[摘 要]：随着国内工业化进程的不断深入和发展，工业自动化对网络需求日益广泛，特别是我国2006年发布了GB/T20540-2006工业控制系统用现场总线Profibus标准以来，Profibus总线技术广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域自动化等场所，但作为Profibus总线系统连接用的数据总线电缆没有规范和标准，这给企业的生产和检验带来了不便，本文参考国外Profibus DP数据总线电缆技术要求进行电缆结构设计，希望达到抛砖引玉的效果。
[关键词]：Profibus DP数据总线电缆；电容；阻抗；衰减；设计
Development of PROFIBUS DP data bus cable
WANG Hai-ling1，ZHANG Hong-yan2
（1.Anhui Xinke Cable Group Co., Ltd.，Wuwei 238300，China；2.AnHui Zongheng HI-TECH Cables CO.,LTD.，Hefei 230051，China）
Abstract:With the continuous deepening and development of domestic industrialization process, the demand of industrial automation for network is increasingly extensive. Especially since the release of GB/T20540-2006 PROFIBUS standard for industrial control system in 2006, Profibus Technology is widely used in manufacturing automation, process industry automation and automation in buildings, traffic power and other fields, However, there is no specification and standard for the data bus cable used for the connection of PROFIBUS system, which brings inconvenience to the production and inspection of enterprises. This paper designs the cable structure with reference to the technical requirements of PROFIBUS DP data bus cable abroad, hoping to achieve the effect of throwing a brick to attract jade.
Key words:Profibus DP data bus cable；capacitance；impedance；attenuation；design
一、引言
随着国内工业化进程的不断深入和发展，工业自动化对网络需求日益广泛，传统的控制方法已无法适应现代企业的管理和控制，传统的控制方法需对现场设备的信号进行点对点的固定连接，包括24VDC或0～20mA及其它各种信号，如果控制设备不在现场，又需要敷设大量线缆以传输各种信号，不仅费工费料，而且一旦系统扩建或改造，整个线缆必须变动，不能跟得上现代企业工业自动化系统结构的变化，Profibus总线技术就是适应自动控制系统智能化、分布化、网络化发展形成的新技术。Profibus现场总线是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准，由于Profibus现场总线传送速度可在9.6kbit/s～12Mbit/s范围内选择，具有广阔的发展前景和先进性，广泛应用于制造业自动化、过程控制自动化、电力、楼宇和交通等领域，所以国际著名的自动化厂商纷纷推出各自的现场总线标准，如德国在1959年发布了DIN 19295总线标准，欧洲在1996年颁布了EN 50170总线标准，IEC国际电工委员在1999年发布了IEC61158 TYPE 3 Profibus标准，我国标准化管理委员会也在2006年10月发布了GB/T20540-2006（测量和控制数字数据通信 工业控制系统用现场总线 类型 3：Profibus规范）标准。Profibus由Profibus DP、Profibus PA、Profibus FMS三个兼容部分组成，其中Profibus DP是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信，可以取代24VDC或0～20mA信号传输[1]。然而作为Profibus DP现场总线连接设备的数据总线电缆却没详细的介绍，这给电缆的选型带来了困难。本文参考Profibus DP现场总线的特点和传输技术要求对电缆进行了研制，并在电缆的材料选型、结构设计和生产控制上进行简单的阐述。
