随着工业自动化技术的不断提升，五菱工业集成一条保险杠全自动机器人喷涂生产线，其控制系统采用西门子S7-300系列PLC作为主控制器，主要由PROFIBUS-DP总线系统、安川EPX2900系列机器人与兰氏旋杯、输调漆系统和中控系统等组成。在使用过程中偶发机器人喷枪及旋杯开枪阀异常通断、机器人误动作、喷涂流量输出不准确等现象。本文分析PROFIBUS-DP总线通信原理与网络拓扑结构，排查控制系统中各种干扰源，确定干扰主要来源，来保证机器人涂装系统正常运行。

PROFIBUS-DP总线干扰检测

1.PLC在线监控情况

机器人涂装系统出现旋杯开枪阀异常通断、机器人误动作、喷涂流量不准确等故障，在线监控PLC运行状态发现：主站PLC出现错误报警“在将过程映像传递到输出模块时的I/O访问错误”，从站电磁阀岛DP块出现“DP从站尚未准备好进行数据交换”和“必须重新给DP从站分配参数”等报警信息，每次报警出现之后又迅速复位。

检查发现主站PLC程序调用了“OB82 I/O_FLT1”程序块， OB82程序块主要用于避免PROFIBUS-DP系统从站出现轻微故障而导致CPU进入故障中断停止整个系统运行的情况。为查明PLC报警原因，删除掉OB82程序块，重新下载PLC程序，PLC很快进入STOP模式，整个系统停止工作，且报警为“因I/0错误导致STOP模式”。通过这种方式确定由于DP从站I/0错误导致喷漆系统不稳定。

2.PROFIBUS-DP总线波形检测

利用双通道数字示波器检测PROFIBUS-DP总线通信线的A、B信号线，发现通信波形存在大量低频和高频干扰波峰，从而判定PROFIBUS-DP通信线路同时受到严重的高频和低频干扰。正常波形如图1所示，检测到的实际波形如图2所示。

PROFIBUS-DP总线干扰源

1.环境干扰源

机器人喷涂系统运行环境中的各种电磁场会对PROFIBUS–DP总线通信产生严重干扰。主要外界干扰源有机器人各轴伺服驱动、齿轮泵伺服驱动、链条变频器等在整流和逆变工作中，大功率电力电子元器件(IGBT等)高速的开关转换，产生大量的高频电磁波，污染整个车间，并且产生大量高次谐波，污染工频电网；工频电源波形畸变和高次谐波若未加隔离或滤波，便会通过PLC控制系统供电而进入控制系统，影响现场总线正常工作；现场变压器、电力电缆和动力设备等，与PROFIBUS–DP通信线距离较近，产生电磁场，一旦通信线屏蔽层形成回路，则会产生感应电流，对信号造成干扰。

2. PLC系统内部的干扰

主要由西门子PLC系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射、模拟地与逻辑地的相互影响，导致通信信号本身失真，出现通信错误。

3.接地系统不良造成的干扰

接地系统不良，造成各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地线环路电流，影响系统正常工作。

由于PROFIBUS–DP总线通信线本身带有绝缘屏蔽层，当外界电场作用在屏蔽层上时，屏蔽层上会产生感应电压，检测发现总线通信线屏蔽层的两端接在存在电位差的两个接地点上，屏蔽层上产生感应电流，导致屏蔽层不仅没起到屏蔽干扰的作用，反而造成了更大的干扰。

综上所述，PROFIBUS–DP总线受干扰严重的两个主要原因是：屏蔽层两端接在不等电位的地线上，且采用双端接地形式；系统中各设备接地不完善，导致各接地点存在电位差。

PROFIBUS-DP总线通信干扰解决

1.接地系统分析

（1）区分系统的保护地和信号地

保护地主要是为了保护人员安全而设置的一种接线方式。保护地线一端接用电器，另一端与大地作可靠连接。在本系统中主要有：机器人控制柜进线接地、PLC控制柜进线接地、伺服控制器进线接地等。

信号地又称参考地，就是零电位的参考点，也是构成电路信号回路的公共段。在本系统中主要是指：通信线的零电位参考点、DP从站中模拟量输入输出模块的零电位参考点、直流电源的0V。处理过程采用单点接地的方法，避免各信号地存在电位差。

（2）系统信号地线问题检查

地环路：这种较常见的干扰现象，常常发生在较长电缆连接的相距较远的设备之间。其产生的内在原因是地环路电流的存在。解决地环路干扰的基本思路有两个：减小地线的阻抗，从而减小干扰电压；增加地环路的阻抗，从而减小地环路电流。解决地环路干扰的措施有安装隔离变压器、光耦合器、共模扼流圈、平衡电路等措施。图3为消除公共阻抗耦合的标准电路，优化了电路接线方式，消除了地线公共阻抗耦合点。

