PROFIBUSDPRS485用户安装指南.docx
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PROFIBUSDPRS485用户安装指南
PROFIBUSDPRS-485用户安装指南
1引言
本指南适用于PROFIBUSDP（和以前的PROFIBUS-FMS）系统。
它描述安装PROFIBUSDP系统时应遵循的、已经在实践中得到证明是有效的公用规程。
然而，还必需遵循现场总线设备供应商规定的安装指示以及符合相关安全规则。
本指南不适用于PROFIBUS-PA。
PROFIBUS-PA是本质安全系统，其安装指南适用于有爆炸危险区域的安装。
为了桥接较长距离和在大范围内应用（电隔离，雷击），建议使用光纤光导电缆进行数据传输。
以下的安装指南仅适用于使用铜质电缆（RS485）进行数据传输。
此外，郑重建议PROFIBUS设备操作人员最好使用已通过PROFIBUS用户组织认证的现场总线设备及元件。
已经认证的产品通过了专家们执行的广泛测试，证明了在与其它制造商的PROFIBUS设备联合工作时，它们与PROFIBUS标准（IEC61158-类型3）的符合性。
PROFIBUSDP的数据传输是基于RS485标准的。
PROFIBUS-DP使用的相关特性在PROFIBUS标准的有关部分中进行了描述，并在以后的实际例子中表现出来。
为了完整性的缘故，还简要描述了使用光纤光导电缆进行数据传输（其细节见有关章节）。
（注：
EIARS485=电子技术联合会，多点接口）
2规划设计PROFIBUS安装
在规划设计安装时，除了主要由每台机器和现场总线设备的位置所决定的安装和构造因素外，还必须遵循PROFIBUS标准所描述的PROFIBUS设备的物理规则。
2.1通用信息
表2-1中，列出了有关PROFIBUSDP安装的设备布置尺寸的通用信息，包括装备设计者所用的重要参数。
正如PROFIBUSRS485规范所描述的那样，每一个总线网段最多可连接32台有源设备。
为了能够连接更大量的PROFIBUSDP站，则必需将总线分成若干个网段。
然后，每个网段可以使用具有放大和刷新数据信号能力的中继器来相互连接。
中继器也可用作总线网段或总线部分（section）的电隔离。
每一个中继器允许附加一个具有最大可允许电缆长度及最大现场总线设备数量（如表2-1）的总线网段来扩展PROFIBUSDP系统。
中继器增加了信号传播次数，在设计阶段，应考虑这一点
表2-1规划设计PROFIBUSDP安装的通用信息
参与用户数据交换的站的最大数量
DP：
126（地址从0..125）
每个网段站的最大数量，包括中继器
32
可用的数据传输速率，单位：
kbit/秒
9.6,19.2,45.45,93.75,187.5,500,1500,3000,6000,12000
串接的最大网段个数
根据PROFIBUS标准，任意两个站之间允许最多连接4个中继器。
在一些实例中，依照中继器类型及制造商，允许连接多于4台中继器。
查阅有关制造商的详细技术规范。
网段3
网段2
网段1
总线主站
M
R
S
R
S
S
S
S
S
S
带总线终端电阻的从站
无总线终端电阻的从站
图例：
图2-1PROFIBUS安装的分段
图2-1阐述了一个使用中继器的PROFIBUS安装实例的布局及分段。
可使用带有电隔离的中继器。
采用中继器可增加电缆长度和所连的站数。
如果数据速率≤ 93.75kbit/s，并且若所链接的部分构成一个链，并假定导线的横截面积为0.22mm2，则最大可允许的拓扑结构如下：
1个中继器：
2.4 km，62个站
2个中继器：
3.6 km，92个站
3个中继器：
4.8 km，122个站
用2个中继器的线性型总线拓扑，如图2-2所示：
