PROFIBUS FCS 及工業(yè)Ethernet在料香配送系統(tǒng)中的應用

摘 要：介紹了基于PROFIBUS 現(xiàn)場總線結合工業(yè)以太網(wǎng)構建現(xiàn)代三層管控一體化網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。以煙草行業(yè)中的料香配送生產(chǎn)線為應用背景，具體分析了控制系統(tǒng)的組成結構以及監(jiān)控方案。

關鍵詞：PROFIBUS，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，工業(yè)以太網(wǎng)

前言

　　在煙草行業(yè)中，卷煙的質(zhì)量及品質(zhì)主要由不同品質(zhì)煙葉摻兌比例及所施加的料液及表香來決定。其中料香生產(chǎn)中的高精度配制、高效安全的生產(chǎn)過程以及信息化的監(jiān)控、調(diào)度管理至關重要。采用PROFIBUS FCS（Fieldbus Control System 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）結合工業(yè)以太網(wǎng)連接的可編程邏輯控制器以及運行于工業(yè)控制計算機之上的組態(tài)軟件構建三層管控一體化網(wǎng)絡做為料香配送生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)，是現(xiàn)代煙草行業(yè)先進控制方式的趨勢和方向?；谝陨戏绞降南到y(tǒng)已經(jīng)在國內(nèi)某大型煙草企業(yè)投入使用，取得良好效果。

1 料香配送系統(tǒng)工藝結構

　　料香配送系統(tǒng)工藝結構如圖1所示。由圖可見，料香配送系統(tǒng)由兩大部分組成：配料系統(tǒng)和儲存系統(tǒng)。配料系統(tǒng)接收廠級網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)發(fā)給的當天配料液（后簡稱料）、表香（后簡稱香）的牌號和產(chǎn)量，操作人員啟動控制系統(tǒng)進行自動生產(chǎn)，并將配制好的料香送至儲存區(qū)。儲存系統(tǒng)接收來自配料系統(tǒng)的信號安裝配方號儲存配制好的料香，每送完一次清洗一次管路。同時接收制絲線加料、加香（總稱加料）系統(tǒng)的命令完成輸送料香、回收余料和清洗管路等動作。儲存區(qū)的公共系統(tǒng)提供整個配送系統(tǒng)所需的壓縮空氣、工藝熱水和用于香料生產(chǎn)的溶劑?？紤]到生產(chǎn)的保密性，配料區(qū)和儲存區(qū)建筑上隔離，通過工藝管路連接。儲存區(qū)按可以無人職守設計，儲存系統(tǒng)的總電源可以由配料區(qū)和制絲線遠程開啟。

2 基于FCS和工業(yè)以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)結構

　　2.1 FCS簡介

　　FCS是繼基地式氣動儀表控制系統(tǒng)、電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)（DCS）后的新一代控制系統(tǒng)。它的出現(xiàn)對現(xiàn)有的自動化儀表、集散控制系統(tǒng)（DCS）和可編程控制器（PLC）在體系和結構功能上產(chǎn)生了重大的變革。具有高度開放性、互可操作性與互用性、現(xiàn)場設備的智能化與功能自治性、系統(tǒng)結構的高度分散性、現(xiàn)場環(huán)境的適應性等特點。使用基于FCS的管控系統(tǒng)可以節(jié)省硬件數(shù)量與投資、節(jié)省安裝費用、節(jié)省維護開銷、用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權、提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性。

　　FCS從網(wǎng)絡概念上說，還是一個低帶寬的底層控制網(wǎng)絡。它可與因特網(wǎng)（Internet）、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)（Intranet）相連，且位于生產(chǎn)控制和網(wǎng)絡結構的底層，因而又稱之為底層網(wǎng)Infranet。它作為網(wǎng)絡系統(tǒng)最顯著的特征是具有開放統(tǒng)一的通信協(xié)議。由于現(xiàn)場總線肩負著生產(chǎn)運行一線測量控制的特殊任務，它要求信息傳輸?shù)膶崟r性強，可靠性高，且多為短幀傳送，傳輸速率一般在幾kbps至十幾Mbps之間。本系統(tǒng)采用的PROFIBUS FCS即是其中一種，目前已在國內(nèi)外工業(yè)自動化控制等領域廣泛使用。