二、主要技术指标及设计重点
根据国外公司Profibus DP数据总线电缆性能要求[2]，电缆的主要技术指标为：
（一）特性阻抗
9.6 kHz时，电缆特性阻抗为 (270±27%)Ω；
38.4 kHz时，电缆特性阻抗为(185±18.5%)Ω；
3～20 MHz时，电缆特性阻抗为(150±15%)Ω。
（二）衰减
9.6 kHz时，电缆的衰减≤0.25 dB/(100m)；
38.4 kHz时，电缆的衰减≤0.40 dB/(100m)；
4 MHz时，电缆的衰减≤2.2 dB/(100m)；
16 MHz时，电缆的衰减≤4.2 dB/(100m)。
（三）工作电容
1 kHz时，电缆的电容≤28.5 nF/km。
（四）工作电压
电缆工作电压最高为350 V。
（五）导体电阻
20℃导体直流电阻不大于55.0Ω/km；
（六）绝缘电阻
20℃绝缘电阻不小10000Ω·km；
（七）电缆工作环境温度
电缆工作环境温度为–40~70 ℃（静态）。
（八）电缆外径
电缆外径为8.0±0.4mm。
经过对Profibus DP数据总线电缆性能要求的综合分析，上述一次参数、二次参数是该电缆的设计重点。除此之外，该电缆还必须满足绝缘电阻高、耐低温的特性要求。针对上述设计要求，电缆的设计重点应确定在材料选型、结构设计和生产工艺的控制等方面。
三、材料选型及工艺控制
（一）导体
导体是Profibus DP数据总线电缆设计的重点，因为导体是信号传输的重要载体，也是影响数据总线电缆一次参数和二次参数的重要因素之一。为降低电缆的工作电容、衰减，满足电缆工作环境温度和外径的要求，同时考虑到电缆的工作频率不是太高，选用无氧纯铜线作为该数据总线电缆的导体即可满足要求。
根据电缆电性能指标要求，导体规格选用22AWG，即结构为1×0.66 mm无氧纯铜线作为导体，生产时，绝缘线芯采用导体连续拉制、退火，预热和绝缘挤出一次性完成的方式，以保证绝缘线芯结构的均匀一致性和电缆电气参数的稳定性，导体直径控制在0.66±0.005 mm范围内。
（二）绝缘
绝缘是Profibus DP数据总线电缆设计的关键，绝缘的类别对信号传输有着至关重要的影响，不但关系到电缆的结构和工作条件，还决定着电缆的一次参数和二次参数等电气特性，如电容、衰减和特性阻抗等性能。
根据Profibus DP数据总线电缆使用条件和电气性能要求，绝缘采用皮-泡-皮结构型式，内皮为实心的低密度聚乙烯绝缘料，内皮主要作用是增强绝缘和导体的附着性，提高绝缘的介电强度。发泡绝缘层是由低密度聚乙烯、高密度聚乙烯及成核剂组成的混合料，挤出时在高压高纯度氮气作用下进行物理发泡，发泡绝缘的主要作用是降低绝缘层的介电常数、工作电容和电缆外径。外皮采用实心高密度聚乙烯绝缘料，外皮的主要作用是增加绝缘单线的机械强度，保护绝缘线芯，防止水汽进入绝缘影响电缆的电气性能。聚乙烯皮-泡-皮绝缘结构由于具有较低的介电常数及介质损耗的特点，被广泛应用于性能要求较高的通信、射频和数据总线电缆中，有着使用频率范围宽、工作电容小、衰减低和绝缘性高的特点，其长期允许工作温度范围为55～70℃。
根据Profibus DP数据总线电缆电容、特性阻抗、衰减及外径等性能指标的要求，内皮绝缘厚度控制在0.10±0.02mm范围内，外皮厚度控制在0.12±0.02mm范围内，外皮绝缘采用红、绿两种颜色进行区分，绝缘总外径控制在2.40～2.50mm范围内，生产时考虑到绝缘偏心的存在，绝缘外径按上偏差生产。绝缘的发泡度控制在(60±5)%范围内，绝缘偏心度不大于5%。
（三）成缆与内护套（内护套若有）
Profibus DP数据总线电缆的绝缘是皮-泡-皮结构，相比实心聚乙烯绝缘其抗压性能较差，为防止绝缘线芯在成缆时损伤，影响电缆的机械和电气性能，红绿两根绝缘线芯在成缆时采用退扭方式。成缆方向为右向，节距控制在90～98 mm范围内，成缆时要控制好各线芯的张力，节距要均匀一致，以保证电缆电气性能的稳定，缆芯表面绕包聚酯带以防止后面工序内护套挤包时烫伤绝缘线芯。
屏蔽前，根据客户要求，缆芯表面可以挤包一层0.40～0.50mm厚的软质白色聚氯乙烯材料作为内护套，以提高电缆的圆整性。
（四）屏蔽
屏蔽层采用0.03mm厚铝塑复合带绕包，铝塑复合带绕包搭盖率不小于25%，然后再用直径0.12mm的镀锡铜丝进行编织，编织密度不小于80%，双层屏蔽可以提高电缆的抗干扰性能，增强电缆的电磁兼容（EMC）能力，降低外界电磁波对电缆的辐射。
（五）护套
电缆虽说为静态敷设使用，但考虑到电缆处于-40℃低温环境中时，长期弯曲敷设部位的电缆难免会有内应力存在，导致电缆护套出现裂纹或开裂，所以电缆为适应–40～70℃的使用环境要求，采用耐低温-40℃，高温70℃紫色软质PVC材料作为电缆护套。护套挤包厚度0.7～0.8mm，电缆外径控制在8.00±0.4 mm范围内。
四、关键性能设计
经设计，该Profibus DP数据总线电缆的结构如图1所示。根据所设计的数据总线电缆的结构，即导体外径为0.66mm、绝缘外径为2.40mm、电缆外径为8.00±0.04 mm，对电缆的相关电气和传输性能参数进行计算[3]，以校验电缆的性能设计能否满足设计要求。