图2-2在线性型总线拓扑中的中继器
在树型拓扑结构中，例如图2-3所示，可以用更多个中继器，并可连接多于122个站，如5个中继器和127个站。
这种拓扑结构可覆盖很大的一个区域，例如在数据率低于93.75kbit/s，导线横截面积为0.22mm2时，总线长度可达4.8km。
图2-3在树型拓扑中的中继器
2.2PROFIBUS第1层（物理层）
PROFIBUS第1层描述数据传输技术、总线连接器的针脚分配以及应遵照的技术参数。
还包含PROFIBUS-DP设备有关物理层的设计准则。
2.2.1PROFIBUS数据传输电缆类型的选择
根据应用，用户可以在电数据传输电缆和光纤数据传输电缆之间进行选择。
可使用以下数据电缆类型：
∙标准总线电缆
∙带有非卤素（halogen-free）外壳（类型FRNC）的标准总线电缆
∙带有光电护套（PEsheath）的电缆，用于食品及医药制造业（它完全不同于标准总线电缆的电缆护套）
∙直接掩埋的（buried）电缆，带有额外保护护套，用于铺设在地下
∙下垂（Trailing）电缆（这是一种特殊的电缆类型，用于机械偶然或间断移动的部分）
∙丝网（Festooned）电缆。
与下垂电缆相比，丝网电缆拥有额外的张力减轻元素。
在PROFIBUS标准中，规定总线电缆为“电缆类型A”，并且应遵守下表中的参数。
在PROFIBUS标准中所描述的电缆类型B，现已过时，不再使用。
表2-2示出了标准类型A总线电缆的参数。
表2-2总线电缆参数
参数
电缆类型A
特征阻抗（Ω）
工作容量（pF/米）
回路电阻（Ω/km）
芯线直径（mm）
芯线横截面积（mm²）
135...165，在频率为（3...20MHz）时
<30
<=110
>0.64*）
>0.34*）
*）所使用的电缆横截面积应当符合总线接口连接器的机械规格。
表2-3示出了标准类型A总线电缆所规定的电缆参数，它指出了在各别数据速率下每个总线网段的最大长度。
表2-3每个网段的最大电缆长度
数据传输速率（kbit/s）
9.6
19.2
45.45
93.75
187.5
500
1500
3000
6000
12000
最大网段长度（m）
1200
1200
1200
1200
1000
400
200
100
100
100
重点：
在PROFIBUS-DP安装中，必须选择一个与该总线连接的所有设备都支持的数据传输速率。
所选择的数据传输速率决定了如上所述的最大网段的长度。
在每一个PROFIBUSDP网络中，两个总线站之间的最大许可的距离可计算如下：
（NO_REP+1）*网段长度
NO_REP=串联连接的中继器的最大数量（依照中继器的类型）。
例子：
中继器制造商的规定允许串联9个中继器。
那么在1500kbit/秒的数据传输速率下，两总线站之间的最大距离如下：
（9+1）*200m=2000m
2.2.2总线短截线
应避免使用无源总线短截线（stub）。
与总线连接的编程和诊断设备，如在调试阶段，通常使用它们自身的电缆（起总线抽头（tap-off）电缆作用）来连接。
在这种情况下，应当使用有源总线抽头设备（如总线终端器，中继器，有源电缆等）。
总线终端器
总线终端器
诊断设备
图2-4使用有源总线终端/中继器将诊断设备连接到总线
2.2.3总线终端器
DGND（针脚5）
VP（针脚6）
B-线（针脚3）
A-线（针脚8）
390Ohm
220Ohm
390Ohm
为了最小化电缆反射并确保在数据线上所定义的噪声等级，在数据传输电缆的两端，必须使用如下连接的终端电阻器来终止：
图2-5PROFIBUS电缆的电缆终端器（9针D型连接器的针脚号）
2.2.4总线连接器及PROFIBUSDP接口
总线连接器用于总线电缆与PROFIUBS设备的连接。
