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• PROFIBUS插头用于连接PROFIBUS电缆和PROFIBUS的站点（图8）。

  图8  PROFIBUS插头的使用

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  在PROFIBUS插头上，有一个进线孔（In）和一个出线孔（Out），分别连接至前一个站和后一个站。

  当各站点通过插头连接以及网线连接到网络上时，根据RS485串口通讯的规范，每个物理网段支持32个物理设备，且在物理网段终端的站点应该设置终端电阻防止浪涌保证通讯质量。而每个PROFIBUS插头上，都内置了终端电阻，需要是可以接入（On）和切除（Off）。当终端电阻设置为“On”时，表示一个物理网段的终结，因此连接在出线端口“Out”后面的网段的信号也将被中断。因此，在每个物理网段两个终端站点上的插头，需要将网线连接在进线口“In”，同时将终端电阻设置为“On”，而位于网段中间的站点，需要依次将网线连接在进线口“In”和出线口“Out”，同时将终端电阻设置为“Off”。（图9）

   

  图9  PROFIBUS插头的连接和设置

  需要注意的是，PROFIBUS插头有一种带编程口（PG口）的，建议至少每个网段的两个终端站点处的插头尽量使用带编程口的（见图8，左侧的插头），便于系统的诊断和维护。

  2.2.4      终端电阻

  PROFIBUS电缆的两端应该连接终端电阻。终端电阻是为了消除在通信电缆中的信号反射在通信过程中，有两种原因导致信号反射：阻抗不连续和阻抗不匹配。

  阻抗不连续：信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有（例如：短路）或者阻抗很大（例如：断线），信号在这个地方就会引起反射。这种信号反射的原理，与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的。消除这种反射的方法，就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻，使电缆的阻抗连续。由于信号在电缆上的传输是双向的，因此，在通讯电缆的另一端可跨接一个同样大小的终端电阻（图10）。

  图10 网络中的设备连接和终端电阻

   引起信号反射的另一个原因是数据收发器与传输电缆之间的阻抗不匹配。这种原因引起的反射，主要表现在通讯线路处在空闲方式时，整个网络数据混乱。

  在EIA RS-485中规定的端接电阻Rt是以下拉电阻Rd（与数据地DGND连接）和上拉电阻Ru（与正电压VP连接）做补充。当没有站进行传输（即空闲时间）时，这个补充迫使不同的状态电压（即导体间的电压）趋于一个确定值（图11）。

   

  图11  终端电阻的组成

  在一个物理网段中，但是如果终端和总线电缆阻抗不匹配，则**通讯距离会减少一半。

  因而，在一个物理网段中，应该保证在网络的两个终端各有一个终端电阻，不能增加也不能减少，否则我们的总线上的网线与终端电阻将会出现不匹配的问题。这就意味着，如果终端站点出现问题，则有可能会影响到整个网络的通讯质量，因而除了使用PROFIBUS connector上自带的终端电阻，西门子还提供了有源的终端电阻设备（图12）。

   

  图12 有源终端电阻

  有源终端电阻可以单独供电，安装在网段的两端，保证网段内任何一个设备出现问题，都不会影响网络的电阻匹配的问题。

  2.2.4      RS485中继器

  按照RS485串口通讯的规范，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。

  PROFIBUS通讯属于RS485通讯的一种，因而也遵循这样的原则，及如果网络中实际连接的硬件超过32个时，或者所对应的波特率超过一定的距离时（表3），则需要增加相应的RS485中继器来进行物理网段的扩展。

  由于RS485中继器本身将造成数据的延时，因而一般情况下，网络中的中继设备都不能超过3个，但西门子的PROFIBUS RS485中继器采用了特殊的技术，因而可以将中继器的个数增加到9个，即在一条物理网线上，**多可以串联9个西门子的RS485中继器（图10）。这样，网段的扩展距离将大大增加。

   