典型地线安装方式：目前通用的信号线接地方式有单点接地、多点接地、混合接地等方式，其中单点接地又分为串联单点接地与并联单点接地两种方式。

单点接地：系统或装备上仅有一点接地，适用于低频电路。串联单点接地安装简单，但缺点是产生公共阻抗耦合。并联单点接地无公共阻抗耦合，但接地线过多。

多点接地（图4）：适用于高频电路，在频率低于10 MHz时，较适于单点接地。若在高频（>10 MHz）情况下，由于接地线的长度以及接地电路的影响，故单点接地无法达到去除干扰的效果，此时就得使用多点接地，且接地线的长度亦应尽量缩短。 

混合接地：也称复合式接地，复合式单点接地将线路或装备加以归类，同时使用串联与并联法，可兼顾降低杂讯以及简化施工与节省用料。

（3）重新布置接地

按照地线接地标准的规范要求，系统中所有的接地点均按照要求接地，不同性质的接地系统只在系统的等电位点将两个接地系统连接起来。

2.对所有PROFIBUS-DP总线屏蔽层采用单端接地

电缆屏蔽层的接地方式与要抑制干扰的频率有关。一般分为低频电场、低频磁场和高频电磁波等种类。屏蔽的对象不同，电缆屏蔽层的接地方式也不同。对电场的屏蔽，屏蔽层接地就能获得满意的效果，而对于磁场屏蔽，屏蔽层的接地方式就要复杂一些。低频磁场时电缆屏蔽体的接地点选择信号源不接地、放大器接地和放大器不接地、信号源接地两种方式。对于高频电磁波，屏蔽电缆与屏蔽机箱要形成完整的屏蔽体，即360°搭接。图5为屏蔽电缆接地示意图，屏蔽层接敏感电路的信号地，目的是将屏蔽层的电位保持在地电位。高频时电缆屏蔽体的接地点，当工作频率高于1 MHz，导体长度超过波长的1/20时，采用多点接地的方式。目前我们现场PROFIBUS–DP总线使用的通信工作频率为500 kHz，属于低频范围。

（1）使用双端接地产生的问题

如图6所示，外界干扰源作用在PROFIBUS-DP通信电缆上，屏蔽电缆在干扰源作用下产生感生电动势。如图7所示，如果屏蔽层在两端都接地，则它在电缆芯和屏蔽层中感生电动势为Es，产生屏蔽层电流为Is。电动势Es等于屏蔽层电流乘屏蔽层电阻Rs，即：Es= Is×Rs.同时由于通信线的两端并不完全等电位，实际通信线两端的电位差E=Es+E△。综上所述，PRIFIBUS-DP通信线使用双端接地主要有以下两种问题：①当接地网上出现短路电流或雷击电流时，由于电缆屏蔽层两点的电位不同，使屏蔽层内流过电流，将引起额外干扰电压；②当屏蔽层内流过电流时，对每个芯线将产生干扰信号，通信线芯所在回路为弱电回路，因而屏蔽层电流产生的干扰信号影响较大。

（2）单端接地原理

如图8所示，通信电缆的屏蔽层一端接地，另外一端悬空，外界干扰作用在屏蔽层上仍产生感生电动势E，但由于屏蔽层一端悬空，屏蔽层没有形成回路，无法产生感应电流，对通信信号线干扰小。同时，当信号线传输距离比较远的时候，由于两端的接地电阻不同或PE线有电流，可能会导致两个接地点电位不同，此时如果两端接地，屏蔽层就有电流形成，反而对信号产生干扰，因此这种情况下一般采取一端接地，另一端悬空的办法，能避免此种干扰形成。

（3）单端接地实施效果

对系统所有通信线采用单端接地后，使用示波器观察通信信号情况，信号基本正常，还存在较小干扰波。监控PLC模块信息，没有再发生“在将过程映像传递到输出模块时的I/O访问错误”“DP从站尚未准备好进行数据交换”和“必须重新给DP从站分配参数”的报警，喷漆系统运行正常。

结语

在完成整理接地系统及对所有PROFIBUS-DP总线屏蔽层采用单端接地工作后，PROFIBUS-DP总线恢复正常工作，机器人喷漆系统恢复正常工作。此次问题解决表明总线屏蔽线单端接地对减小信号干扰具有实际作用，在后续PROFIBUS-DP总线安装过程中，可采用单端接地来减少信号干扰。