总线连接器可使用各种保护等级以及机械设计。
主要依据PROFIBUS设备（如PC接口，PLC或特殊的现场总线设备）附近可使用的空间来决定连接器的选择。
PROFIBUS标准建议使用9针D型连接器。
依照所需的保护等级及现场总现设备的应用，也允许其他的连接器设计。
表2-4示出了9针D型连接器的针脚分配：
表2-4用于现场总线设备的9针D型连接器的针脚分配
针脚编号
信号
含义
1
屏蔽
屏蔽/功能地
2
M24
+24V输出电压的地
3
RxD/TxD-P*）
接收/发送数据–正（B线）
4
CNTR-P
中继器控制信号（方向控制），RTS信号
5
DGND*）
数据地（VP的参考电位）
6
VP*）
供电电压–正（P5V）
7
P24
+24V输出电压
8
RxD/TxD-N*）
接收/发送数据–负（A线）
9
CNTR-N
中继器控制信号（方向控制）
*）以粗体并标有星号的信号是必备的和必须提供的。
其他信号为任选的。
所有使用标准9针D型连接器的现场总线设备，除了向总线连接器提供接收和发送信号外，还应提供VP及DGND信号。
使用所有其他连接器类型，仅需要连接接收和发送信号。
要确保所使用的连接器类型与所选择的波特率是相匹配的。
如果提供可选的信号，则它们也必须符合相关的PROFIBUS标准，并必须使用相应的GSD文件正确地描述。
为避免EMC干扰进入设备，电缆屏蔽应与设备的功能地①（通常的导电外壳）相连接。
通过将电缆屏蔽连接到D型连接器的金属外壳以及覆盖大范围的功能地来实现这一要求。
总线连接器与电缆屏蔽必须具有一个低阻抗的连接。
在抗干扰（interference-immune）的RS485接口标准规范中，描述了使用屏蔽双绞线数据电缆的串行总线系统的数据传输技术。
为了允许正确的总线终止，每个站点必须将信号DGND和VP（5V）分别连接到连接器的针脚5和针脚6。
为终端电阻器（VP）提供的5V电源，应当有10mA的最小额定电流（如果通过总线发送了一个空（NULL）信号，则电流负载要增加到12mA）。
如果需要能够向总线上的其他类型的设备（如总线终端和光纤电缆驱动器）供电，则额定电流应当增加到大约90mA。
①在一个装备中的电气设备通常是与功能地连接的。
它常常导致电位同等，带走干扰电流，并确保符合EMC规则，因此应按照高频电流的要求来安装。
由于站点的电容性负载及产生的电缆反射，总线连接器应提供有如图2-6所示的内置串联电感器。
B
AB
A
390欧姆
220欧姆
390欧姆
电感器
总线连接器（示意性的）
导电外壳
针脚号.5386
9针D型插座连接器
图2-6具有内置终端电阻器及串联电感器的总线连接器
由于在总线连接器中内置串联电感器，因此网络中的所有总线连接器都应连接到现场总线设备，以确保由设备输入电容提供必需的电容性负载。
2.2.5终端电阻器的电源
使用电阻器组合的有源总线终端器避免了在数据传送期间的信号反射，并确保当总线上无站点活动时，在数据线上是规定的零信号电压。
在每一个RS285总线网段的开始和结束处，必须提供有源终端器。
如果缺少了总线终端器，就可能导致数据传输中的出错。
由于每个总线终端器也表现为一个电负载，并降低了信号电平从而降低了信噪比（signal-to-noise）。
如果安装了过多的总线终端，则也会产生问题。
总线终端的过多或过少还可能导致间断的数据传输错误，特别是在所运行的总线网段接近于最大站点数、最大总线网段长度及最大数据传输速率的规定限值时。
有源总线终端器所需的功率，通常通过总线连接器从与总线连接的站点获得。
如果在总线运行期间，不能保证持久地供给总线终端器所需的功率，那么必须采取其他可供选择的措施。
例如，在一个特殊的安装中，向总线终端器提供功率的站点，由于操作原因，可能需要重复切断或从总线移出。