  图13 RS485中继器

  使用RS485中继器时，需要注意几个问题：

  1） 安装问题

  l  RS485中继器上下分为两个网段，其中A1/B1 和 A1’ / B1 ‘ 接口是网段1的一个PROFIBUS接口，A2/B2 和 A2’ / B2 ‘ 接口是网段2的一个PROFIBUS接口，PG/OP 接口属于网段1；

  l  信号放大是在网段1和网段2之间实现的，同一网段内信号不能放大；因而需要进行距离扩展的网络必须是接在网段2上；

  l  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。

  l  这两个网段是都是指物理网段，与STEP7硬件组态中所组态的PROFIBUS网络没有关系，不同的物理网段仍然可以属于同一个PROFIBUS逻辑网络。

  l  在网络拓扑中，RS485中继器也是一个信号收发设备，占一个物理设备的位置，但不需要分配站号，因而注意在物理连接站点时，每个网段所连接的从站数是小于32的。扩展的距离则对应于每个波特率的传输距离（表3）。

  2 ）终端电阻的设置问题

  由于两个接口分别属于不同的物理网段，因此中继器上终端电阻的设置往往比较容易混淆。

  ① 中继器做为终端设备的网络拓展

   

  图14  中继器做为网络终端站点

  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，因而做为网段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”。

  在这种网络中，上下两个网段中，**多都还可以连接31个从站设备。

  ②中继器在的两个网段内都做为中间设备的网络拓展

   

  图15  中继器在的两个网段内都做为中间设备的网络拓展

  此时，中继器的网段1和网段2都是网络中间的一个站点，即终端电阻为“Off”，网段1的总长度为200米（1.5M bps），网段2的总长度也为200米（1.5M bps）。两个网段之间是电气隔离的。

  3 ）隔离网段

  中继器除了具有信号放大、扩展网络的作用，还可以将不同的两个物理网段进行电气隔离，从而避免两个网段之间的EMC干扰。

   

  图16 隔离2个网段

  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。

  2.2.5      OLM和OBT

  除了电缆，PROFIBUS通讯还支持光纤做为传输介质，通过光纤连接的PROFIBUS网络具有网络距离远的特点，且光纤本身不受电、磁的影响，比较适合长距离、户外铺设和抗电磁兼容的环境。

  支持PROFIBUS光纤通讯的设备有OLM和OBT。其中OLM是做为主干网设备使用的，针对不同的网络拓扑，需要进行一定的拨码参数的设置；而OBT只是做为网络介质的转换。

  1) OLM (Optical link Module)

  OLM的拓扑结构一般有以下几种：

  l  点对点连接

  l  线性拓扑

  l  星形拓扑

  l  冗余光纤环网       

   

  图 17  OLM V4

  ① 线性拓扑

   

  图18 OLM的线性拓扑结构

  ②星形拓扑

   

  图19 OLM的星形拓扑结构

  ③OLM的冗余环网拓扑结构

   

  图20 冗余环网的拓扑结构

  在冗余环网的拓扑结构中，所有的OLM必须型号相同，且DIP开关的设置也相同。

  连接OLM的光纤即可以采用单模玻璃光纤，也可以选择多模塑料光纤，具体请参考光纤部分的介绍（表4）。

  2) OBT(Optical Bus Terminal)

   

  图21  OBT

          OBT仅仅做为介质转换的设备在网络中使用，不具有OLM的组网能力，一般只能使用塑料光纤（50米）和PCF光纤（300米）。

   

