PROFIBUS FCS 及工業Ethernet在料香配送系統中的應用

摘 要：介紹了基于PROFIBUS 現場總線結合工業以太網構建現代三層管控一體化網絡控制系統。以煙草行業中的料香配送生產線為應用背景，具體分析了控制系統的組成結構以及監控方案。

關鍵詞：PROFIBUS，現場總線控制系統，工業以太網

前言

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

1 料香配送系統工藝結構

　　料香配送系統工藝結構如圖1所示。由圖可見，料香配送系統由兩大部分組成：配料系統和儲存系統。配料系統接收廠級網調度系統發給的當天配料液（后簡稱料）、表香（后簡稱香）的牌號和產量，操作人員啟動控制系統進行自動生產，并將配制好的料香送至儲存區。儲存系統接收來自配料系統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）系統的命令完成輸送料香、回收余料和清洗管路等動作。儲存區的公共系統提供整個配送系統所需的壓縮空氣、工藝熱水和用于香料生產的溶劑。考慮到生產的保密性，配料區和儲存區建筑上隔離，通過工藝管路連接。儲存區按可以無人職守設計，儲存系統的總電源可以由配料區和制絲線遠程開啟。

2 基于FCS和工業以太網的控制系統結構

　　2.1 FCS簡介

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

　　FCS從網絡概念上說，還是一個低帶寬的底層控制網絡。它可與因特網（Internet）、企業內部網（Intranet）相連，且位于生產控制和網絡結構的底層，因而又稱之為底層網Infranet。它作為網絡系統最顯著的特征是具有開放統一的通信協議。由于現場總線肩負著生產運行一線測量控制的特殊任務，它要求信息傳輸的實時性強，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。本系統采用的PROFIBUS FCS即是其中一種，目前已在國內外工業自動化控制等領域廣泛使用。

　　2.2 PROFIBUS 現場總線介紹

　　PROFIBUS現場總線技術是德國國家科學技術部于1986年牽頭組織開發，1990年完成國家工業現場總線協議標準——PROFIBUS現場總線標準的制定。根據應用特點分為PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA三個兼容版本。其中PROFIBUS-DP是一種經過優化的高速通信連接，專為自動控制系統和設備分散I/O之間通信設計，用于分布式控制系統的高速數據傳輸，其傳輸速率可達12Mbps，一般構成單主站系統;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和非循環通信任務，用于傳感器和執行器、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提供以下三種數據傳輸類型：DP和FMS的RS485傳輸、PA的IEC1158-2傳輸和光纖（FO）。

　　2.3 基于PROFIBUS的管控系統網絡層次結構

　　一般來講，控制系統網絡可分為3層：信息層、控制層和設備層（傳感/執行層），基于PROFIBUS的管控系統網絡層次結構如圖2所示。傳統的控制系統在信息層大都采用以太網，而在控制層和設備層一般采用不同的現場總線或其他專用網絡。目前，以太網已經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的以太網接口的產品。

3 料香配送控制系統結構

　　根據系統的工藝布置及控制要求，配料系統有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]到控制系統復雜的控制過程，模擬量和開關量的I/O點數多，分布地點比較分散，處理的數據量大，同時為了系統能可靠的運行，實現數據采集監控和聯網功能，基于現場總線技術的控制系統網絡結構如下圖3。

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

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

　　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外的制絲生產線的加料、香點控制系統進行數據通信，儲存系統需在本地總線網絡裝接中繼器，保證與制絲生產線的通信信號可靠。用PROFIBUS DP/DP總線耦合器實現本地DP總線與制絲線DP總線的通訊連接。

　　需要注意的是DP總線中繼器在網絡中呈透明態，不占用站點數，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 料香配送系統的監控系統

　　控制系統的監控軟件采用Intellution 公司的2.50版的iFIX工業組態軟件, 工作平臺為Windows 2000系列。iFIX 是一套實現現場數據采集，過程可視化及過程監控功能的高性能的工業自動化軟件解決方案。具有一下優點：擁有完備的工業圖形庫;人機界面具有良好的開放性，支持以太網、PROFIBUS;支持TCP/IP、網絡DDE、ODBC、OPC、SQL、Internet等標準通訊協議;Client/Server結構，完整的OPC的客戶服務器模式的支持; 內置微軟的Visual Basic for Application 作為腳本程序，使用戶編程更加靈活，系統功能更為強大。IFIX數據流結構如圖4所示。

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

　　IFIX Server作為SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition 監視控制和數據獲?。┕濣c方式運行，通過iFIX和PLC之間的接口I/O Driver從PLC中讀寫數據并存入PDB（Process Database過程數據庫）。IFIX Client瀏覽SCADA節點，從SCADA節點獲取本地數據或其它授權遠程數據。

5 料香配送系統關鍵通信機制

　　控制系統中主要有三種典型通信方式：IFIX Server作為SCADA節點與PLC;配料系統PLC與儲存區PLC;儲存區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

　　由系統整體結構圖可以看出，PLC之間的通信是基于工業以太網的網絡通信，用CP（Communication Processor 通信處理器）實現。本地CP配置遠程CP的基本接口地址和以太網地址（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高速通信。

　　5.2 儲存系統與加料香系統之間的通信

　　這種通信借助DP/DP耦合器來實現。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，本地的輸出區對應于對方的輸入區，反之亦然。所以實際使用時只需將本地的輸出區和輸入區分別與對方的輸入區和輸出區配置同樣的I/O地址空間即可。

6 結束語

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

參考文獻

　　[1] 鄔寬明. 現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現場總線概述. 自動化與儀表. 2002

　　[3] 陽宗慧主編，現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、智能交通系統。

　　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、大系統控制等。