采用PLC分布式控制和PROFIBUS總線實(shí)現(xiàn)浮法玻璃控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線介紹

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，工控領(lǐng)域也不斷產(chǎn)生先進(jìn)的控制模式，現(xiàn)場(chǎng)總線（FIELD BUS）就是順應(yīng)這一形勢(shì)發(fā)展起來的新技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通訊網(wǎng)絡(luò)。其中PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)是開放的、不依賴生產(chǎn)廠家通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。所以，在各種工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。

PROFIBUS是德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。由分散和外圍設(shè)備PROFIBUS—DP‘（Decentralized Periphery）、報(bào)文規(guī)范PROFIBUS-FMS （Fieldbus message Pe—riphery）、過程自動(dòng)化PR0FIBUS—PA （ProcessAutomation）組成了PROFIBUS系列。

其中，PROFIBUS-DP用于設(shè)備級(jí)的高速數(shù)據(jù)傳送，中央控制器（如PLC，PC），通過高速串行線同分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（如I／O，驅(qū)動(dòng)器，閥門等）進(jìn)行通信。PROFIBUS—DP具有快速、即插即用、高效低成本等優(yōu)點(diǎn)。在用于現(xiàn)場(chǎng)層的高速數(shù)據(jù)傳送時(shí)，主站周期地讀取從設(shè)備的輸入信息并周期地向從站設(shè)備發(fā)送輸出信息。除周期性數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS—DP還提供了智能化設(shè)備所需要的非周期性通訊以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報(bào)警處理。

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO 7498標(biāo)準(zhǔn)，PROFI—BUS的協(xié)議結(jié)構(gòu)以開放系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)OSI為參考模型，采用了該模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，隱去了第3～7層，而增加了直接數(shù)據(jù)連接擬合，作為用戶接口。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設(shè)備可調(diào)用的應(yīng)用功能。

2 、浮法玻璃控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀及問題的提出

上世紀(jì)7O年代初，洛陽玻璃廠率先使用浮法技術(shù)建成了我國第一條浮法玻璃生產(chǎn)線。浮法玻璃生產(chǎn)工藝是將原料在熔窯中高溫熔成玻璃液經(jīng)流道進(jìn)入錫槽，在地心引力及本身表面張力作用下玻璃液浮于熔融的錫液表面，經(jīng)過渡輥臺(tái)進(jìn)入退火窯，并在退火窯內(nèi)實(shí)現(xiàn)退火冷卻，最后進(jìn)入冷端切割、裝箱。浮法玻璃生產(chǎn)線主要由熔窯、錫槽、退火窯及冷端設(shè)備組成。而由熔窯、錫槽及退火窯三大熱工設(shè)備組成的熱端生產(chǎn)系統(tǒng)，是一個(gè)多變量（如流量、溫度、壓力、速度、開關(guān)量等）、多任務(wù)（如玻璃熔窯溫度控制，助燃風(fēng)與燃料燃燒控制，油壓油溫控制，霧化介質(zhì)壓力控制，玻璃液位與窯壓控制，廢氣中氧含量控制，流道玻璃液溫度控制，換向過程控制，保護(hù)氣體流量、壓力、罩內(nèi)、槽內(nèi)壓力檢測(cè)及控制，錫槽空間溫度檢測(cè)及控制，錫槽各對(duì)拉邊機(jī)間的控制，退火窯玻璃板溫度與控制，退火窯輥道速度控制等）、多設(shè)備（如電機(jī)、閥門、調(diào)功器、閘板等）并具有時(shí)變性、耦合性和隨機(jī)性的復(fù)雜非線性系統(tǒng)。國內(nèi)浮法玻璃生產(chǎn)線在9O年代后多采用DCS集散系統(tǒng)控制，取代原來的常規(guī)儀表和手動(dòng)操作，在實(shí)現(xiàn)玻璃生產(chǎn)的分散自動(dòng)控制和集中管理方面，取得了一定的進(jìn)展。但基于DCS的系統(tǒng)存在一些重要缺陷， 一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的DCS系統(tǒng)是自封閉式的集散系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間以及系統(tǒng)與外界之間的交互和共享，使自動(dòng)化系統(tǒng)成為“信息孤島”；另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)DCS系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)底層傳感器和數(shù)據(jù)采集器之間采用一對(duì)一物理連線和模擬信號(hào)傳輸導(dǎo)致大范圍布線，給現(xiàn)場(chǎng)施工帶來很大麻煩，同時(shí)信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力也較差。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，生產(chǎn)線的上述問題逐步得到了解決。

