1 現(xiàn)場總線的基本定義、特點、種類 按照國際電工委員會IEC/SC65C的定義，安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行和多點通訊的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線（Field Bus），以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)而發(fā)展起來的全數(shù)字控制系統(tǒng)稱作現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）[1]?，F(xiàn)場總線定義中包括了以下幾方面的內(nèi)容[2]：①現(xiàn)場通訊網(wǎng)絡(luò)；②現(xiàn)場設(shè)備互換；③互操作性；④分散功能塊；⑤通訊線供電；⑥開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。 現(xiàn)場總線（Fieldbus）是一種數(shù)字化的串行雙向通信系統(tǒng)。這一技術(shù)可將所有的現(xiàn)場設(shè)備（傳感器、執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動器等）與控制器用一根電纜（光纜或無線）連接在一起，形成現(xiàn)場設(shè)備級、車間級的數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò),可完成現(xiàn)場狀態(tài)監(jiān)測、控制、遠程傳輸?shù)裙δ堋，F(xiàn)場總線技術(shù)使現(xiàn)場級設(shè)備的信息作為整個企業(yè)信息網(wǎng)的基礎(chǔ)，使企業(yè)信息的采集控制直接延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場?，F(xiàn)場總線具有以下一些基本技術(shù)特征[3]：①系統(tǒng)的開放性；②互可操作性與互用性；③ 現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性；④系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性；⑤ 對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性。 由于現(xiàn)場總線所具有的以上特點，尤其是現(xiàn)場總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化，使控制系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、投運到正常生產(chǎn)運行及其檢修維護，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。這一技術(shù)代表了自動化的發(fā)展方向，是工業(yè)現(xiàn)場級設(shè)備通信的一場數(shù)字化革命，必將領(lǐng)導(dǎo)各領(lǐng)域自動化發(fā)展潮流。因此，世界各國、各公司都投入了大量的人力、財力在市場上展開了激烈的競爭?，F(xiàn)場總線技術(shù)自20世紀(jì)80年代后期起源于歐洲，目前以歐美地區(qū)最為發(fā)達。據(jù)不完全統(tǒng)計，世界上已出現(xiàn)過的總線種類近200種[4]。經(jīng)過十多年的競爭和完善，目前較有生命力的有十多種，并仍處于激烈的市場競爭之中，至今未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)起草起始于1984年。國際電工委員會在經(jīng)過長達15年的爭論之后，最終于2000年1月通過了修訂后的IEC 61158國際標(biāo)準(zhǔn)。IEC 61158標(biāo)準(zhǔn)包括8種類型的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)[5]：FF-H1，Control Net，Profibus，P-NET，F(xiàn)F-HSE，Swift Net，WorldFIP及interbus。 每一種總線都有各自適用的領(lǐng)域和技術(shù)特點。各種類型的現(xiàn)場總線采用完全不同的通信協(xié)議，要實現(xiàn)這些總線的相互兼容和互操作，目前是不可能的。國際上多種總線并存競爭的局面還將長期存在。 2 SINEC L2和CAN總線簡介及其在PASSIM 8000卷接機組電控系統(tǒng)中的應(yīng)用 2．1 SINEC L2總線技術(shù)特點和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 西門子公司早期推出的SINEC網(wǎng)絡(luò)系列產(chǎn)品包括SINEC S1、SINEC L2、SINEC H1、SINEC H3等四種。