1-裸铜导体；2-皮-泡-皮绝缘； 3-聚酯带绕包；
4-铝塑复合带；5-镀锡铜丝编织屏蔽；6-紫色PVC护套。
图1 Profibus DP数据总线电缆的结构
（一）电气性能设计
电缆导体回路有效电阻R的计算公式为：
式中：R0为电缆20 ℃时导体回路直流电阻，单位为Ω/km；λ为绞入系数，取值1.02；ρ为纯铜丝导体电阻率，取值0.017241 Ω·mm2/m；d为导体直径，经设计，取值0.66 mm；a为对称电缆导体中心距离，取值2.40 mm；P为对绞线组的修正系数，取值1.0；F(x)、g(x)、H(x)均为与电缆的材料和结构相关的特定函数；x=kd/2，k为涡流系数，k=(ωμσ)1/2，ω为角频率，ω=2πf，f为频率，如取值4 MHz，ω=2.512×107 rad/s；μ为磁导率，μ=4π×107μr，μr为相对磁导率，取值1，μ=12.56×107 H/m，σ为电导率，取值58.0 S·m/mm2。通过计算可得R0=102.81 Ω/km，k=42.80，x=kd/2=14.124，F(x)=4.244，G(x)=2.372，H(x)=0.674，R=558.50 Ω/km。
电缆绝缘等效介电常数εD和等效介质损耗角正切tan δD的计算公式为：
式中：εK为空气的相对介电常数，取值1；εG为绝缘的相对介电常数，取值2.3；SK为空气所占的面积，经设计，取值14.07 mm2；SG为绝缘及填充所占的面积，经设计，取值4.00 mm2；tan δK为空气的等效介质损耗角正切，取值0；tan δG为绝缘的等效介质损耗角正切值，取值2.5×10–4。通过计算可得εD=1.29，tan δD=9.89×105。
电缆工作电容C的计算公式为：
式中：λ=1.02；εD=1.29；a=2.40 mm；d=0.66 mm；Ds为屏蔽体内径，经设计，取值4.95 mm；d1为绝缘线芯外径，经设计，取值2.40 mm。通过计算可得C=2.48×108 F/km，满足电缆1 kHz工作电容≤24.8 nF/km的设计要求。
电缆电感L的计算公式为：
式中：λ=1.02；a=2.40 mm；d=0.66 mm；k=42.8；rs为屏蔽体半径，经设计，取值2.48 mm；Q(x)为与电缆的材料和结构相关的特定函数，取值0.20；μr,s为屏蔽体的相对磁导率，取值1。通过计算可得L=6.32×104 H/km。
电缆绝缘电导G的计算公式为：
式中：ω=2.512×107 rad/s，C=2.48×108 F/km，tan δD=9.89×105。通过计算可得G=6.164×105 S/km。
电缆在4 MHz频率下特性阻抗Z的计算公式为：
式中：L=6.32×10–4 H/km，C=2.48×10–8 F/km。通过计算可得Z=159.6 Ω，满足电缆特性阻抗(150±15)Ω的设计要求。
（二）传输性能设计
电缆在4 MHz频率下衰减常数α的计算公式为：
式中：R=558.50 Ω/km，G=6.164×105 S/km，L=6.32×104 H/km，C=2.48×108 F/km。通过计算可得α=15.2 dB/km=1.52 dB/(100 m)，满足电缆4 MHz衰减常数≤2.20 dB/(100 m)的设计要求。
通过相同的方法计算出其它频率下的特性阻抗和衰减均符合设计要求，计算结果如下所示：
9.6 kHz时，特性阻抗计算值为271.9Ω；衰减值为0.20 dB/(100 m)；
38.4 kHz时，特性阻抗计算值为181.2Ω；衰减值为0.26 dB/(100 m)；
3～20 MHz时，特性阻抗计算值为158.5～160.1Ω；
4～16 MHz时，衰减值为1.52～3.01 dB/(100 m)。
四、性能测试
按上述材料选型、工艺控制及关键性能设计的Profibus DP数据总线电缆经检测，其实测值与理论计算值较接近，符合Profibus DP数据总线电缆技术规范，满足Profibus数据总线系统使用要求。Profibus DP数据总线电缆具体测试结果如表1所示。该电缆与国外同类产品技术要求相比，在结构尺寸、电气性能指标方面均达到了国外同类产品的技术水平。
五、结束语
本文设计的Profibus DP数据总线电缆在结构尺寸、电气性能指标方面完全达到了国外同类产品的技术要求，满足Profibus数据总线的使用要求。本文通过对Profibus DP现场总线电缆的详细介绍，让我们对Profibus DP现场总线电缆的结构及电气性能参数有了更深入的了解，今后为Profibus DP现场总线电缆的设计选型提供了参考依据。
[参考文献]
[1]唐志平.PROFIBUS现场总线技术及应用[J].常州工学院学报,2000(12):26-29.
[2]Siemens，Lapp等.公司现场总线电缆资料.
[3]郑玉东.通信电缆[M].北京:机械工业出版社,1982.
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