  图22 OBT在网络中的使用

  3 PROFIBUS 网络安装规范

  了解了PROFIBUS的各个网络器件，这里就PROFIBUS安装的注意事项进行介绍，同时会结合一些现场的实例加以说明。

  3.1网络拓扑的规则

  设计一条PROFIBUS网络，首先需要了解PROFIBUS网络的拓扑规则：

  ①    PROFIBUS网络是RS485串口通讯，半双工，支持光纤通讯；

  ②    每个网络理论上**多可连接127个物理站点，其中包括主站、从站以及中继设备；

  ③    网络的通讯波特率9.6kbps~12Mbps，通讯波特率与通讯的距离具有一定的对应关系（见表3）；

  ④    每个物理网段**多32个物理站点设备，物理网段两终端都需要设置终端电阻或使用有源终端电阻；

  ⑤    每个网段的通讯距离或者设备数如果超限，需要增加RS485中继器进行网络拓展，中继器**多可串联9个；

  ⑥    每个中继设备（RS485中继器、OLM）也做为网络中的一个物理站点，但没有站号；

  ⑦    网络支持多主站，但在同一网络中，不建议多于3个主站；

  ⑧    在Step7软件中进行PROFIBUS网络组态时，应当按照从小到大的顺序设置从站站号，且应该连续；

  ⑨    一般0是PG的地址，1～2为主站地址，126为某些从站默认的地址，127是广播地址，因而这些地址一般不再分配给从站，故DP从站**多可连接124个，站号设置一般为 3~125。

  ⑩    如果网络中涉及到分支电缆，则应注意分支电缆的长度应当严格遵守PROFIBUS的协议规定，比如：波特率1.5Mbps时，网段中分支电缆总长度6.6米（表5）。

  波特率 [kbit/s]	9.6	97.75	187.5	500	1500
  分支电缆 长度（m）	500	100	33	20	6.6

  ⑪     表5  波特率与分支电缆的长度对应表

  ⑫     用户如果使用了西门子的SIMOCODE 3UF7等产品时，就会涉及到网络中存在分支电缆的问题。为了保证每个网段的分支电缆不超过规定长度，一般可以在每个抽屉柜内设计一个中继器，进行物理网段的分割，同时还可以起到隔离干扰的作用。

  在进行PROFIBUS网络连接之前，首先应当考虑拓扑结构的设计是否有问题。如果拓扑结构有问题，将来网络通讯很可能出现问题。

  另外，从波特率与距离的对应关系中可以看到，波特率越高，则对应的通讯距离越近，因而如果现场遇到PROFIBUS的通讯有通讯不上或者通讯不稳定的情况，也可以考虑先将波特率降低，再进行观察处理。

  3.2  PROFIBUS网络安装的规则

  3.2.1 网络布线的规则

  ①选择标准PROFIBUS通讯电缆

  标准PROFIBUS通讯电缆的特性阻抗为150欧姆，这与PB头的终端电阻设置为“ON”时的终端电阻值刚好匹配，如果选择普通的电缆，其特性阻抗与终端电阻很可能不匹配，则通讯性能将会受到影响；

  标准的PROFIBUS电缆往往是双层屏蔽的，屏蔽效果比较好。另外，标准通讯电缆是双绞的，因而对于信号在电缆内传输时自身产生的干扰也能够起到自我抑制的作用。

  ②屏蔽层多点接地

  PROFIBUS电缆在插头内接线时，须将屏蔽层剥开，压在插头内的金属部分，该金属部分与当Sub-D插头外部的金属部分相连，当将插头插在CPU或者ET200M等设备的DP口上时，则通过设备连接到了安装底板，而安装底板一般是连接在柜壳上并接地的，从而实现了屏蔽层的接地。

   

  图23  PROFIBUS 插头内部接线即屏蔽层的处理

  由于接地有利于保护PLC设备以及DP通讯口，因此对于所有的PROFIBUS站点都要求进行接地处理，即“多点接地”。

  ③布线规则

• 不同电压等级的电缆分线槽布线

• 高电压，大电流的动力电缆，与小电压和小电流的电缆应该是分线槽布线，同时线槽应盖上盖板，尽量全封闭；如果现场无法分线槽布线，则将两类电缆尽量远离，中间加金属隔板进行隔离，同时金属线槽要做接地处理（图24）。

                              

  图24  电缆槽架以及电缆在线槽内的处理

   

  图25 现场布线

  电缆槽架之间也的连接应该保证用金属连接部件大面积连接处理，同时注意“接地”的连接。

   

  图26 电缆桥架之间的连接以及接地处理

• 通讯电缆单独在线槽外布线时，可根据情况采用穿金属管的方式，这样既可以保护通讯电缆不被损坏，对于防止EMC的干扰也有好处，但注意外部的金属管需要接地（图25）；