其中SINEC L2是一種適于中、小規(guī)模的工業(yè)局域網(wǎng)，它是以德國標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會DIN1925定義的德國現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS為基礎(chǔ)而設(shè)計的，符合國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的OSI（開放系統(tǒng)參考模型）。SINEC L2 網(wǎng)絡(luò)的主要技術(shù)特征如表1[6]所示。 2.2 CANB總線技術(shù)概要[8] CAN是控制器局部網(wǎng)絡(luò)Controllor Area Network的簡稱，最早由德國BOSCH公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。其總線規(guī)范現(xiàn)已被ISO國際標(biāo)準(zhǔn)組織制訂為國際標(biāo)準(zhǔn)，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域。它也是較早進入我國的現(xiàn)場總線之一，但并未列入最新頒布的IEC 61158 現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)中。 　　CAN總線信號傳輸介質(zhì)為雙絞線，通信速率最高可達1Mb/s（總線長度40m），直接傳輸距離最遠可達10km（通訊速率5kb/s），最多可掛接110個設(shè)備。 　　CAN支持多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任何節(jié)點均可在任意時刻主動向其它節(jié)點發(fā)送信息，支持點對點、一點對多點和全局廣播方式接收／發(fā)送數(shù)據(jù)。它采用總線仲裁技術(shù)，當(dāng)出現(xiàn)幾個節(jié)點同時在網(wǎng)絡(luò)上傳輸信息時，優(yōu)先級高的節(jié)點可繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級低的節(jié)點則主動停止發(fā)送，從而避免了總線沖突。 　　已有多家公司開發(fā)生產(chǎn)了符合CAN協(xié)議的通信芯片，如Intel公司的82527，Motorola公司的MC68HC05Ｘ4，Philips公司的82C250等。還有插在PC機上的CAN總線接口卡，具有接口簡單、編程方便、開發(fā)系統(tǒng)價格便宜等優(yōu)點。 2．3 SINEC L2和CAN總線在PASSIM8000卷接機組電控系統(tǒng)中的應(yīng)用 PASSIM 8000是九十年代初期英國MOLINS公司推出的新一代高速煙支卷接機組，作為PASSIM 7000 的升級產(chǎn)品，其電控系統(tǒng)有了顯著的改進。其中最為突出的就是采用了SINEC L2總線和CAN總線，在此基礎(chǔ)上采用4臺西門子S5系列PLC完成了機組的生產(chǎn)自動控制，并增加了人機界面監(jiān)控機組運行狀態(tài)，基本上構(gòu)成了一個比較完整的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1[9]所示。 系統(tǒng)中作為上位監(jiān)控站的PC/AT計算機系統(tǒng)選用的是基于VME總線的32位486 處理器，操作系統(tǒng)為Windows3.1。所有的功能模板均以64路DIN連接器的形式插在一個6U（160X233）mm的標(biāo)準(zhǔn)Eurocard機箱內(nèi)。系統(tǒng)中裝有CAN總線通訊接口板，串行通訊接口板，PROFIBUS總線通訊接口板可與機組各功能模塊和PLC進行數(shù)據(jù)傳輸，完成機組控制參數(shù)的設(shè)定和運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集。 卷煙機、接裝機和料斗的生產(chǎn)功能分別由各自的S5-95U PLC控制。S5-95U 的CPU模板上已帶有與SINEC L2網(wǎng)絡(luò)的接口，不再需要獨立的通信處理器模板，可直接聯(lián)接PROFIBUS總線。主PLC選用的是S5-115U，由它完成整個卷接機組的系統(tǒng)控制和管理工作：機組連鎖控制，與上位機PC/AT通信，PLC間通訊和管理，數(shù)據(jù)和狀態(tài)管理。S5-115U的CPU模板上未集成SINEC L2 通訊接口，因此在主PLC機架上選用了CP 5430通訊模塊（該模塊目前已升級為CP 5431）作為PROFIBUS總線的接口模塊。