刘斌

[摘 要]现场总线（Fieldbus）是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。由于现场总线简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，因而受到了广泛关注并应用到工业现场实际。本文通过总线技术在自动控制系统中的应用，对现场总线技术的施工要求、现场施工存在的问题及处理措施进行归纳总结。

[关键词]现场总线 施工 DP总线 FF总线

中图分类号：TP336 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）13-0087-02

前言

在工程建设中现场总线技术实现数字化电厂控制方案，该技术较常规机组而言施工安装要求较高，设备调试技术性强，许多技术人员及施工人员开始接触时由于对现场总线技术的了解程度不同，再加上现场施工情况复杂，因而导致现场安装不规范、工艺质量差，造成现场总线通讯上存在着一些隐患，如果不能及时发现和处理，将有可能导致系统出现通讯故障，从而影响整个系统的正常运行。

一、现场总线简介

现场总线是一个数字化的、串行、双向传输、多分支结构的通信网络系统，是用于工厂/车间仪表和控制设备的局域网。本文以艾默生的Ovation现场总线控制系统为例进行阐述，目前国内主要采用的是Profibus-DP和FF-H1现场总线协议，其中PROFIBUS DP数据传输速率9.6Kbps～12Mbps，FF-H1传输速率为31.25Kbps。整体网络拓扑结构示意图如下所示：

二、现场总线施工要求

2.1 总线电缆敷设

为确保总线线路通信正常，总线电缆除应与常规电缆一致的要求外，还要特别注意以下要求：

2.2.1 当通信电缆通过复杂电磁环境（如变频器等强干扰源）或离开桥架后应用金属套管保护。

2.2.2 进入控制柜的通信电缆避免在控制柜外与任何动力电缆平行。

2.2.3 站与站之间通信电缆不应出现中间断点。如果电缆长度不够，则应重新敷设；如果是该设备暂时未安装而无法接线，则应使用专用连接器临时接通，而不应简单地扭接。也可不截断通信电缆，留有余地后直接连接下一个总线设备。

2.2.4 带连接头的P通信电缆的敷设应使用保护套管将连接头进行保护以避免其损坏，未连接的光缆插头和插座应用保护罩进行防护。

2.2.5 通信电缆敷设余量不宜过长，不应形成环状。

2.2.6 任意两个相邻PROFIBUS DP从站间的DP电缆长度宜不小于1m。

2.2.7 在PROFIBUS DP网段中，当传输速率超过1.5Mbit/s时，任何分支线路（Spur Lines）都不应存在，在分支线路上不应使用终端电阻，扩展网络应尽量使用中继器，分支线路长度应按照表1的要求敷设。

2.2.8 在FF-H1网段中，网段总长度等于主干线与所有分支线的长度之和。

2.2.9 FF-H1网段中的分支线宜不超过30m，且每个分支线应只连接一个FF-H1设备。

2.2 总线电缆接线

标准PROFIBUS DP电缆

标准PROFIBUS DP电缆一般都是A类电缆，为屏蔽双绞电缆，其中数据线有两根：A-绿色和B-红色，电缆的外部包裹着编织网和铝箔两层屏蔽，最外面是紫色的外皮（图1）。

标准的FF-H1总线电缆其中数据线有两根：+橙色和-蓝色，电缆的外部包裹着铝箔+85%覆盖率镀锡铜丝编织屏蔽，最外面是橙色的阻燃PVC或者PUR（图2）。

电缆接线是安装工序中最重要的一环，接线质量的好坏直接关系到整个系统的安全稳定运行。现场总线电缆接线相对于常规电缆接线施工要求更高，需要我们在施工过程中特别注意以下几个方面的要求：

2.2.1 现场总线网段对绝缘要求高，为了防止总线回路受潮，应采用IP65防护等级接线箱。电缆穿入接线箱时可使用防爆电缆密封接头。可采用总线专用端子块与各总线设备连接，每个总线专用端子块具有短路保护作用。

