持，并在制造业得到了广泛的使用。本文通过在具体工程上的运用，探讨Profibus_DP的性能特点、运用、故障诊断等。
【关键词】Profibus 现场总线 PLC
随着制造业自动化和过程自动化中分散结构的迅速增长，现场总线的运用日益广泛，现场总线实现了数字和模拟模块、智能信号装置和过程调节装置与PLC和PC之间的数据传输，把I/O通道分散到实际需要的现场设备附近，从而使整个系统的工程费用、装配费用、硬件成本、设备调试和维修成本减少到最少。
Profibus是目前国际上通用的现场总线标准之一，符合国际标准，并以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，成为现场级通讯网络的最佳解决方案。其节点数已突破1000万个，在众多的现场总线领域遥遥领先。
1 Profibus_DP性能特点
ISO/OSI通信的标准模型由七层组成，一层到四层是数据从一个地方传输到另一个地方，五层到七层是给用户提供适当的方式访问数据。而PROFIBUS协议采用了第一层、第二层和第七层。
Profibus_DP在主站和从站之间采用轮询的通讯方式，支持高速的循环数据通信，主要应用于制造业自动化系统中现场级的通信。
PROFIBUS总线符合RS485标准，传输介质可以是屏蔽双绞线或光缆。特制的PROFIBUS总线电缆和总线的终端电阻相匹配，并有轴向电感以消除电容性负载引起的导线反射。PROFIBUS总线的传输速率从9.6kbit/s～12Mbit/s，总线的长度与传输速率相关，传输速率越高，支持的总线长度越短，越容易受到电磁干扰。最长可以达到1000m，但要牺牲速率为条件；最短只有100m（速率最快时）。PROFIBUS总线的总线连接器使用9针D型连接器，并通过连接器向下扩展。每个连接器都带有终端电阻，如果是总线的终端则把终端电阻拨上，否则不拨。站点总数最大为32个。如果总线长度和站点数需要扩展，可以加入中继器。加入中继器后的总线站点和长度可增加一倍，并使得两个不同的网段之间实现电气隔离。一条总线上最多可装设9个中继器。中继器本身也要占用一个站点。
每个终端电阻的阻值为220欧姆，每条总线两个终端电阻，即每条总线的阻值为110欧姆。
Profibus_DP在现场运用时，组态方便。在硬件组态时，可以对现场总线进行诊断，并可以通过编程软件对诊断信息进行解析，从而进一步确认故障所在。
2 运用实例
2.1 项目描述
以笔者所负责的梅钢3#LF自动化项目为例，分析探讨PROFIBUS-DP在具体工程中的运用。梅钢3#LF基础自动化采用了SIEMENS公司的自动化系统集成，由自动化控制站、远程站、操作终端、工程师工作站、交换机、打印机、网络电缆及相关的网路附件组成。控制单元PLC采用的是西门子S7-400系列。PLC通过现场总线完成对现场设备信号的采集，以及对现场设备控制指令的传送。该系统现场总线采用西门子传统的PROFIBUS现场总线，通过PROFIBUS-DP对ET200进行连接实现对现场的西门子远程I/O进行访问，以及支持该方式的现场设备（变频器、马达保护器、编码器等）也可以直接连接。还可以连接用于不同的PLC之间的总线交换数据的DP/DP COUPLER，还可以是智能型的从站S7-300等。上位机的编程软件和监控画面开发软件分别采用SIEMENS公司的STEP7、WINCC软件。
自动化控制站有本体PLC、上料系统PLC、电极控制PLC、喂丝机PLC（机电一体品），共五个自动化控制站。CPU采用S7-400系列的CPU416-3DP，PLC之间采用TCP/IP协议通过以太网通讯。每个PLC下设若干条现场总线，通过Profibus-DP通讯， 站点有远程ET200M、ET200S、智能电机保护器、变频器、智能型编码器、智能型仪表、DP耦合器等等。为了通讯的畅通快捷，在分配从站时，尽量把I/O远程站和变频器、智能电机保护器、智能仪表等分别从属于不同的通讯接口。
2.2 硬件组态
以本体PLC系统为例，其总线网络配置如图1所示。
图中红色线条为Profibus_DP总线，绿色线条为以太网，”R”为中继器。
在实例的组态中，由CPU作为主站的“ET200M”总线网络因为站点分布分散，总线长度超过200m，中间加入了中继器，使得总线长度延长。
中继器以及OLM等都是总线的传输介质，在配置PROFIBUS站和站之间的通信时不需要对以上这些网络元件进行组态，但PROFIBUS 信号经过这些网络元件再生后转换后，会有一些时间延迟，将会影响PROFIBUS总线的参数设置，如响应监视时间和轮询时间。
2.3 PROFIBUS-DP的诊断
在系统安装调试的初期，由于各种原因，DP网络可能不通。这时候我们就需要对网络进行诊断，以确定故障所在。