　　2.2 PROFIBUS 現(xiàn)場總線介紹

　　PROFIBUS現(xiàn)場總線技術是德國國家科學技術部于1986年牽頭組織開發(fā)，1990年完成國家工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議標準——PROFIBUS現(xiàn)場總線標準的制定。根據(jù)應用特點分為PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA三個兼容版本。其中PROFIBUS-DP是一種經(jīng)過優(yōu)化的高速通信連接，專為自動控制系統(tǒng)和設備分散I/O之間通信設計，用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸，其傳輸速率可達12Mbps，一般構成單主站系統(tǒng);PROFIBUS-FMS主要解決車間級通用性通信任務，提供大量的通信服務，完成中等速度的循環(huán)和非循環(huán)通信任務，用于傳感器和執(zhí)行器、可編程邏輯控制器、低壓開關設備等一般自動化控制;PROFIBUS-PA專為過程自動化設計，提供標準的本質(zhì)安全傳輸技術，用于對安全性要求較高的場合及有總線供電的站點。FMS和DP一般可混合使用。

　　PROFIBUS提供以下三種數(shù)據(jù)傳輸類型：DP和FMS的RS485傳輸、PA的IEC1158-2傳輸和光纖（FO）。

　　2.3 基于PROFIBUS的管控系統(tǒng)網(wǎng)絡層次結構

　　一般來講，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡可分為3層：信息層、控制層和設備層（傳感/執(zhí)行層），基于PROFIBUS的管控系統(tǒng)網(wǎng)絡層次結構如圖2所示。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)在信息層大都采用以太網(wǎng)，而在控制層和設備層一般采用不同的現(xiàn)場總線或其他專用網(wǎng)絡。目前，以太網(wǎng)已經(jīng)滲透到了控制層和設備層，幾乎所有的PLC和遠程I/O供應商都能提供支持TCP/IP的以太網(wǎng)接口的產(chǎn)品。

3 料香配送控制系統(tǒng)結構

　　根據(jù)系統(tǒng)的工藝布置及控制要求，配料系統(tǒng)有400個開關量輸入點，180個開關量輸出點，50多個模擬量輸入點。儲存系統(tǒng)有330個開關量輸入點，150個開關量輸出點，30多個模擬量輸入點?？紤]到控制系統(tǒng)復雜的控制過程，模擬量和開關量的I/O點數(shù)多，分布地點比較分散，處理的數(shù)據(jù)量大，同時為了系統(tǒng)能可靠的運行，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控和聯(lián)網(wǎng)功能，基于現(xiàn)場總線技術的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結構如下圖3。

　　整個系統(tǒng)采用三層結構即信息管理層、工業(yè) Ethernet網(wǎng)絡層和PROFIBUS控制層。三級網(wǎng)絡分別負擔各自的信息傳遞任務。監(jiān)控服務器、監(jiān)控客戶機和PLC接入Industrial Ethernet網(wǎng);監(jiān)控服務器同時要接入工業(yè)Ethernet網(wǎng)。監(jiān)控服務器需插Industrial Ethernet和Ethernet雙網(wǎng)卡，擔當Industrial Ethernet和Ethernet之間的網(wǎng)關。

　　控制系統(tǒng)可以整線工作，又能局部段連接工作，也能各段相對獨立工作，非常靈活。根據(jù)系統(tǒng)的要求監(jiān)控站和服務器由工控機組成（如果監(jiān)控站環(huán)境較好，普通計算機就可以），操作系統(tǒng)分別為Windows2000 pro和Windows2000 Server?？刂破鞑捎脦滋譙IEMENS S7-400控制器和相應通訊處理器CP。服務器作為數(shù)據(jù)采集及與控制器交換數(shù)據(jù)，也可以同時對三個系統(tǒng)實施控制，以增強系統(tǒng)的靈活性。服務器對現(xiàn)場檢測的所有物理參數(shù)（閥、電機、泵、溫度、壓力、液位、流量）進行數(shù)據(jù)采集并進行適當處理，以用于計量、計算、控制、報警;并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到各工作站，將各工作站的控制信號發(fā)送到控制器。

　　由于料香中有些屬于易爆型，采用PROFIBUS-PA總線技術，構成本質(zhì)安全的結構。DP和PA總線段的耦合采用PROFIBUS DP/PA Link - 即智能DP/PA總線鏈接耦合器，使得在PA總線段速度為45K的情況下 DP總線段的速度（實際運行時為1.5M）不降速。

　　考慮到輸送料、香時要與距離100m外的制絲生產(chǎn)線的加料、香點控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信，儲存系統(tǒng)需在本地總線網(wǎng)絡裝接中繼器，保證與制絲生產(chǎn)線的通信信號可靠。用PROFIBUS DP/DP總線耦合器實現(xiàn)本地DP總線與制絲線DP總線的通訊連接。

　　需要注意的是DP總線中繼器在網(wǎng)絡中呈透明態(tài)，不占用站點數(shù)，但DP/PA鏈接耦合器和DP/DP耦合器均以一個DP從站的形式存在。

4 料香配送系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)