在这种情况下，总线终端器应当使用外部电源或用于中继器来代替总线终端器。
3PROFIBUS（DP）电缆铺设规则
本指南的目的是增加对满足PROFIBUSDP安装要求的一般理解，从而确保符合EMC。
另外，用户仍然要负责遵循有效安全性及事故预防规章。
此外，以下的内容应当与制造商专用指南共同阅读。
3.1铜质电缆铺设
在PROFIBUSDP系统中的数据传输，是以抗干扰对称总线系统（使用屏蔽双绞线电缆的RS485规范）为基础的。
由于正确的系统安装，一些小的外部干扰源通过电缆屏蔽通向大地，而不会导致数据线上的干扰。
使用适当的EMC措施，例如符合EMC的系统安装、符合EMC的电缆铺设以及避免大接地电位差的措施，能够在很大程度上避免这种类型的干扰。
来源于开关过程、整流器以及电路断路器的电磁干扰，可能导致设备故障的发生。
另外，超电压、雷击可能毁坏现场总线设备中的电子元件。
因此，不能再保证装备的正常运行了。
特别地，对于包含频率变换器（变速驱动器）的设备而言，对于以下部件必须遵循符合EMC的制造商规则：
∙滤波器（Filters）
∙扼流圈（Chokes）
∙屏蔽（Shielding）
另外，如果在控制箱内安装了荧光灯，则应使用电子启动器（starters）。
以下的电缆铺设规程适用于屏蔽双绞线电缆。
使用电缆屏蔽改善了对电磁干扰的防御性。
应使用传导编织物（conductivebraid）与传导箔（conductivefoil）二者的结合物来屏蔽PROFIBUS电缆。
如下所示，“屏蔽”涉及到两种类型的屏蔽物（编织物和箔）。
箔屏蔽不应被单独使用，因为它非常薄，且很容易被损坏。
在电缆的两端，电缆屏蔽必须通过与地导表面大面积连接的功能性地（functionalground）相连接。
当铺设总线电缆时，特别要注意保证电缆屏蔽（编织物屏蔽和箔屏蔽，如果使用的话）与大面积的屏蔽接地夹（shieldgroundingclamp）相连接。
两根PROFIBUS数据线被指定为A和B。
对于哪种电缆芯线颜色应该与每个现场总线设备上的哪个数据终端相连接，并没有规定；对于整个系统（跨接所有站点和总线网段）中的所有站点，只需要确保同样的电缆芯线颜色与同样的数据终端（A或B）相连接即可。
如果数据传输电缆有带红色和绿色绝缘（insulation）的数据线，那么应使用以下分配：
数据电缆线A–绿色
数据电缆线B–红色
这种规则适用于输入、输出数据线。
3.1.1在控制柜内的电缆铺设
如果在控制柜（cabinet）内安装中继器或现场总线设备，则应当通过使用屏蔽接地夹或类似物（如图2-7所示），将进入的总线电缆的电缆屏蔽与尽可能靠近电缆导通（cablelead-through）的接地轨道（groundingrail）相连接。
在柜内的电缆屏蔽应当延伸到现场总线设备，并且遵照制造商的说明书来连接。
应遵守以下的安装指南。
通过提供大面积的金属接点（例如，使用电镀钢材以保证良好的连接）确保设备箱壳以及安装了现场总线设备的控制柜与大地具有同样的地电位。
接地轨道不应有喷漆表面。
如果按照上面的措施，则电磁干扰就通过电缆屏蔽转移了。
功能性地
电缆屏蔽
屏蔽接地夹
接地轨道
图2-7PROFIBUS电缆的屏蔽与传导表面连接
当在控制柜内铺设PROFIBUS电缆时，应遵循以下规则。
PROFIBUS电缆……
表2-5在控制柜内铺设电缆
电缆……
必须铺设在……
∙总线信号，如PROFIBUS
∙用于计算机、编程设备、打印机等的数据信号
∙屏蔽的（Screened）模拟输入
∙无屏蔽的DC电压（<=60V）
∙屏蔽的过程信号（<=25V）
∙无屏蔽的AC电压（<=25V）
∙监控器同轴电缆
在同一电缆输送管（duct）中
∙60V~400V的DC电压（无屏蔽）
∙25V~400V的AC电压（无屏蔽）
