运用PROFIBUS实现烟草制丝线分散自动化

一、前言 PROFIBUS是目前国际上通用的现场总线标准之一，以其独有的特点、严格的认证范围、开放的标准和不断发展的应用行规，已成为最重要的现场总线标准[1]。广泛应用在制造业自动化、过程自动化和楼宇自动化中。根据需要，有三种主要类型的现场总线： 1、PROFIBUS-DP：主站和从站之间采用轮循的通讯方式，主要应用于制造业自动化系统中单元级和现场级间的通讯，采用DP协议。特点是少量数据的高速通信和高性能系统的可用性，最高可达12Mbit/s。 2、PROFIBUS-FMS：主要用于自动化系统中系统级和车间级的过程数据交换，用于不同供应商的自动化系统之间的传输数据，采用FMS令牌协议。 3、PROFIBUS-PA：以PROFIBUS-DP为基础，主要应用于制造业自动化系统中单元级和现场级通讯，PROFIBUS-PA仪表有两种类型，一种应用于普通区域，一种应用于危险区域，和PROFIBUS-DP通讯协议相同。 卷烟厂制丝车间是一个庞大的车间，设备多而分散，随着技术改造的逐步深入，现场总线系统的应用日益普遍。原因之一是：现场总线系统实现了数字和模拟输入/输出模块、智能信号装置和过程调节装置与可编程逻辑控制器（PLC）和PC之间的数据传输，把I/O通道分散到实际需要的现场设备附近，使安装和布线的费用开销减少到最小，从而使成本费用大大地节省。原因之二是：标准化的现场总线具有“开放”的通信接口，允许用户选用不同制造商生产的分散I/O装置和现场设备。 二、PROFIBUS网络的构成 制丝车间设备控制层主要应用PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA两种总线控制方式。 1、PROFIBUS-DP PROFIBUS-DP具有开放性，可连接不同厂商的控制元件（带DP口），形成一个兼容、完善的控制系统，有利于提高系统的灵活性和可移植性，是业界用于现场级最快的总线标准。其主要特点如下： ①PROFIBUS-DP通讯速率最高可达12Mbit/s。 ②PROFIBUS-DP采用主-从方式进行工作。PLC级为主站,现场分布I/O等为从站. ③PROFIBUS-DP使用基于RS485标准的物理层，是一个两线时差分系统，具有很强的抗电磁干扰能力。 ④最多可连接125个节点，即125个带DP口的设备、仪器仪表等，每个总线段最多32个节点。 ⑤传输距离可达23.8km。对于PROFIBUS-DP而言，最大允许的总线长度，亦称为段长度，取决于传输速率（见表一）。 天水卷烟厂主站PLC采用S7-400，通过西门子光纤工业以太网连接各PLC，实现主站之间的数据交换。设备控制层采用西门子PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA现场总线技术，其中分布式I/O从站、AS-I总线系统、变频器、电子秤、水分仪等通过PROFIBUS-DP接口与主站（S7-400）进行信息通讯，执行主站下达的指令；电磁流量计、电气阀门定位器等仪器仪表通过PROFIBUS-PA总线技术转换，连接到PROFIBUS-DP总线上。运用PROFIBUS现场总线技术实现传输信息数字化，提高信号采集的精度，进一步实现智能控制。 根据使用情况，列出PROFIBUS-DP所用器件： ①ET200S分布式I/O：ET200S 分布式I/O系统是西门子的一项创新技术，它的离散式结构确保了它的灵活性。现场7.5Kw以下除变频器软启动器控制以外的电机均采用ET200S电机启动器控制。安装方式快速、便捷，所有电子模块及负载馈电器模块都插入在纯机械的端子模块内，这些端子模块包括了所有的接线，并可安装在35x15mm或35x7.5mmDIN导轨上，减小了接线成本及时间，部件的高度集成性，大大缩小了安装空间。与PROFIBUS-DP通讯采用IM151 PROFIBUS-DP接口模块，其型号为6ES7 151-1AA03-0AB0。 ②ET200M：ET200M是模块化I/O站，保护等级为IP20。由IM153接口模块和S7-300 I/O模块组成。IM153接口模块用于与PROFIBUS-DP现场总线连接，通过IM153接口模块可以与主站PLC间进行通讯及数据处理等。 ③As-I总线：As-I（Actuator-Sensor Interface）是执行器-传感器接口的英文缩写。它是一种用于控制器（主站、Master）和传感器/执行器（从站、Slave）之间双向交换信息、主从结构的总线网络。使靠近现场的传感器、执行器和操作员终端等能够连成最底层控制系统，这是自动化技术中一种最简单、成本最低的解决方案。天水卷烟厂制丝线设备中的贮柜大多采用As-I总线控制方式，将贮柜上的光电开关、接近开关等检测元件接入P+F的总线输入端子，然后经过网关与PROFIBUS-DP接口连接，网关型号为VAG-PB-KF-R4。 