•  

  图27 现场的通讯电缆

  图26中的电缆通讯直接暴露在外面，很容易被压断，类似情况可考虑局部或者全部穿管。

• 通讯电缆与动力电缆避免长距离平行布线

• 由于平行布线的两根电缆之间需要考虑空间电容耦合，因此为了避免相互之间的影响，应避免平行布线（图27）。

   

  图28  通讯电缆在线槽内与动力电缆平行走线

  在图27中，通讯电缆不仅没有满足a. 或 b. 两条原则，反而与比较大的动力电缆平行布线，这会导致该电缆比较容易受到动力电缆的干扰。

  可以交叉布线：

   

  两根交叉布线的电缆相互之间不会因为容性耦合而产生干扰。

• 尽量将电缆贴近大面积的金属板（图29）

•  

  图29  通讯电缆贴近金属板

  通讯电缆应与大面积的金属板或“地平面”贴近。

• 通讯电缆过长时，不要形成环状（图30）

•  

  图30 通讯电缆形成环

  此时如果有磁力线从环中间穿过时，根据“右手定律”，容易产生干扰信号。

  在图30中，尽管背板是比较大的金属板，但由于项目已经完成，因而不存在电缆长度变化的可能，因此还是建议用户将过长的电缆剪短，放入柜内的电缆槽内。

• 通讯线连接的设备应做等电势连接

• PROFIBUS 连接的站点可能分布较广，为了保证通讯的质量，一般要求所有通讯站点都应该处于同一个电压等级上，即应当都是“等电势”的（图31）。

   

  图31 通讯站点之间应做“等电势”处理

  如果两个站点的“地”之间不等电势，则当两个设备分别各自接地时，将会在两个接地点之间产生电势差，此时电流会流过通讯电缆的屏蔽层，从而对通讯产生影响。因此应该在两个设备之间进行等电势的绑定。

  可以用等势线将两个设备的“地”进行连接，等势线的规格为：铜 6mm² ，铝 16mm²，钢 50mm² 。

  当然，这里不是要求所有的现场都需要增加额外的等势线而增加成本，只是建议在出现接地点电势不相等的情况时，如果影响到通讯，或者可能造成设备损坏，则应当想办法加以改进。

  如果由于接地点本身的原因造成了通讯不稳定，比如某个系统的“地”本身存在着很强的干扰，则在此处将屏蔽层接地反而会对PROFIBUS通讯造成影响，因而此时应该考虑首先处理好“地”，然后再将PROFIBUS屏蔽层接地。

  为现场设备提供一个良好的“地”以及进行正确的“接地”是提高EMC特性的前提（图32）。

   

  图32  系统进行良好的接地设计和实施

• 通讯线在电柜内的布线

• 通讯电缆在电柜内布线时，也应该遵循之前的原则，即远离干扰源。

  在柜内的走线应当进行精心的设计，尽量避免与高电压、大电流的电缆在同一线槽内走线（图33），同时，不要在柜内形成“环”，特别时避免将变频器等干扰源包围在                                                               

  图 33 通讯电缆与动力电缆在电柜内的受干扰情况

  3.2.2  通讯电缆的屏蔽层在电柜内的处理

  1) 首先是PROFIBUS插头，除了之前介绍的，需要将屏蔽层压在插头的金属部分外，还需要注意屏蔽层不要剥开的太长，否则会暴露在空间，成为容易受干扰的“天线”（图34）。

   

  图34 屏蔽层暴露在空间容易接收干扰

  2) 通讯电缆的屏蔽层在进/出电气柜时，都应该进行屏蔽层接地处理

  屏蔽层应该保证与接地铜排进行大面积的接触（图35）。

   

  图35  屏蔽层的接地

  通讯电缆在进/出电柜时，都应该将电缆的屏蔽层进行接地处理。这样避免外部的干扰信号进入电柜，同时也避免柜内产生的干扰对外部设备造成影响（图36）。

  