2.2.2 在FF现场总线设备上，支线电缆的设备端屏蔽线应剪断，并要用绝缘带包好，不应与表壳接地螺丝连接。

2.2.3 如果干线电缆是多芯电缆，则不同总线网段的屏蔽线不应在接线箱内被互相连接在一起，也不应与总屏蔽线连在一起。

2.2.4 机柜、接线盒内无屏蔽的通信线不应与电源线缠绕，没有屏蔽的露出接线部分应尽量短，宜控制在5cm以内。

2.2.5 DP、FF总线电缆进入机柜时将电缆保护层剥去适当长度露出屏蔽层，注意不要破坏其屏蔽层，使用专用EMC电缆卡将其固定在机柜入口，确保其屏蔽层与入口铜排可靠连接。

2.2.6 应确保通信电缆不会被屏蔽接夹头所挤压变形，尽量避免屏蔽连接头有大的外力负荷。

2.2.7 通信电缆在机柜内布线时，应远离干扰源，应避免与高电压、大电流的电缆在同一线槽内走线，不宜在柜内形成“环”，应避免将变频器等干扰源包围在“环”内。

三、施工中典型通讯故障分析及处理

问题一：终端电阻问题

Profibus现场总线网络中，每个网段的末端必须安装匹配的有源终端电阻，且终端电阻不可多也不可少，终端电阻安装的不合适会导致通信信号的反射，造成信号不稳定，终端电阻的阻值应为220Ω，由于首尾均有终端电阻，所以回路中阻值应为110Ω。无源的终端电阻相当于没有安装，所以现场连接现场总线网络时通常在总线末端安装独立的有源终端，而不采用末端设备自身的终端电阻，其目的是防止更换末端设备时，使总线失去终端电阻而导致整条总线通信不稳。

处理措施：

1.检查每个网段终端电阻是否安装；（如果网段末端回DCS机柜，终端电阻安装在DCS控制柜内；如果网段末端在现场侧，应布置总线通讯箱，终端电阻布置在通讯箱内）；

2.检查终端电阻是否通电；

问题二：数据线接线问题

①总线电缆连接设备时，如果两路双绞线出现交叉或连接不稳，虽然可与主站通信但是会导致系统的抗干扰能力下降，在现场使用时，遇到干扰就容易造成设备通信不稳。②Profibus两设备之间连接的数据线长度应大于1m，连接的数据线过短和弯曲度过小（有可能导致线缆受损）都有可能造成通信不稳。

处理措施：

1.施工人员在接线过程中应仔细校线，正、负严格按照颜色标识区分接线。

2.敷设时应保证电缆的最小弯曲半径，DP总线网段如果有主辅网络，应将A、B网段标识清楚。

3.就地设备如未采用专用接头，接线时电缆头采用针式铜鼻子压接牢固。

4.采用总线电缆专用剥线工具剥头，要多长剥多长，不允许金属纤芯过多裸露。

5.接线完成后，如网段内设备的实际接线顺序和设计有调整，应按照实际连接顺序做好标记。以便通讯地址的正确设置和后期的运行检修。

问题三：通信距离过长

Profibus现场总线网络根据不同的波特率可实现的数据传输距离也不一样，波特率与网段长度如（表2）：

目前现场最常用的Profibus-DP网段速率为500K，根据表格每个网段最大支持长度为400m，通过中继器扩展网段最大网络支持2000m，如果现场连接设备时，网段长度超过规定值，则会导致信号衰减，造成设备通信不稳，有时甚至通信不上。

处理措施：

1.在施工前，技术人员及施工负责人应对网段内所有设备的具体位置进行确认，对线路的走向进行优化，确保整个网段在最合理的长度范围内。

2.若设备与主站距离过长不可避免，应及时采用中继器扩展网络长度。

问题四：设备接地和数据线屏蔽接地没有安装到位

现场总线网络中设备接地和数据线屏蔽接地对于设备通信的稳定至关重要，Profibus-DP网络中采用设备多点接地方式，即每台设备数据线的屏蔽层应与设备的接地片连通，并且设备直接接地。FF-H1现场总线的通信电缆，屏蔽层的接地方式为单点接地。总线设备没有接地或接地错误会导致干扰信号串进总线网络中，使得设备与主站通信不稳。

