Profibus现场总线的冗余结构优化及稳定性分析

Profibus现场总线的冗余结构优化及稳定性分析

马军

（江西大唐国际抚州发电有限责任公司江西抚州344128；）

摘要：当前工业现场广泛采用profibus现场总线的控制方式，而profibus现场总线的冗余结构通常采用的是双DP线路的冗余方式来保证设备的安全稳定运行，冗余结构的好坏直接关系到设备的稳定性能。本文结合传统的profibus现场总线的冗余结构，提出了一种新的冗余结构的思路，分析当前结构存在的缺点，同时提出优化后的冗余结构对设备带来的稳定性、可靠性的提高。为工业现场的控制提供稳定运行的基础。

关键词：现场总线；profibus；稳定性；优化；设计。

RedundancystructureoptimizationandstabilityanalysisofProfibusfieldbus

MAJun

（JiangxiDatangInternationalFuzhouPowerGenerationCo.，LTD，Fuzhou344000，China）

Abstract：TheProfibusfieldbuscontrolmethodiswidelyusedintheindustrialfieldatpresent.However，theredundancystructureofPROFIBUSfieldbususuallyadoptstheredundancywayofdoubleDPlinestoensurethesafeandstableoperationoftheequipment，andthequalityofredundancystructureisdirectlyrelatedtothestabilityperformanceoftheequipment.CombinedwiththeredundantstructureofthetraditionalPROFIBUSfieldbus，thispaperputsforwardanewideaofredundantstructure，analyzestheshortcomingsofthecurrentstructure，andputsforwardtheimprovementofreliabilityandreliabilitybroughtbytheoptimizedredundancystructure.Itprovidesastablebasisforthecontrolofindustrialsite.

Keywords：fieldbus；profibus；stability；optimization；design.

1前言

随着工业技术的不断发展，工业现场已经逐渐的信息化、方便化、稳定化。而现场总线控制系统（FCS，FieldbusControlSystem）在新环境下的工业领域掀起了一波热潮，这其中Profibus现场总线的应用极为广泛，无论是其稳定性还是高效性等方面都在同等控制领域发挥着巨大的价值。但是这种通讯方式的结构势必要被干扰、断线等综合性问题所顾忌，因此为了保证通讯介质的稳定性能，Profibus现场总线的物理层通常采用两路冗余的基于RS-485通讯协议的双绞线电路，用于保证设备在运行过程中的通讯稳定。

2冗余结构的profibus现场总线的原理分析

Profibus是现场总线国际标准IEC61158中的第3类，它是目前市场占有率最高的现场总线技术，Profibus包括FMS、DP、PA[1]，其中Profibus-DP通讯方式是最为广泛应用的一种。

2.1Profibus-DP现场总线的冗余结构

传统的Profibus-DP的冗余结构是通过现场总线的冗余主站连接就地支持两路冗余方式的设备[2]。设备本身一般是通过冗余的两块通讯板卡预留的外部接口与主站之间通过DP电缆进行连接，设备的通讯端口上都设置有进有出的接线端子，出线连接到下一个设备，同一网段中的若干设备连接完成后，由最后一个设备的出线端子回到总线柜内预先设计的终端电阻上，此处设计终端电阻的目的是为了使整个链路的通讯阻抗匹配，防止处于链路后面的设备通讯失真。以此方式使整个网段的设备形成一个通讯回路。

Profibus-DP现场总线的工作模式是由主站向从站发送数据请求，从站接收到主站的请求后对主站进行响应，当主从站都询问并回答后证明通讯已经正常，接下来就是从站向主站发送循环数据的过程。

这种冗余结构从传统的设计角度来考虑，完全没有问题，但是按照图1所示，假如工作现场在出现恶劣情况的事故导致中间设备冗余的两根DP电缆通讯电缆同时断掉后就会使得后面的设备完全和主站失去通讯的能力。按照整个网段挂接10个设备为例，中间第5个设备的两根出线DP电缆都断掉后，就会导致后面的5个设备全部通讯不上，完全失去控制，对设备的可靠性来讲存在很严重的影响。

2.2优化后的Profibus-DP现场总线的冗余结构

根据传统的Profibus-DP现场总线的冗余结构存在的隐患，根据Profibus现场总线的通讯原理，可以对现场总线的网段提出优化。

由于从站都必须要和主站有直接的物理连接才是能正常通讯的基础，而终端电阻只是在整个链路中起到通讯稳定的作用。因此按照设备的双路冗余通讯板卡的功能，可以将其中一路用DP电缆按照从设备1到设备10的顺序进行连接，而另一路则可以用DP电缆按照设备从10到设备1的顺序反向连接。这样做的好处就是在冗余结构正常工作的情况下，两路能同时和主站进行通讯，一旦出现上述的异常时，主站就可以同时从两头进行通讯。

但是这种结构仍有一点不能完善的就是在线路发生中断的瞬间，整个回路也失去了终端电阻，也就是说，整个网段不能保证通讯匹配。经实验，若整个网段链路的DP电缆的距离在200米以内，就不会出现设备离线的情况，可能靠后面的设备由于通讯距离的影响导致通讯效果会变差，但是不影响正常工作。与此同时，由于现在的Profibus-DP设备的内部都配有终端电阻，在发生异常情况的时候，立即将原来中间的两个设备（故障后变为末端设备）的终端电阻拨到ON位，就能保证回路又能正常工作。

优化后的冗余结构无论是在稳定性还是安全性能上都较传统的冗余结构有了更进一步的提高，对于设备的长周期稳定运行奠定了良好的基础。

3、优化后的Profibus-DP结构的可靠性分析

当前的工业现场的控制方式已经朝着数字化、信息化、智能化大步的迈进，但是伴随着技术飞速发展的改革下潜在的是稳定性的问题，很多新的技术往往提出来很容易被，但是真正全面的运用到生产实际中去都需要很长的周期，任何理论都不能离开实际而孤立存在。

本文就是在先进的Profibus-DP现场总线的理论基础上，通过工业现场中遇到的实际问题提出了新的设想，目的是为了保证在新技术运用的大环境下，使稳定性能也能成为着重考虑的问题。

4、结束语

Profibus现场总线系统是技术发展的产物，目前虽然它在工业现场的应用非常广发，但由于新技术的发展必定是一个需要用时间来检验的成果，因此在研发人员设计的角度考虑到的问题并不是百分之百的充分，这就需要工业现场的技术人员通过不断的摸索，不断的提出新的设想去优化。毕竟工业自动化控制发展到今天已经数字化、信息化、高速化，都在追求效率的同时，更应该考虑稳定性、安全性，以求达到更好的状态。

参考文献：

[1]周志敏，纪爱华.Profibus总线系统设计与应用[M].中国电力出版社，2009：5-6

[2]火力发电厂现场总线设备安装技术导则[S].中国电力出版社，2013。