AS-I总线，采用简单的两芯总线电缆，把现场所有的I/O模块连接起来，这样，既节约用线量，又节约了接线时间，它还具有以下特点： ① 高实时性：一个AS-I总线系统可以带62个从站，最大轮循时间为10毫秒[2]。 ② 绝缘穿刺技术：AS-I电缆已成为AS-I总线的一个标志数据，数据传输与电源共用一根导线，由于采用一种特殊的穿刺安装方法把线压在连接件上，连接简单，安装迅速，并可防极性翻转。 ③ 网络拓扑结构：AS-I总线网络可以象常规电气安装一样进行组态。拓扑结构包括总线型、星形、或树形结构。本现场所用典型结构如图一： 图一 AS-I总线典型网络结构图 贮柜上没有执行元件，故模块全部选用总线输入端子。 由于PROFIBUS-DP总线的应用，烟厂根据需要能够很方便地组建信息化管理网络。 基于上述原因，PROFIBUS-DP总线深受广大设计者和烟厂用户的欢迎。 2、PROFIBUS-PA PROFIBUS-PA以PROFIBUS-DP为基础，覆盖工业自动化的整个过程。PROFIBUS-PA使用位同步协议和电压模式以及速率为31.25Kbit/s的直流信号传输方式[3]，该标准可满足过程领域的特殊要求。其主要特点如下： ①PROFIBUS-PA现场总线通过转换器件可连到电气的RS485或使用光纤传输的PROFIBUS-DP系统中。 ②仅使用两根导线同时实现传输数据以及对PA总线上的设备、仪表进行供电。 ③使用段耦合器进行PROFIBUS-DP和PA的转换。 下面是一种典型的PROFIBUS-PA总线结构： 图二 典型的PROFIBUS-PA现场总线结构图 PROFIBUS-PA所用器件： ①、耦合器：是一台多功能的集成化设备，有两大类，分别应用于一般区域和危险防爆场合，其主要功能是： 转换异步和同步数据的格式和通讯速率。 通过电缆向总线仪表和设备提供电能。 使用隔离电路限制信号的能量、实现本安要求。 匹配RS485和IEC61158-2的电气信号。 DP/PA耦合器在PROFIBUS-DP上的传输速率是一定的，速率也比较低。如果系统规模较小，仅使用几台仪表，同时在PROFIBUS-DP一方的速率要求不高，则可以仅使用耦合器[3]；如果系统规模较大，同时PROFIBUS-DP一方要求速率较高，则要考虑链接器+耦合器的使用方法。烟厂制丝车间环境一般，故本次项目中所选耦合器类型为一般应用区域，型号为6ES7 157-0AC81 0XA0。 ②、链接器：是一种专门处理通讯任务的智能卡件，不仅包括专用的通讯处理芯片，还集成了RAM、ROM、内总线等部件。链接器的任务是协调耦合器与控制系统（CPU）之间的数据通讯工作。当上层总线PROFIBUS-DP要求速率高，或仪表数量超过十台时，需要使用链接器，在STEP7中硬件组态时链接器作为DP的一个从站，而耦合器是没有站址的，一个链接器最多可以带5个耦合器，一条PA总线上最多可接28块带PA口的仪表，本次项目中采用链接器+耦合器的工作方式。链接器型号为6ES7 157-0AA81 0XA0。 ③、T型头和终端电阻：T型头专门用于连接PA总线上的仪表和执行器，一条PA总线末端要有终端电阻，安装在PA总线末端仪表所用的T型头上，将T型头的头部换成终端电阻既可。终端电阻的目的是为了吸收总线上多余的反射能量。 ④、PA仪表：PROFIBUS-PA接口的现场仪表包括变送器、流量计、电气阀门定位器等。 ⑤、传输介质：本项目选用的传输介质是横截面积为0.8mm2、回路电阻44Ω/km、最大传输延迟为1.7微秒/公里的双芯屏蔽电缆。 链接器和耦合器设备安装在控制柜内，执行器/传感器等设备安装在生产现场，理论上最多能连接32台现场设备，实际应用中可以连接大约28台设备[4]，当总线长度不够时最多可用4个中继器进行扩展。 三、制丝车间设备的构成 以天水卷烟厂制丝车间为例，简要说明制丝车间的设备构成。 图三 天水卷烟厂制丝线设备网络结构图 制丝车间是卷烟生产的第一道工序，包括叶丝生产线和梗丝生产线，其目的是将复烤厂加工后的烟叶及烟梗分别进行回潮、加料、加香、切丝、烘丝、膨化，然后将加工后的烟丝按照工艺要求进行掺配，生产出适用于卷烟的成品烟丝。 本着便于管理操作、故障处理方便、运行方式灵活等特点，各个工艺段既能互相连在一起进行整线运行、参数统一调整，又能分段独立运行，满足生产工艺需要，设备控制层划分为叶片预处理段、叶片处理段、叶丝处理段、烟梗处理段、梗丝处理段、混丝加香段、贮丝及风力喂丝段、风送除尘段等九个子系统，其中高温管道式叶丝膨胀机组为独立单机控制系统，共十个主控站对各工艺段分别进行控制。每个主控站的设备层包括：电子秤、水分仪、变频器、ET200S站、ET200M站、As-I总线、智能仪表，As-I总线通过As-I总线网关与PROFIBUS-DP接口连接，智能仪表通过DP/PA转换器与PROFIBUS-DP接口连接，上述其它设备直接与PROFIBUS-DP接