基于FCS和工業(yè)以太網(wǎng)和PLC器件實(shí)現(xiàn)料香配送控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(guān)重要。采用PROFIBUS FCS（Fieldbus Control System 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)連接的可編程邏輯控制器以及運(yùn)行于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)之上的組態(tài)軟件構(gòu)建三層管控一體化網(wǎng)絡(luò)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(jìn)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(jié)構(gòu)

料香配送系統(tǒng)工藝結(jié)構(gòu)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(dāng)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(jìn)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(shí)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(gè)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(shè)計(jì)，儲存系統(tǒng)的總電源可以由配料區(qū)和制絲線遠(yuǎn)程開啟。

2、 基于FCS和工業(yè)以太網(wǎng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)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(shè)備的智能化與功能自治性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性、現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性等特點(diǎn)。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(fèi)用、節(jié)省維護(hù)開銷、用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)、提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。

FCS從網(wǎng)絡(luò)概念上說，還是一個(gè)低帶寬的底層控制網(wǎng)絡(luò)。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(luò)結(jié)構(gòu)的底層，因而又稱之為底層網(wǎng)Infranet。它作為網(wǎng)絡(luò)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(fù)著生產(chǎn)運(yùn)行一線測量控制的特殊任務(wù)，它要求信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性強(qiáng)，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(lǐng)域廣泛使用。

2.2 PROFIBUS 現(xiàn)場總線介紹

PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)是德國國家科學(xué)技術(shù)部于1986年?duì)款^組織開發(fā)，1990年完成國家工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)——PROFIBUS現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的制定。根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)分為PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA三個(gè)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(shè)備分散I/O之間通信設(shè)計(jì)，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(dá)12Mbps，一般構(gòu)成單主站系統(tǒng);PROFIBUS-FMS主要解決車間級通用性通信任務(wù)，提供大量的通信服務(wù)，完成中等速度的循環(huán)和非循環(huán)通信任務(wù)，用于傳感器和執(zhí)行器、可編程邏輯控制器、低壓開關(guān)設(shè)備等一般自動化控制;PROFIBUS-PA專為過程自動化設(shè)計(jì)，提供標(biāo)準(zhǔn)的本質(zhì)安全傳輸技術(shù)，用于對安全性要求較高的場合及有總線供電的站點(diǎn)。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(luò)層次結(jié)構(gòu)

一般來講，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可分為3層：信息層、控制層和設(shè)備層（傳感/執(zhí)行層），基于PROFIBUS的管控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)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(shè)備層一般采用不同的現(xiàn)場總線或其他專用網(wǎng)絡(luò)。目前，以太網(wǎng)已經(jīng)滲透到了控制層和設(shè)備層，幾乎所有的PLC和遠(yuǎn)程I/O供應(yīng)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(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)的工藝布置及控制要求，配料系統(tǒng)有400個(gè)開關(guān)量輸入點(diǎn)，180個(gè)開關(guān)量輸出點(diǎn)，50多個(gè)模擬量輸入點(diǎn)。儲存系統(tǒng)有330個(gè)開關(guān)量輸入點(diǎn)，150個(gè)開關(guān)量輸出點(diǎn)，30多個(gè)模擬量輸入點(diǎn)。考慮到控制系統(tǒng)復(fù)雜的控制過程，模擬量和開關(guān)量的I/O點(diǎn)數(shù)多，分布地點(diǎn)比較分散，處理的數(shù)據(jù)量大，同時(shí)為了系統(tǒng)能可靠的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控和聯(lián)網(wǎng)功能。

整個(gè)系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)即信息管理層、工業(yè) Ethernet網(wǎng)絡(luò)層和PROFIBUS控制層。三級網(wǎng)絡(luò)分別負(fù)擔(dān)各自的信息傳遞任務(wù)。監(jiān)控服務(wù)器、監(jiān)控客戶機(jī)和PLC接入Industrial Ethernet網(wǎng);監(jiān)控服務(wù)器同時(shí)要接入工業(yè)Ethernet網(wǎng)。監(jiān)控服務(wù)器需插Industrial Ethernet和Ethernet雙網(wǎng)卡，擔(dān)當(dāng)Industrial Ethernet和Ethernet之間的網(wǎng)關(guān)。

