现场总线PROFIBUS应用及现场总线干扰探索

摘 要： PROFIBUS是目前国际上通用的现场总线标准之一，广泛应用于分布式I/O设备、传动装置、PLC和基于PC（个人计算机）的自动化系统。随着国内石油钻机制造技术进步，电动钻机的普及，PROFIBUS在电动钻机传动控制中有着广泛应用。但在石油钻井恶劣工作条件下，通讯干扰成为困扰PROFIBUS应用的难点。通过对石油电动钻机运行中典型通讯干扰故障分析，结合电磁屏蔽原理，根据石油钻探现场情况，制定合理的预防干扰措施，解决干扰问题。

关键词： PROFIBUS；电磁屏蔽；通讯干扰

【中图分类号】 TN915 【文献标识码】 A【文章编号】 2236-1879（2018）04-0192-01

1.PROFIBUS介绍

PROFIBUS，是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。PROFIBUS传送速度可在 9.6kbaud～12Mbaud范围内选择且当总线系统启动时，所有连接到总线上的装置应该被设成相同的速度。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是一种用于工厂自动化车间级監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作为业界应用最广泛的现场总线技术，除具有一般总线的优点外还有自身的特点，具体表现如下：

（1）最大传输信息长度为255B，最大数据长度为244B，典型长度为120B。

（2）网络拓扑为线型、树型或总线型，两端带有有源的总线终端电阻。

（3）传输速率取决于网络拓扑和总线长度，从9.6Kb/s到12Mb/s不等。

（4）站点数取决于信号特性，如对屏蔽双绞线，每段为32个站点（无转发器），最多127个站点带转发器。

（5）传输介质为屏蔽/非屏蔽双绞线或光纤。

（6）当用双绞线时，传输距离最长可达9.6km，用光纤时，最大传输长度为90km。

（7）传输技术为DP和FMS的RS-485传输、PA的IEC1158-2传输和光纤传输。

（8）采用单一的总线方位协议，包括主站之间的令牌传递与从站之间的主从方式。

（9）数据传输服务包括循环和非循环两类。

2.电动钻机典型通讯干扰故障

2.1故障现象。

故障现象：交流变频电动转盘（交流变频电机型号：YJ23，400v，600KW），正常停机后，重新启动，不能运转。从转盘变频器控制面板观察ready信号灯没有亮。此时系统工作在PLC状态下。判断变频器启动的始能信号没有到位。检测转盘惯刹、制动电阻温控装置及手轮零位，均正常。此时发现ready灯忽明忽暗，怀疑是通信干扰的问题将通信缆从线排中甩出7米后，转盘恢复正常运转。

2.2故障分析。

1.故障在通讯线从电缆槽中甩出后都得以解决，可以判断是通讯问题。在PROFIBUS-DP中，系统通过通讯缆进行信息交换并对设备的运转情况进行监视、根据负载变化和工作要求进行控制。

2.系统通讯是通过数字信号进行信息交换及控制。由0v与-5v高低电平的变化实现数字信号的传递。

3.对铺设电缆的电缆槽仔细观察发现，通讯线与动力电缆平行铺设距离较长相互缠绕，没有单独布线。

4.井场电气设备大部分工作电压为380V，并且通讯线走过的地方有大量的电器设备，易造成用电设备电磁干扰。这是造成干扰的重要因素。

2.3产生干扰的因素有三种：

1.地环流干扰。

在工业生产过程中实现监视和控制需要用到各种自动化仪表、控制系统和执行机构，它们之间的信号传输既有微弱到毫伏级、毫安级的小信号；有几十伏，甚至数千伏、数百安培的大信号；既有低频直流信号，也有高频脉冲信号等等。各种仪器设备根据要求和目的都需要接地，例如为了安全，机壳需要接大地；为了使电路正常工作，系统要有公共参考点；为了抑制干扰加屏蔽罩，屏蔽罩也需要接地.但是由于仪表和设备之间的参考点之间存在电势差（也就是各设备的共地点不同）因而形成“地环流”、“接地环路”问题。当环流很大时，会出现很高的共摸噪声电压，并通过分布参数耦合到信号线，或直接连接到电平信号线上，将产生很大的串模干扰，甚至损坏接口电路及设备。

2.自然干扰。

雷电是一种主要的自然干扰源，雷电产生的干扰可以传输到数千公里以外的地方。雷电干扰的时域波形是叠加在一窜随机脉冲背景上的一个大尖峰脉冲。宇宙噪声是电离辐射产生的，在一天中不断变化。太阳噪声则随着太阳活动情况剧烈变化。自然界噪声主要会对通信造成干扰 而雷电能量尖峰脉冲可以对很多设备造成损坏，应该加以避免或降低损坏程度，减少损失。

3.人为干扰。

电磁干扰产生的根本原因是导体中有电压或电流的变化，即较大的dv/dt di/dt.dv/dt或di/dt能够使导体产生电磁波辐射。凡是有电压电流突变的场合，肯定会有电磁干扰存在。

这三种干扰因素使得现场总线的通讯出现问题，影响了设备的正常使用，给井队生产带来了不便。

3.解决措施

3.1理论方法。

1.第一种方法： 使两接地点的电势相同（接地）。

在实际操作过程中，理想的情况是将电缆屏蔽层和现场设备的金属外壳连接起来，形成多次多点（很多仪表）接地，这种方法可用于要求实现最佳等电势接地的系统。但是当系统不能等电势接地时，如果不利条件导致屏蔽层电流产生，两个接地点之间的功频补偿电流就会损坏电缆，所以在不具备等电视屏蔽接地的情况下，建议连接电缆一端接地，而其它接地点则通过电容接地。

2.第二种方法：使用信号隔离器。

在各个过程环节中使用信号隔离器，断开过程环路，同时又不影响过程信号的正常传输，从而彻底解决地环路的问题。

3.2现场采用的预防解决措施。

1）使用PROFIBUS电缆和连接器，以免影响通讯网络通讯质量

2）在每一个段内不要超过32个设备（包括中继器、耦合器、OLM）

3）保障电缆长度和波特率是一致的，不要设置不适当的通讯速率

4）保障两端的终端电阻可靠连接

5）避免通讯线路出现大的弯曲，如90度等会严重影响通讯质量

6）避免通讯线路交叉

7）在系统安装之前确定电缆长度，不要拼接电缆

8）正确设置设备地址

9）避免短路和断路

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