PLC之間、主PLC與上位機之間采用RS485接線端子，通過屏蔽雙絞線聯(lián)接，通訊協(xié)議采用的是SINEC L2-TF協(xié)議，通訊速率為187.5Kb/s。上位機選用SINEC TF/DDE Manager作為Windows與SINEC L2網(wǎng)的軟件接口。 PASSIM 8000在功能模塊電路設(shè)計上較有特色的一點是重量控制，稀釋度檢測，煙支剔除和高速系統(tǒng)的硬件組成完全一致，只是處理軟件不同。它們的控制核心是C167CR嵌入式處理器—西門子公司C166系列16位微控制器系列的高端產(chǎn)品。其處理速度可達10MIPS，片內(nèi)資源十分豐富，集成有CAN控制模塊（符合 Controller Area Network，2.0B 版本），通過Philips公司的CAN總線控制器接口82C250接入CAN網(wǎng)絡(luò)。在上位機中裝有CAN總線通訊處理板。因此，煙支重量控制，煙支質(zhì)量檢測等功能模塊可以通過CAN總線交換數(shù)據(jù)或與上位機通訊。 三．基于PROFIBUS-DP的ZJ19E現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS） 3．1 PROFIBUS總線技術(shù)概要 過程現(xiàn)場總線PROFIBUS（Process Fieldbus）技術(shù)于1987年，由SIEMENS公司等13家企業(yè)和5家科研機構(gòu)聯(lián)合提出；1989年批準(zhǔn)為德國標(biāo)準(zhǔn) DIN19245。經(jīng)應(yīng)用完善后，于1996年6月批準(zhǔn)為歐洲現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn) EN50170 V.2。目前PROFIBUS現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)已成為國際現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)IEC61158的一個組成部分。 PROFIBUS由三個兼容部分組成[10]，即PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）、PROFIBUS-PA（Process Automation）、PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification）。其中DP是PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)的3個兼容部分之一，是用于設(shè)備級的高速數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。它的通信介質(zhì)為屏蔽雙絞線或光纜，傳輸速率為9.6Kb/s至12Mb/s；傳輸?shù)臄?shù)據(jù)容量為每個報文多達244個字節(jié)；傳輸距離為100m-1200m，使用中繼器后傳輸距離還可加長；最多可掛127個站。 為了使第三方的設(shè)備和產(chǎn)品能夠方便地接入PROFIBUS總線，擴大PROFIBUS總線產(chǎn)品的種類、數(shù)量和市場占有率從而進一步擴大PROFIBUS總線的影響和應(yīng)用領(lǐng)域，以西門子公司為首的多家公司為各種不同功能和應(yīng)用提供了相應(yīng)的PROFIBUS接口ASIC芯片。例如，西門子公司的ASPC2、SPC3、DCP31、SPM2、LSMP等，并提供了相應(yīng)的開發(fā)工具包，使得用戶可以根據(jù)需要為自己開發(fā)的產(chǎn)品賦予 PROFIBUS總線通訊能力。這既為用戶提供了一條捷徑，也極大地提高了PROFIBUS總線技術(shù)應(yīng)用的靈活性。 3．2 基于PROFIBUS-DP的ZJ19E卷接機組電控系統(tǒng) ZJ19A卷接機組的電氣控制系統(tǒng)為英國MOLINS公司PASSIM 7000型的引進仿制產(chǎn)品。由于MOLINS公司在電控系統(tǒng)設(shè)計上的延續(xù)性，其接裝機的電控系統(tǒng)采用的是以微處理器為核心的單片機系統(tǒng)（MPU為8085系列，該系列單片機已經(jīng)逐步淘汰），全部控制及檢測功能均由電路板完成。系統(tǒng)外圍接口器件數(shù)量、型號繁多。有些器件已經(jīng)停產(chǎn)或性能落后，備件采購不便，給使用和維修帶來了不少困難。在硬件電路設(shè)計上各控制信號約束關(guān)系復(fù)雜，一旦某部分出現(xiàn)故障就會影響整個系統(tǒng)工作。其卷煙機部分雖然已采用了PLC控制，但它與機組其他電控系統(tǒng)之間接口關(guān)系復(fù)雜，傳遞信息內(nèi)容有限。整個機組的電控系統(tǒng)未能形成有機的整體。