在分开的电缆输送管中，无最小的间隔要求
∙DC和AC电压>400V（无屏蔽）
∙电话电缆
∙用于危险区域
在分开的电缆输送管中，无最小的间隔要求
3.1.2在控制柜外的电缆铺设
当在控制柜外铺设电缆时，应当遵循以下规则。
PROFIBUS电缆……
表2-6在控制箱外铺设电缆
电缆……
必须铺设在……
∙DC和AC电压>400V（无屏蔽）
∙用于危险区域
∙电话电缆
在分开的电缆中，运行间隔至少要分开10厘米
所有电缆输送管应由电导材料构成并按常规间隔与功能性地相连接。
总线电缆不应承受超过制造商规定的机械负载。
如果无法避免这一点，则应采取另外的保护措施，例如在钢管或坚固的金属管内铺设电缆。
那么，这钢管或坚固的金属管应按常规间隔接地并且防止被腐蚀。
3.1.3在楼宇外的电缆铺设
总线电缆
塑料管
功能性地
等电位
等电位电缆
闪电防护
闪电防护
建议大家在楼宇外的电缆安装使用光纤电缆。
对于铺设在地下的楼宇之间的总线电缆的情况，应使用适合这种应用的特殊的光纤电缆类型。
如果不能使用光纤电缆，可使用合适的铜电缆类型。
要遵守所用电缆类型可容许的最小和最大额定温度。
图2-8在楼宇外的总线电缆铺设
原则上，同样的规则适用于楼宇外和楼宇内的电缆铺设。
然而，对于楼宇外的安装来说，应当给电缆提供额外保护，即将其放置在合适的塑料管中。
从外部电缆转换到内部电缆，总应使用一个辅助终端块（auxiliaryterminalblock）。
它将埋在地下的电缆与标准总线电缆相连接。
闪电制动器（arrestor）应直接安装在电缆进入楼宇处。
另外，辅助终端块包含适当的电路，以防止过电压（闪电保护）。
3.1.4等电位及屏蔽
在电缆的两个末端，电缆屏蔽都应与地相连接。
如果有干扰问题的经历，则建议使用光纤电缆。
如果不可能发生这种情况，则使用低阻抗等电位电缆。
能够引起干扰问题的情形包括：
∙遍及大面积的装备
∙从不同的功率源向该装备馈送功率
∙遍及若干楼宇的网络
如果适合这些情形中的任意一个，则安装等电位系统时，应遵循以下各项：
∙必须切断干扰信号流通过的电路
∙装备的每个部分必须在尽可能多的地方与等电位系统/功能性地进行电连接。
电导管、机械或支撑结构的部件应集成在等电位系统中。
为了确保长期的可靠性，应当采取适当的措施防止腐蚀。
∙必须防止等电位电缆被腐蚀。
∙应根据可能流过的最大等电位电流，来选择等电位电缆的横截面。
在安装等电位电缆时，应特别考虑使数据电缆抗干扰度最大化。
如果可能，等电位电缆应与数据电缆平行铺设并尽可能的靠近数据电缆（最好在同一塑料管中）。
等电位电缆从不使用电缆屏蔽。
为了确保等电位电缆在高频率环境下也有效（如同大表面面积的效果），应精细地绞合（strand）等电位电缆。
控制柜1
控制柜2
数据传输电缆
等电位
等电位
图2-9带有接地基准电压的一个装备的符合EMC安装
3.2电缆及总线连接器的选择
依据应用来选择适当的电缆和连接器类型（材料，允许的温度范围，防护等级等）。
PROFIBUS用户组织提供定期更新的PROFIBUS产品目录，包含已经鉴定合格的电缆及连接器类型的详细资料。
为了在调试和诊断期间，通过总线（远程功能）可以与现场总线设备连接，建议每个总线网段至少提供一个具有用于编程设备接口的总线连接器。
在将总线连接器连接到总线电缆之前，安装人员应当获得有关连接器的机械设计和功能方面的信息。
一般来说，在连接器中的数据线被标志为A和B。
对于贯穿整个系统的所有站点以及进线和出线，要确保相同颜色的电线与相同的终端（A或B）相连接（本指南3.1）。
电缆屏蔽与大面积的屏蔽接地夹之间应是电连接的。
屏蔽接地夹与连接器外壳应是电连接的。
建议用欧姆表来检查屏蔽接地夹与连接器外壳之间的电阻。
