摘　要：本文以玻璃配料生產(chǎn)線為例，介紹現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）。討論基于PROFIBUS總線的控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和工作原理。該控制系統(tǒng)穩(wěn)定的運(yùn)行情況表明現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) 玻璃配料 PROFIBUS 1 引言 　　原料配料是玻璃生產(chǎn)工藝的核心。對(duì)原料進(jìn)行科學(xué)的配比和精確的計(jì)量是保證玻璃質(zhì)量的首要條件，而配料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是影響配料工藝質(zhì)量?jī)?yōu)劣的關(guān)鍵。目前，國(guó)內(nèi)玻璃生產(chǎn)線采用的控制系統(tǒng)大都為集散控制系統(tǒng)（DCS），這種控制系統(tǒng)大多為模擬數(shù)字混合系統(tǒng)，尚未形成從測(cè)控設(shè)備到操作控制計(jì)算機(jī)的完整網(wǎng)絡(luò)，在技術(shù)上有很大的局限性。由于采用單一信號(hào)傳輸以致可靠性差，互操作性差，不能很好的對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。 　　現(xiàn)場(chǎng)總線是綜合運(yùn)用微處理器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的產(chǎn)物。它把微處理器置入現(xiàn)場(chǎng)自控設(shè)備，使設(shè)備具有數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力，提高了信號(hào)的測(cè)量、控制和傳輸精度[2]。近年來(lái)，隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的推廣，將傳統(tǒng)的配料控制系統(tǒng)改進(jìn)為基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)成為科技進(jìn)步的必然趨勢(shì)。本文結(jié)合工程實(shí)際，介紹了一種基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的玻璃配料控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。 　　2 現(xiàn)場(chǎng)總線與現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) 　　現(xiàn)場(chǎng)總線是安裝在生產(chǎn)過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。其中，“生產(chǎn)過(guò)程”包括斷續(xù)生產(chǎn)過(guò)程和連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程兩類(lèi)?；蛘撸F(xiàn)場(chǎng)總線是以單個(gè)分散的、數(shù)字化、智能化的測(cè)量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用總線相連接，實(shí)現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動(dòng)控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展迅速，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出40多種現(xiàn)場(chǎng)總線，其中有影響力的5種分別為FF、Profibus、HART、CAN、Lonworks。 　　現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將專(zhuān)用微處理器置入傳統(tǒng)的測(cè)量控制儀表，使它們具有了一定的數(shù)字計(jì)算及通信能力，成為獨(dú)立承擔(dān)某些控制、通信任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。它們分別通過(guò)雙絞線、同軸電纜、光纖等多種途徑進(jìn)行信息傳輸，這樣就形成了以多個(gè)測(cè)量控制儀表、計(jì)算機(jī)等作為節(jié)點(diǎn)連接成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?？梢哉J(rèn)為，現(xiàn)場(chǎng)總線是通信總線在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中的延伸，允許將各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如變送器、調(diào)節(jié)閥、基地式控制器、記錄儀、顯示器、PLC及手持終端和控制系統(tǒng)之間，通過(guò)同一總線進(jìn)行雙向多變量數(shù)字通訊。 　　現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System）是繼集散控制系統(tǒng)（DCS）之后，出現(xiàn)的又一種新型的工業(yè)控制系統(tǒng)。它是依靠具有檢測(cè)、控制、通信能力的微處理芯片，數(shù)字化儀表（設(shè)備）在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)徹底分散控制，并以這些現(xiàn)場(chǎng)分散的測(cè)量，控制設(shè)備單個(gè)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，將這些點(diǎn)以總線形式連接起來(lái)，形成一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。它是屬于最底層的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)，它將原來(lái)集散型的DCS系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)的功能，全部分散在各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處。