煙草行業(yè)是一家自動化生產(chǎn)水平較高的行業(yè)，各種新技術(shù)、新產(chǎn)品的應(yīng)用層出不窮，現(xiàn)場總線、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展很快。PASSIM 7000型機組電氣控制系統(tǒng)屬于八十年代產(chǎn)品，技術(shù)水平已經(jīng)落后；ZJ19A卷接機組在生產(chǎn)過程中也表現(xiàn)出了設(shè)計上的不完善之處，其更新?lián)Q代是必然趨勢。因此，中國煙機集團公司許昌煙草機械有限責(zé)任公司與中電科技集團第二十七所長河公司合作，研制開發(fā)了ZJ19E卷接機組，對原有機組的電控系統(tǒng)做了重大技術(shù)改進，開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的ZJ19E電控系統(tǒng)。 ZJ19E電控系統(tǒng)選擇西門子公司的S7-300系列可編程控制器,采用PROFIBUS總線技術(shù)和美國Wonderware公司的InTouch7.0工業(yè)組態(tài)軟件， 組成了以工業(yè)控制計算機和可編程控制器為核心的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）。 升級改造后的系統(tǒng)基本組成如圖2所示。 升級改造后的電控系統(tǒng)采用了PROFIBUS-DP單主站工作方式。西門子公司的工業(yè)控制計算機PC R145 PIII作為DP類型1主站。主PLC、重量控制單元、稀釋度檢測單元、空頭檢測單元作為四個PROFIBUS-DP從站。PC R145主板上集成有PROFIBUS-DP接口（功能和驅(qū)動程序與CP5611卡相同）和工業(yè)以太網(wǎng)接口。人機界面系統(tǒng)由液晶顯示器和觸摸屏組成，利用Wonderware公司的InTouch7.0工業(yè)組態(tài)軟件設(shè)計顯示畫面，能夠在規(guī)定的、重復(fù)的信息周期內(nèi)與DP從站交換數(shù)據(jù)，完成機組控制參數(shù)的設(shè)置、運行狀態(tài)的顯示，以及對機組各工作點進行故障診斷、功能測試。與原MAID-N系統(tǒng)所具有的采集機組部分運行狀態(tài)的功能相比省去了復(fù)雜的通訊接口，顯示內(nèi)容豐富直觀，操作簡便。這將極大提高對機組運行過程的監(jiān)控功能，便于煙廠用戶的使用和設(shè)備維護、管理。 主PLC、卷煙機PLC、接裝機PLC和料斗PLC均選用了CPU 315 可編程控制器，其CPU上集成有多點接口（MPI）。主PLC與其它三個PLC之間的數(shù)據(jù)交換通過MPI總線進行。MPI（Muti- Point Interface）總線是西門子公司為其S7系列PLC開發(fā)的一種通訊網(wǎng)絡(luò)[11]。它采用全局數(shù)據(jù)（Globe Data）通信模式，在PLC之間進行少量數(shù)據(jù)交換，它不需要額外的硬件和軟件，結(jié)構(gòu)簡單，端口管理與布線容易，連接成本低。它采用的也是RS485連接端子，屏蔽雙絞線，通訊速率為187.5Kb/s。完全能夠滿足四個PLC之間的通訊量和通訊速率的需要。 主PLC內(nèi)擴展了一塊PROFIBUS-DP通訊處理模塊—CP342-5作為DP從站，這樣可以分擔(dān)CPU模塊的通訊任務(wù)，提高通訊效率。CP342-5負責(zé)接收主站發(fā)送過來的操作指令和控制參數(shù)并傳送給CPU模塊，再通過MPI網(wǎng)將這些數(shù)據(jù)送到相應(yīng)的PLC節(jié)點；同時，CPU模塊還將各個PLC節(jié)點的上傳數(shù)據(jù)匯總、整理后通過CP342-5送往上位機。 煙支重量控制系統(tǒng)采用數(shù)字信號處理DSP（Digital Signal Processing）這一新興技術(shù)，在消化原MAID-N系統(tǒng)控制軟件，分析其煙支重量測量和控制的基礎(chǔ)上重新自行設(shè)計了全新的重量控制系統(tǒng)，簡化其硬件設(shè)計并新增了煙支緊頭位置自動跟蹤這一煙廠用戶迫切需求的功能。 接裝機煙支質(zhì)量檢測系統(tǒng)（包括煙支稀釋度檢測和煙支空頭檢測單元）采用高性能PIC單片機（哈佛流水線操作、內(nèi)含A/D轉(zhuǎn)換、EPROM、RAM等）為控制核心，采用現(xiàn)場可編程邏輯器件（FPGA）進行電路設(shè)計，主要由軟件完成計算、控制與通訊。大大簡化了電路設(shè)計，縮小設(shè)備體積并能方便直觀地完成控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)顯示。 煙支重量控制和煙支質(zhì)量檢測系統(tǒng)硬件開發(fā)中利用西門子公司的專用ASIC芯片SPC3（Siemens Profibus Controller）設(shè)計了PROFIBUS-DP通訊接口板。