使用万用表的电阻档测量DP电气回路的阻值作为初步的判断。即在各个站点断电的情况下，通过测量DP连接器的第3、8号针，验证阻值是否为110Ω左右。因为每条DP总线的回路阻值总是终端电阻的一半。进而可以判断接线的正确与否。
还可以借助于一种专业的硬件诊断工具BT200。BT200是一种对RS485物理层检测的工具，操作简单方便，无需借助其它的诊断工具，而且功能强大。它不但可以测试接线的状态，而且可以测量站地址，显示电缆长度等。
但是在没有BT200或其他硬件工具的情况下，我们还可以通过编程器的编程软件STEP7对网络进行诊断。首先，完成硬件组态，并确认硬件的识别无误，组态完成后编译、下装。
（1）一是利用CP5611或CP5511或CP5613诊断。前提条件是必须有CP5611或CP5511或CP5613编程网卡，PC Adapter则不能实现。在控制面板中打开”Ser PG/PC Interface “，在弹出的对话框中根据计算机的总线类型选择网卡，选择访问点为S7ONLINE指向CP5611或CP5511或CP5613（PROFIBUS）。点击”Proporties”选择站地址，编程器站号缺省为0号站，延迟时间、设置的传输速率、总线行规要与所测网络一致。设置完毕后，点击”OK”，回到刚才的对话框，点击”Diagnostics”按钮，在弹出的对话框中的”PROFIBUS/MPI Network Diagnostics”标签中，点击”Test”按钮，将显示当前的网络状态；点击”Read”按钮，将列出所有的网络站点，其中选中的是主站，未选中的是从站。
（2）在STEP7软件的“HW Config”的界面下，点击图标，在弹出的对话框中查看诊断的信息，双击有故障的站点，在弹出的单个模块的信息中选择”DP Slave Diagnostics” 标签，可以看到故障的原因。双击CPU，选择”Diagnostics Buffer”标签，查看CPU中故障诊断区信息。
（3）使用通信处理器CP443-5进行诊断，CP具有在线诊断的功能。在STEP7软件的“HW Config”的界面下，双击CP443-5，在弹出的对话框中选择”Diagnostics”标签，选择”Run”按钮运行诊断功能，在弹出的窗口中点击图标 ，进行在线诊断。在窗口左侧选择”Modules”，可以在窗口右侧的信息栏中看到模块的具体信息，包括模块的在线路径、模块类型、版本号等。在”Diagnosttics buffer”中可以获得事件发生的时间、地点，从而为故障的查找和记录提供了方便。
（4）使用FB125诊断程序进行诊断。在程序中调用诊断程序可以判断状态中站点和模块的错误，检测从站故障（包括组态故障和站点丢失等），还具有通道诊断功能。FB125必须在OB1、OB82、OB86中调用。得到的诊断信息解析后可以获得一个详细的诊断结果，从故障站点、故障模块、故障通道等各方面逐步明确发生的故障，根据故障信息，找到故障原因，从而排除故障。
（5）部分中继器也带有诊断功能。前提是要把中继器看成一个总站在网络中组态，并赋予一个节点地址。在“HW Config”的界面下，在“Network Component”的目录下找到带诊断功能的中继器，插入硬件中。可以通过中继器上的指示灯来获得故障信息，也可以在Step7中监视网络的拓扑结构，查看缓存区中的故障信息。
3 总结
通过在工程中的具体运用，可以看出PROFIBUS是一个协议功能齐全，运用简单方便的总线。因为使用了总线，大量节省了施工时间，现场的电缆大量减少，调试时区域分明，故障诊断简单有效。
在PROFIBUS总线调试的过程中，发现很多总线故障是由于PROFIBUS总线接头接线不规范引起的总线故障，在使用了SIEMENS公司专用工具后，严格按照规范接线，大多数的总线故障都能解决。
在某些电磁干扰强的现场使用PROFIBUS，建议将PROFIBUS总线电缆全程穿钢管保护，必要时可适当降低通讯的速率来提高抗干扰能力，保证通讯的可靠畅通。也可以将电接口转换成光接口进行传输，以避免电磁干扰，延长传输距离。
每一条PROFIBUS总线的两端都有一个终端电阻，在实际运用时，作为”master”的CP主站一般运行稳定，而位于现场的领域终端电阻往往会检修或其它原因掉电，从而影响了整条PROFIBUS总线网络的通信中断。建议在每条总线的现场终端处增加一个有源终端，避免在正常运行时因为某一设备的故障引起网络的中断，继而影响正常生产。
参考文献
[1]Programming with STEP7 V5.4，SIMATIC Software Manual[CD].
[2]蒋慎言编著.连铸及炉外精炼自动化技术[M].北京：冶金工业出版社，2006（08）.
作者单位
上海梅山工业民用设计研究院有限公司 江苏省南京市 210039
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