  图36 屏蔽层在柜内进行接地处理

  如果通讯电缆在柜内需要经过端子进行连接，则屏蔽层**在端子排的两侧分别进行连接（图37）。

   

  图37  通讯电缆通过端子连接时的屏蔽层处理

  而此时应当避免的做法是将屏蔽层剥开，拧成一根连接到端子（图38），这种方式在EMC领域有个名称叫做“猪尾巴”。

   

  图38 屏蔽电缆接头处的“猪尾巴效应”

  在现场的连接中，如果将屏蔽层剥开过长，则通讯电缆将有很长一段没有被屏蔽层“保护”，而屏蔽层拧成一根后将形成天线，更容易将干扰引入系统（图39）。

   

  图39 屏蔽电缆的“猪尾巴”连接

  3.2.3  过压保护

  如果使用场合存在过压的危险，请在柜外采用直埋电缆，同时在柜内、柜外的电缆上采用过压保护装置（图40）。

  如果存在雷击，请参照防雷设计标准进行防雷的设计。

   

  图40 过压保护装置

  3.2.4  减小变频器等干扰源设备对通讯的影响

  变频器等比较大功率的设备除了通过干扰电源、通过空间辐射干扰影响设备正常运行外，随着变频器等设备具有PROFIBUS通讯的能力，这些设备产生的干扰也有可能直接进入通讯系统，因而应该对变频器进行EMC的处理。

  首先是变频器的安装。在电柜内，尽量用镀锌底板替代喷漆底板做为安装背板（图41），以改善EMC特性。

           

  图41  使用镀锌安装底板代替喷漆底板

  变频器的出线，都应该进行相应的EMC处理，比如采用通讯电缆采用屏蔽电缆接地，动力电缆采用屏蔽电缆接地或者采用铁氧体磁环进行滤波处理等（图42）。

           

  图42  对变频器的电缆进行规范的EMC处理

  4 PROFIBUS诊断的常用工具

  PROFIBUS是一种抗干扰性比较强的现场总线，但不时还会发生一些故障。在处理故障的过程中我们发现，造成PROFIBUS通讯出现故障的原因，80％都是**简单的原因，比如：现场没有接地处理、布线时与动力电缆没有分开等等；因此为了避免PROFIBUS网络后期运行时出现故障，首先应该注意按照PROFIBUS的规范进行网络设计，同时严格遵守安装规范的要求进行现场施工。

  除此之外，现场诊断一般会使用到BT200和示波器等设备。BT200是西门子的提供的PROFIBUS网络诊断设备，可以进行网络距离检测，网络连接的质量的检查（比如断线、短路等等），常用于项目现场施工布线阶段；

   

  图43  BT200

  而示波器常常用于检测PROFIBUS通讯的波形，一般用于项目投产运行后进行网络通讯信号质量的检测。

   

  图43  示波器显示PROFIBUS信号受到干扰时的波形

  另外，STEP7等编程工具也可以做为网络诊断的一种工具。在STEP7软件中，提供了“在线诊断”的功能，可以实时的对PROFIBUS网络进行**直接的诊断。比如：哪些从站出现故障，可在STEP7的诊断缓冲区中直接得到故障信息，因此一般用于项目调试过程中以及项目运行过程中的网络诊断。

   

  图44  Step7在线诊断功能

  另外STEP7还提供了一些PROFIBUS的诊断功能块，比如FB125/FC125等，方便用户通过编程的方式在程序运行中诊断PROFIBUS网络中出现的故障，同时可将故障信息直接显示在上位机画面上。

  软件的诊断方式都支持到通道级的诊断。

  5 结束语      

  PROFIBUS总线的应用场合非常多，应用环境也各不相同，但只要严格按照PROFIBUS的规范进行网络拓扑的设计、遵守布线规则、处理好系统的“地”与“接地”等，将在很大程度上避免总线网络使用中出现的各种问题。因此，希望广大的用户在阅读本文的基础上，能够继续参照PROFIBUS的安装和使用手册来正确的应用PROFIBUS现场总线，保证PROFIBUS总线网络和整个自动化项目的正常运行。