為此，可以將原來(lái)封閉、專(zhuān)用的系統(tǒng)變成開(kāi)放、標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)。它改變了原有的控制體系結(jié)構(gòu)，使模擬與數(shù)字混合的集散控制，更新為全數(shù)字的控制，它用開(kāi)放的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，將現(xiàn)場(chǎng)各控制器及智能儀表互聯(lián)，構(gòu)成可操作的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。它把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)，真正做到控制分散、危險(xiǎn)分散、集中監(jiān)控和全數(shù)字化。因此，F(xiàn)CS實(shí)質(zhì)是一種開(kāi)放的、可互操作性的、徹底分散的、分布式控制系統(tǒng)，因此比DCS又前進(jìn)了一步。 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）與傳統(tǒng)集散控制系統(tǒng)DCS構(gòu)對(duì)比如圖1所示。 　　3 基于Profibus總線的玻璃配料控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 　　3.1 Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線概述 　　PROFIBUS是SIEMENS公司推出的一種開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，它不依賴生產(chǎn)廠家，各種各樣的自動(dòng)化設(shè)備均可以通過(guò)同樣的接口交換信息。PROFIBUS用于分布式I/O設(shè)備、傳動(dòng)裝置、PLC和基于PC的自動(dòng)化系統(tǒng)。PROFIBUS由3個(gè)兼容部分組成[4]，即PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS。其中PROFIBUS-DP是一種高速低成本通訊連接，用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)和分散式I/O通訊，它的實(shí)時(shí)性好，數(shù)據(jù)傳輸速率9.6kbps-12Mbps，響應(yīng)時(shí)間為幾百微妙到幾百毫秒。數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)采用RS-485，傳輸介質(zhì)是可屏蔽雙絞線或光纖。此外，PROFIBUS-DP還提供智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報(bào)警處理及復(fù)雜設(shè)備在運(yùn)行中參數(shù)的確定。經(jīng)過(guò)擴(kuò)展的PROFIBUS-DP的診斷功能能對(duì)故障進(jìn)行快速定位，診斷信息在總線上傳輸并由主站采集，并且采用開(kāi)放式通信網(wǎng)絡(luò)，允許構(gòu)成單主站或多主站系統(tǒng)。PROFIBUS無(wú)論在其性能、開(kāi)放程度、可互換性和互可操作性上還是在其工業(yè)業(yè)績(jī)上都是比較突出的，因此在總線選型上選擇了PROFIBUS總線。 　　3.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和工作原理 　　整個(gè)控制系統(tǒng)是以傳感器結(jié)合PANTHER稱(chēng)重終端構(gòu)成的電子稱(chēng)重為基礎(chǔ)，以S7-300 PLC為控制核心，采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線和計(jì)算機(jī)組成一個(gè)有機(jī)整體，結(jié)合外圍的執(zhí)行設(shè)備完成對(duì)從原料料倉(cāng)口開(kāi)始到熔窯料倉(cāng)的配料輸送混合的全過(guò)程的自動(dòng)控制，同時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的報(bào)警，聯(lián)鎖進(jìn)行顯示和監(jiān)控，并完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的配方，生產(chǎn)數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)管理，以滿足玻璃生產(chǎn)對(duì)混合料的配料要求?；凇皽p量法”的玻璃配料系統(tǒng)工藝流程如圖2所示: 　　該系統(tǒng)具有手動(dòng)工作方式、自動(dòng)工作方式（PLC控制）、和在計(jì)算機(jī)監(jiān)控狀態(tài)下的全自動(dòng)工作方式三種。自動(dòng)配料時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)秤量站對(duì)料倉(cāng)中的物料重量進(jìn)行秤量，系統(tǒng)根據(jù)配方要求使用“減量法”控制排料，減量法排料值為配方值，采用兩次秤量的方式，當(dāng)滿足排料值時(shí)停止排料。排料同時(shí)啟動(dòng)傳輸皮帶機(jī)，將物料送到混合倉(cāng)混合，混合時(shí)啟動(dòng)自動(dòng)加水系統(tǒng)進(jìn)行定時(shí)加水?；旌线_(dá)到要求后由原熔皮帶機(jī)將混合料送到窯頭料倉(cāng)。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)這樣一次次循環(huán)來(lái)完成配料任務(wù)。 　　3.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制組成 　　以S7-300 PLC為中心，上位機(jī)與 PLC之間采用MPI網(wǎng)絡(luò)連接，PLC與高精度稱(chēng)重儀表之間由PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)連接，稱(chēng)重儀表是系統(tǒng)中的一個(gè)從站，PANTHER儀表將通過(guò)專(zhuān)用的PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線接口完成與SIEMENS的PLC的網(wǎng)絡(luò)化連接。