处理措施：现场施工人员在接线过程中应严格按照如下原则进行：

采用FF-H1现场总线的通信电缆，屏蔽层的接地方式应满足如下要求：

a）连接现场总线仪表的通信电缆，屏蔽层应浮空，不应与仪表地线或者机壳相连。

b）接至接线盒的通信电缆，屏蔽层应连接至接线盒的相应端子。

c）接线盒到总线电源之间，应正确连接通信线，并分别在两端连接屏蔽线。

d）在总线电源处，屏蔽层汇入机柜地线，实现单点接地。

e）在网络中的任何一处，不应将通信双绞线中的任一根导线与地连接。

f）仪表安全接地，应采用独立的导线。

g）如果多根主干线电缆引入现场接线盒，电缆屏蔽线不应相连。

h）同一总线网段，其屏蔽层应连通，宜在控制柜或通信箱侧单点接地。防爆区域的接地屏蔽应符合防爆相关标准。

采用PROFIBUS DP现场总线的通信电缆，屏蔽层的接地方式应满足如下要求：

a）PROFIBUS DP通信网络宜采用等电位接地。

b）系统各部件之间的等电位连接应使用铜质电缆或镀锌接地条。等电位连接的电缆或者接地条应与Profibus电缆尽可能的接近，其材质与截面积要求如下：

铜材质 6 mm2；铝材质 16 mm2；钢材质 50 mm2；

c）等电位接地宜与具有大面积的接地端连接。

d）系统内所有PROFIBUS设备的接地端以及PROFIBUS电缆的金属线槽都要与等电位接地系统连接。

e）金属电缆支架的各个部分彼此连接并尽量多的与等电位连接系统相连。

f）PROFIBUS通信电缆屏蔽层应在控制柜入口与等电位连接。安装时，注意不应破坏电缆屏蔽层的铜网，也不应拖拽安装好的PROFIBUS电缆，在屏蔽层接线处的上下两端都应加装固定装置。

g）对于DP总线网段，电缆屏蔽层应连接每个设备的屏蔽地。

h）等电位连接的电缆或者接地条本身应采取防腐蚀措施（可以镀锌，在连接处应使用防腐蚀漆），但它与 DP总线接触的地方应保证良好短接，不应绝缘。

问题五：数据线与动力线距离太近或长距离平行布线

Profibus现场总线的数据线理论上应于动力电缆保持20厘米以上的距离，如果距离太近，可能导致动力电缆干扰到总线的数据通信，特别是在设备操作时，干扰尤为明显。当长距离布线时，尽可能让电缆交叉，以免因为容性耦合而产生干扰。

处理措施：

1.在桥架内敷设时严格按照分层敷设的原则，即桥架从上到下依次为高压动力电缆、低压动力电缆、控制电缆、通讯电缆。

2.敷设前对整个网段路径做好策划，对有高压动力电缆或者干扰源（如变频器等强干扰源）的区域进行避让。

3.在电缆桥架内敷设时，宜加装总线电缆专用小槽盒。在就地分支槽盒内敷设时，如不可避免与电力电缆平行敷设时，应加装隔板分开敷设。

问题七：设备通信板供电不足

设备的通信板电压会影响到总线的通信质量，设备数据线之间的电压不应低于2.5V。

处理措施：总线上每台设备的供电情况可通过ProfiTrace总线分析工具对电压进行查看，若发现电压过低的设备应及时检查设备的供电来源。

四、小结

现场总线技术由于它节省投资，简化安装、调试工作，提高运行、维护效率等一系列的优点越来越多的应用到火力发电厂控制系统中，因此真正的数字化电厂正朝着现场总线控制技术发展，这对我们施工提出了更高的要求。我们只有在过程中不断学习，不断总结提高，才能高效、优质地完成各项工作。