　　控制系統(tǒng)的監(jiān)控軟件采用Intellution 公司的2.50版的iFIX工業(yè)組態(tài)軟件, 工作平臺為Windows 2000系列。iFIX 是一套實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，過程可視化及過程監(jiān)控功能的高性能的工業(yè)自動化軟件解決方案。具有一下優(yōu)點：擁有完備的工業(yè)圖形庫;人機界面具有良好的開放性，支持以太網(wǎng)、PROFIBUS;支持TCP/IP、網(wǎng)絡DDE、ODBC、OPC、SQL、Internet等標準通訊協(xié)議;Client/Server結構，完整的OPC的客戶服務器模式的支持; 內(nèi)置微軟的Visual Basic for Application 作為腳本程序，使用戶編程更加靈活，系統(tǒng)功能更為強大。IFIX數(shù)據(jù)流結構如圖4所示。

　　考慮到具體應用和監(jiān)控系統(tǒng)成本，使用iFIX組態(tài)軟件的有限點服務器版（安裝在服務器上）和幾套客戶版（安裝在監(jiān)控站上）。服務器的操作系統(tǒng)是Windows 2000 Server，用做監(jiān)控畫面的開發(fā)，并作為數(shù)據(jù)服務器運行;客戶版用于運行監(jiān)控畫面。監(jiān)控站和服務器之間采用TCP/IP協(xié)議通訊，最高通訊速率10Mbps。

　　IFIX Server作為SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition 監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)獲取）節(jié)點方式運行，通過iFIX和PLC之間的接口I/O Driver從PLC中讀寫數(shù)據(jù)并存入PDB（Process Database過程數(shù)據(jù)庫）。IFIX Client瀏覽SCADA節(jié)點，從SCADA節(jié)點獲取本地數(shù)據(jù)或其它授權遠程數(shù)據(jù)。

5 料香配送系統(tǒng)關鍵通信機制

　　控制系統(tǒng)中主要有三種典型通信方式：IFIX Server作為SCADA節(jié)點與PLC;配料系統(tǒng)PLC與儲存區(qū)PLC;儲存區(qū)PLC與制絲線加料香點通過DP總線耦合通信。第一中已在4中做了介紹，以下介紹另外兩種通信方式的關鍵技術。

　　5.1 PLC之間的通信

　　由系統(tǒng)整體結構圖可以看出，PLC之間的通信是基于工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡通信，用CP（Communication Processor 通信處理器）實現(xiàn)。本地CP配置遠程CP的基本接口地址和以太網(wǎng)地址（通道上的物理地址），用PLC提供的專門用于CP通信的指令即可實現(xiàn)高速通信。

　　5.2 儲存系統(tǒng)與加料香系統(tǒng)之間的通信

　　這種通信借助DP/DP耦合器來實現(xiàn)。對通信兩側的任一DP總線側，DP/DP耦合器具有獨立總線地址和輸入輸出I/O地址，本地的輸出區(qū)對應于對方的輸入?yún)^(qū)，反之亦然。所以實際使用時只需將本地的輸出區(qū)和輸入?yún)^(qū)分別與對方的輸入?yún)^(qū)和輸出區(qū)配置同樣的I/O地址空間即可。

6 結束語

　　現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)作為當今工業(yè)自動控制領域的新技術，在許多行業(yè)都得到了成功應用。本文以煙草企業(yè)料香配送系統(tǒng)為應用背景，詳細介紹了基于PROFIBUS現(xiàn)場總線技術結合工業(yè)以太網(wǎng)技術的料香配送控制系統(tǒng)網(wǎng)絡層次和組成結構，并分析了監(jiān)控方式和通信機制。該系統(tǒng)在國內(nèi)某大型煙草企業(yè)投入運行1年來運行效果良好，比起老式DCS控制系統(tǒng)大大降低操作人員和系統(tǒng)維護人員的勞動強度，顯著提高經(jīng)濟效益。這種典型管控一體化三層網(wǎng)絡控制系統(tǒng)對其它行業(yè)的控制系統(tǒng)構建有重要參考價值。

參考文獻

　　[1] 鄔寬明. 現(xiàn)場總線應用技術選編1. 北京航空航天大學出版社. 2003.1.

　　[2] 于浩洋. PROFIBUS現(xiàn)場總線概述. 自動化與儀表. 2002

　　[3] 陽宗慧主編，現(xiàn)場總線技術及其應用，清華大學出版社，1999

作者簡介：

　　趙波浪（1978.7-），男，漢族，西安交通大學自動控制研究所碩士研究生。研究方向：先進控制系統(tǒng)、智能交通系統(tǒng)。

　　邱祖廉（1938-），男，漢族，西安交通大學自動控制研究所教授、博士生導師。研究方向：控制理論與控制工程、智能交通系統(tǒng)、大系統(tǒng)控制等。