自動(dòng)配料系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組成如圖3所示: 　　系統(tǒng)采用STEP V5.2進(jìn)行硬件組態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)控、配方管理以及數(shù)據(jù)的采集和記錄等功能。PLC的邏輯處理器選用西門(mén)子公司的S7-315 2DP的CPU，該CPU本身帶一個(gè)MPI通信接口和一個(gè)PROFIBUS-DP接口。上位機(jī)對(duì)下位機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理，對(duì)配方、打印和統(tǒng)計(jì)，傳送稱(chēng)量配方給下位機(jī)，啟動(dòng)稱(chēng)量操作，用監(jiān)控軟件監(jiān)視下位機(jī)的各運(yùn)行狀態(tài)，下位機(jī)分別對(duì)配料系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制。 　　安裝在PC上的STEP7編程軟件通過(guò)MPI與PLC通信，但是這些通信協(xié)議并未公開(kāi)，因此需采用西門(mén)子公司提供的PRODAVE工具箱[5]。PRODAVE的動(dòng)態(tài)鏈接數(shù)據(jù)庫(kù)（DLL）提供了大量的基于windows操作系統(tǒng)的DDL函數(shù)，供用戶解決PLC與PC間的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理問(wèn)題。上位機(jī)用通信函數(shù)直接讀寫(xiě)PLC中的數(shù)據(jù)，而不用編寫(xiě)PLC一側(cè)的通信程序。 　　PROFIBUS-DP接口負(fù)責(zé)與稱(chēng)重儀表通訊，將稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)和相關(guān)參數(shù)及時(shí)的輸送到主控制站。稱(chēng)重儀表采用應(yīng)用較廣的PANTHER稱(chēng)重終端，此儀表通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)接線盒采集稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)，其自帶的PROFIBUS-DP接口可方便的完成與PLC的通訊。 　　3.4 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì) 　　控制系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量輸入模塊，接收控制現(xiàn)場(chǎng)和操作按鈕信號(hào)以及馬達(dá)狀態(tài)反饋信號(hào)，開(kāi)關(guān)量輸出模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)馬達(dá)、氣缸、電磁閥、指示燈的啟?？刂疲M量輸出模塊控制現(xiàn)場(chǎng)秤量站給料機(jī)喂排料的速度。稱(chēng)重儀表的稱(chēng)量結(jié)果通過(guò)PROFIBUS-DP總線傳送至處理器。處理器根據(jù)接收到的按鈕信號(hào)、狀態(tài)反饋信號(hào)、稱(chēng)量值信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算，發(fā)出對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制信號(hào)，整個(gè)系統(tǒng)即以預(yù)定的程序自動(dòng)運(yùn)行。系統(tǒng)控制軟件流程如圖4所示: 　　3.5 系統(tǒng)特點(diǎn)分析 　?。?） 由于控制結(jié)構(gòu)上采用了FCS，與傳統(tǒng)的DCS相比節(jié)約了許多硬件設(shè)備。使用FCS可以減少1/2～2/3的隔離器、端子柜、I/O終端、I/O卡件、I/O文件及I/O機(jī)柜，這樣就節(jié)省了I/O裝置及裝置室的空間；同時(shí)減少大量電纜，使施工、調(diào)試大大簡(jiǎn)化。 　　（2） 現(xiàn)場(chǎng)總線可從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備獲取大量豐富信息，能夠更好的滿足工廠自動(dòng)化及CIMS系統(tǒng)的信息集成要求?，F(xiàn)場(chǎng)總線是數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)，它不單純?nèi)〈?-20mA信號(hào)，還可實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、故障、參數(shù)信息傳送。系統(tǒng)除完成遠(yuǎn)程控制，還可完成遠(yuǎn)程參數(shù)化工作。因此提高了控制系統(tǒng)的精度和可靠性。 　　（3） 由于現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備具有自診斷與簡(jiǎn)單故障處理的能力，并通過(guò)數(shù)字通訊將相關(guān)的診斷維護(hù)信息送往控制室，用戶可以查詢所有設(shè)備的運(yùn)行，診斷維護(hù)信息，以便早期分析故障原因并快速排除?？s短了維護(hù)停工時(shí)間，同時(shí)由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，連線簡(jiǎn)單而減少了維護(hù)工作量。 　?。?） 系統(tǒng)采用STEP7軟件統(tǒng)一編程和組態(tài)，使系統(tǒng)的調(diào)試更為簡(jiǎn)單方便，同時(shí)大大降低了系統(tǒng)維護(hù)的工作強(qiáng)度。 　　4 結(jié)束語(yǔ) 　　本系統(tǒng)采用了現(xiàn)場(chǎng)總線這一開(kāi)放的，具有可互操作的網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)各控制器及儀表設(shè)備互連起來(lái)，構(gòu)成了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，同時(shí)控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)，降低了調(diào)試、安裝和維護(hù)費(fèi)用。該系統(tǒng)在梅特勒－托利多稱(chēng)重配料諸多項(xiàng)目上投入使用，其運(yùn)行狀況良好，通訊和控制穩(wěn)定可靠，因此在工業(yè)控制領(lǐng)域中有很大的推廣價(jià)值。