3、 浮法玻璃生產(chǎn)線控制的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)對(duì)某浮法玻璃生產(chǎn)線的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)進(jìn)行一下介紹。該系統(tǒng)采用PROFIBUS—DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)并帶有冗余技術(shù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)控制與管理系統(tǒng)，對(duì)浮法玻璃生產(chǎn)進(jìn)行過程控制與信息管理?？刂葡到y(tǒng)采用綜合模糊控制方式，實(shí)現(xiàn)熔化、錫槽、退火浮法玻璃三大熱工設(shè)備的過程控制與信息管理，圖1是三大熱工設(shè)備控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由于系統(tǒng)比較復(fù)雜，涉及的操作點(diǎn)、控制點(diǎn)比較多，如果選用傳統(tǒng)的控制方式電纜數(shù)量將非常的多，很不經(jīng)濟(jì)，而且維護(hù)和調(diào)試的難度都很大。因此我們采用分散控制、集中監(jiān)控的PLC分布式控制系統(tǒng)，選用了現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)工作現(xiàn)場(chǎng)、控制柜以及主控臺(tái)之間的復(fù)雜控制。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)為上位機(jī)操作站，下位機(jī)控制主站及控制從站，上位機(jī)采用IBM 工控機(jī)和西門子WINCC監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)工藝流程顯示。為了提高系統(tǒng)的可靠性，下位機(jī)主站采用雙冗余的西門子S7—400系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，選用功能強(qiáng)大的CPU414—2DP作為PROFIBUS-DP的網(wǎng)絡(luò)主站，3套具有硬件冗余的ET200M作為從站，每個(gè)從站包括2個(gè)IM153—2接口模塊和若干個(gè)I／O模塊。ET2OOM 通過PROFIBUS專用電纜和S7—400進(jìn)行通訊，上位機(jī)與下位機(jī)通過以太網(wǎng)通訊，我們使用一對(duì)CP通訊卡（CP443—1），完成數(shù)據(jù)的采集和相互傳送。

通過圖1，我們可以看到，冗余系統(tǒng)由兩套PLC控制系統(tǒng)組成。正常工作時(shí)，A （MASTERPROFIBUS）系統(tǒng)為主，B （RESERVE PROFIBUS）系統(tǒng)為備用，當(dāng)主系統(tǒng)A 中的任何一個(gè)組件出錯(cuò)，控制任務(wù)會(huì)自動(dòng)切換到備用系統(tǒng)B當(dāng)中執(zhí)行，這時(shí)B系統(tǒng)為主，A系統(tǒng)為備用，這種切換過程是包括電源、CPU、通訊電纜和IM153接口模塊的整體切換。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，即使沒有任何組件出錯(cuò)，操作人員也可以通過設(shè)定控制字，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)的主備系統(tǒng)切換。

4、 硬件組態(tài)

控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)采用SIEMENS公司的STEP7和安裝軟冗余軟件包完成。軟冗余硬件組態(tài)在HARDWARE對(duì)話框中完成主系統(tǒng)與從站通訊鏈路（MASTER PROFIBUS）、備用系統(tǒng)與從站通訊鏈路（REsERVE PROFIBUS）、主系統(tǒng)與備用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步通訊鏈路（MPI或者PR0FIBUS）。一般我們采用速度較快的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。應(yīng)注意硬件組態(tài)中的各站地址不能重復(fù)。表1為系統(tǒng)元件的PROFIBUS硬件組態(tài)表。表2為S7- 400與上位機(jī)以太網(wǎng)通訊的硬件組態(tài)表。

5、 軟件編程

該系統(tǒng)同時(shí)使用熔窯、錫槽和退火三套遠(yuǎn)程從站，程序比較復(fù)雜，三套工作站原理各不相同，在編程時(shí)我們采用了模塊化編程，多重調(diào)用的方式，使得程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可讀性強(qiáng)。在熔窯控制系統(tǒng)軟件中包含的子程序有，玻璃熔窯溫度控制，助燃風(fēng)與燃料燃燒控制，油壓油溫控制，霧化介質(zhì)壓力控制，玻璃液位與窯壓控制，廢氣中氧含量控制，流道玻璃液溫度控制及換向過程控制。在錫槽控制系統(tǒng)軟件中的包含子程序有，保護(hù)氣體流量、壓力、罩內(nèi)、槽內(nèi)壓力檢測(cè)及控制，可控硅電加熱器控制，錫槽各對(duì)拉邊機(jī)間的控制。在退火窯控制系統(tǒng)軟件中的包含子程序有，退火窯玻璃板溫度與空間溫度檢測(cè)及控制，退火窯輥道速度控制。三大熱工設(shè)備控制回路多我們只對(duì)一套中的每個(gè)過程編寫FB塊，如果同一個(gè)過程的FB調(diào)用不同的背景數(shù)據(jù)塊，這樣就減少了程序的編寫量。在程序設(shè)計(jì)中根據(jù)助燃風(fēng)與燃料燃燒控制要求利用STEP7中的PID模塊對(duì)于助燃風(fēng)機(jī)的變頻器和換向閘板進(jìn)行控制，根據(jù)冗余要求PID控制應(yīng)放在定時(shí)中斷組織塊OB35中，一般情況下非冗余的程序放在主循環(huán)程序塊OB1中，把冗余的程序都放到了OB35中，并對(duì)其中的OB35、OBIO0（啟動(dòng)調(diào)用程序塊）、OB86 （主從站通訊出錯(cuò)調(diào)用該塊）進(jìn)行編程。

6 、結(jié)束語

本系統(tǒng)通過使用PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線，減少了大量布線?，F(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試的工作量大為降低，縮短了開發(fā)周期，提高了效率。目前該系統(tǒng)已經(jīng)投入生產(chǎn)，并通過鑒定。鑒定專家認(rèn)為：使用該系統(tǒng)，能使生產(chǎn)過程易于自動(dòng)控制，現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)穩(wěn)定，降低能耗，保證生產(chǎn)過程工藝的要求，同時(shí)減少運(yùn)行費(fèi)用、運(yùn)行維護(hù)和設(shè)備維修工作量少，提高產(chǎn)品的質(zhì)量與成品率，從而達(dá)到預(yù)期的效果。由于PROFIBUS—DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具有數(shù)據(jù)傳輸速度快、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，其必將在浮法玻璃控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。