在每一个总线网段（仅仅是在这些位置上）的开始端及末端必须提供终端电阻器。
要确保信号线不会接触到编织的屏蔽。
应使用正确的方法剥去PROFIBUS电缆的绝缘层。
要确保编织的电缆屏蔽能够大面积接触，并适当的减轻张力。
请遵照制造商忠告。
3.3有接地基准电压的安装设计
设备通常被安排为一个接地系统，这是因为功率馈送的地是与覆盖大面积的功能性地相连接的（图2-10）。
如图2-9所示，在总线电缆进入控制柜的地方，总线电缆的屏蔽与覆盖大面积的等电位系统相连接。
在每个控制柜内，等电位轨道与地相连接，并连接到其他控制柜内的等电位轨道。
图2-10有接地基准电压的装备的示意图
3.4有非接地基准电压的安装设计
在特殊环境中，设备可安排为一个非接地的系统。
如果可能发生高短路电流（电感应炉等）的话，这种系统可能的必需的。
在非接地系统中，必须提供一个带有电压限制器的绝缘监测设备（图2-11）。
如果在地与PE之间安装了R/C电路，那么也使用“非接地”术语。
当选择地泄漏监控器时，就应当考虑这一点。
另外，非接地安排确保了不受控制的相等电流不会损坏总线上的设备。
必须遵守相关的安全规则。
图2-11有非接地基准电压的装备的示意图
3.5连接中继器
依据应用来选择据适当的中继器类型。
PROFIBUS用户组织提供定期更新的PROFIBUS产品指南，包含可使用的中继器类型的详细资料。
中继器通常是由外部电源供给功率的。
中继器应优先地作为一个非接地系统来连接，以使两个总线网段之间是电流隔离的。
在安装中继器时，应遵守制造商的指南。
中继器更适合安装在控制柜内的顶环（tophat）轨道上。
当安装在顶环轨道上时，如果中继器在背面拥有一个连接弹簧，以确保与顶环轨道的电连接，则通常不需要额外的接地措施。
如果这种安装方法不可行，中继器应使用与设备的传导部分大面积连接来接地。
应使用欧姆表来保证中继器与功能性地有一个低阻抗连接。
如果中继器连接在网段的两末端的其中一端，则必须安装终端电阻器，以避免电缆反射。
4PROFIBUS（DP）设备的投运
下面所描述的测量，允许测试已经安装了的网络，并排除大部分共同性错误，如电缆极性的颠倒、短路和连接不正确的终端电阻器。
在安装了PROFIBUS电缆并连接了总线连接器后，应对每个总线网段执行这些测量。
在铺设电缆时，由于结构的原因，经常要对最初设计的电缆路程进行修改。
以下测量的目的是将电缆的实际物理线路以及每部分的长度和总线总长度文档化。
当总线在运行时，在总线网段的每个末端仅应安装终端电阻器。
当安装总线连接器时，有时会忘记在网段末端的总线终端电阻器，和/或在该网段内插入额外的终端电阻器。
在运行期间，由于在无端接的电缆末端的反射和/或由额外的电阻器所引起的信号衰减，都能够造成数据错误。
依照总线连接器的设计，终端电阻器可能被永久地安装或可开关的（switchable）或能使用跳线（jumpers）来停用/启用。
此外，连接器既可使用串联感应器，也可不使用。
当插入终端电阻器时，一些连接器类型将进入电缆与外出电缆分离。
请注意：
下列测量不期望测定电缆长度的精确度达到100%；而惟一目的是借助简单测试设备（普通用途的AVO表）的帮助来对总线网段的正确安装进行测试。
这些测量假定在每个网段内使用相同的电缆及连接器类型。
建议将这些测量文档化并把它们归档，用于以后参考，例如，把使用本指南4.4中的方法测定的电阻值登入本指南5中所描述的设备报告中。
4.1测试PROFIBUS总线电缆及总线连接器
如果PROFIBUS电缆不能够正确地与总线连接器相连接，则会发生数据误差。
使用下面描述的简单测试方法，能够检测并纠正这种基本的错误。
如图2-12所示
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