SPC3是PROFIBUS-DP從站智能通訊芯片，通過它可以較方便地將第三方自行設(shè)計的系統(tǒng)接入PROFIBUS。SPC3集成有完整的DP協(xié)議，能自動檢測9.6Kb/s到12Mb/s的總線通訊速率。芯片內(nèi)部集成有1.5K的RAM、多種寄存器、緩沖器、和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等。SPC3有8根數(shù)據(jù)線和11根地址線，其中低8位地址線和數(shù)據(jù)線復(fù)用，可以接80C32、80C166、80C165、HC16、HC196等單片機。西門子公司還提供了Development Kit4開發(fā)包作為通信接口開發(fā)的工具，用戶可以將其作為測試、開發(fā)平臺。 ZJ19E電控系統(tǒng)在某些方面已經(jīng)超越了進口PASSIM 8000。例如，PASSIM 8000其人機界面是基于WINDOWS3.1操作系統(tǒng),利用C語言編制而成的專用軟件。而ZJ19E電控系統(tǒng)的人機界面基于WINDOWS NT，利用專業(yè)的工業(yè)組態(tài)軟件編制。組態(tài)軟件功能強大，各種控件豐富，非常便于系統(tǒng)功能的升級。 另外PASSIM 8000雖然也采用了PROFIBUS總線技術(shù)，但其僅局限于主PLC與上位工控機之間的通訊。煙支重量控制系統(tǒng)與煙支質(zhì)量檢測系統(tǒng)同上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過CAN總線進行的。而升級改造后的ZJ19E電控系統(tǒng)只應(yīng)用了PROFIBUS一種總線就將系統(tǒng)各主要功能單元聯(lián)系在了一起，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單,并可以通過現(xiàn)場總線方便地接入上層網(wǎng)絡(luò)，這可以為煙廠用戶今后組建自動化生產(chǎn)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及CIMS打下堅實的基礎(chǔ)。 ZJ19E卷接機組電控系統(tǒng)的開發(fā)將改變國內(nèi)煙機電控系統(tǒng)長期依賴并落后于國外技術(shù)的狀況，為卷接機組電控系統(tǒng)的升級改造創(chuàng)出了一條新路，進而可以在其它同類設(shè)備上推廣使用，由此推動國內(nèi)煙草行業(yè)卷接設(shè)備的更新?lián)Q代。 4 結(jié)語 PROFIBUS是世界上第一個開放式現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，從1991年德國頒布FMS標(biāo)準(zhǔn)（DIN19245）至今已經(jīng)歷了十余年，現(xiàn)在已為全世界所接受。并于2001年被批準(zhǔn)成為中華人民共和國工業(yè)自動化領(lǐng)域行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中唯一的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。其應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋了從機械加工、過程控制、電力、交通到樓宇自動化的各個領(lǐng)域。 歐洲是世界上煙草機械生產(chǎn)制造水平最高的地區(qū)，其生產(chǎn)的煙草機械的電氣控制系統(tǒng)中采用的器件和技術(shù)多數(shù)都是歐洲廠家所提供的。而國產(chǎn)的煙機設(shè)備又基本上是引進歐洲國家的技術(shù)進行生產(chǎn)的。因此，PROFIBUS總線作為歐洲國家首推的國際現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，其在煙草行業(yè)的應(yīng)用有著得天獨厚的優(yōu)勢。此外，PROFIBUS在眾多的現(xiàn)場總線中以其超過40% 的市場占有率穩(wěn)居榜首。其產(chǎn)品每年增長20-30%。以著名的西門子公司為例，它可以提供上千種PROFIBUS產(chǎn)品，并已經(jīng)在國內(nèi)包括煙草行業(yè)的許多自動控制領(lǐng)域得到了應(yīng)用。“電子齒輪”、閥島、智能I/O、智能傳感器和交直流驅(qū)動器等等這些具有PROFIBUS通訊功能的產(chǎn)品在煙草行業(yè)的應(yīng)用方興未艾，可以預(yù)見煙草行業(yè)將掀起一場PROFIBUS技術(shù)的應(yīng)用熱潮， PROFIBUS必將占據(jù)煙草行業(yè)現(xiàn)場總線的主導(dǎo)地位。 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