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(dú)立工作，非常靈活。根據(jù)系統(tǒng)的要求監(jiān)控站和服務(wù)器由工控機(jī)組成（如果監(jiān)控站環(huán)境較好，普通計(jì)算機(jī)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(yīng)通訊處理器CP。服務(wù)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(shí)對三個(gè)系統(tǒng)實(shí)施控制，以增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性。服務(wù)器對現(xiàn)場檢測的所有物理參數(shù)（閥、電機(jī)、泵、溫度、壓力、液位、流量）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行適當(dāng)處理，以用于計(jì)量、計(jì)算、控制、報(bào)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(shù)，構(gòu)成本質(zhì)安全的結(jié)構(gòu)。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(shí)際運(yùn)行時(shí)為1.5M）不降速。

考慮到輸送料、香時(shí)要與距離100m外的制絲生產(chǎn)線的加料、香點(diǎn)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，儲存系統(tǒng)需在本地總線網(wǎng)絡(luò)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(shí)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(luò)中呈透明態(tài)，不占用站點(diǎn)數(shù)，但DP/PA鏈接耦合器和DP/DP耦合器均以一個(gè)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(shí)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(diǎn)：擁有完備的工業(yè)圖形庫;人機(jī)界面具有良好的開放性，支持以太網(wǎng)、PROFIBUS;支持TCP/IP、網(wǎng)絡(luò)DDE、ODBC、OPC、SQL、Internet等標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議;Client/Server結(jié)構(gòu)，完整的OPC的客戶服務(wù)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(qiáng)大。IFIX數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)如圖3所示。

考慮到具體應(yīng)用和監(jiān)控系統(tǒng)成本，使用iFIX組態(tài)軟件的有限點(diǎn)服務(wù)器版（安裝在服務(wù)器上）和幾套客戶版（安裝在監(jiān)控站上）。服務(wù)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(wù)器運(yùn)行;客戶版用于運(yùn)行監(jiān)控畫面。監(jiān)控站和服務(wù)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?。┕?jié)點(diǎn)方式運(yùn)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(diǎn)，從SCADA節(jié)點(diǎn)獲取本地?cái)?shù)據(jù)或其它授權(quán)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)。

5 、料香配送系統(tǒng)關(guān)鍵通信機(jī)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(diǎn)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(diǎn)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(guān)鍵技術(shù)。

5.1 PLC之間的通信

由系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)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(luò)通信，用CP（CommunicaTIon Processor 通信處理器）實(shí)現(xiàn)。本地CP配置遠(yuǎn)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(shí)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(shí)現(xiàn)。對通信兩側(cè)的任一DP總線側(cè)，DP/DP耦合器具有獨(dú)立總線地址和輸入輸出I/O地址，本地的輸出區(qū)對應(yīng)于對方的輸入?yún)^(qū)，反之亦然。所以實(shí)際使用時(shí)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(jié)束語

現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)作為當(dāng)今工業(yè)自動控制領(lǐng)域的新技術(shù)，在許多行業(yè)都得到了成功應(yīng)用。本文以煙草企業(yè)料香配送系統(tǒng)為應(yīng)用背景，詳細(xì)介紹了基于PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的料香配送控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層次和組成結(jié)構(gòu)，并分析了監(jiān)控方式和通信機(jī)制。該系統(tǒng)在國內(nèi)某大型煙草企業(yè)投入運(yùn)行1年來運(yùn)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(hù)人員的勞動強(qiáng)度，顯著提高經(jīng)濟(jì)效益。這種典型管控一體化三層網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)對其它行業(yè)的控制系統(tǒng)構(gòu)建有重要參考價(jià)值。