摘　要：本文以玻璃配料生產線為例，介紹現場總線技術及現場總線控制系統（FCS）。討論基于PROFIBUS總線的控制系統的總體結構和工作原理。該控制系統穩定的運行情況表明現場總線技術在工業控制領域有著廣泛的應用前景。 關鍵詞：現場總線技術 現場總線控制系統 玻璃配料 PROFIBUS 1 引言 　　原料配料是玻璃生產工藝的核心。對原料進行科學的配比和精確的計量是保證玻璃質量的首要條件，而配料控制系統設計是影響配料工藝質量優劣的關鍵。目前，國內玻璃生產線采用的控制系統大都為集散控制系統（DCS），這種控制系統大多為模擬數字混合系統，尚未形成從測控設備到操作控制計算機的完整網絡，在技術上有很大的局限性。由于采用單一信號傳輸以致可靠性差，互操作性差，不能很好的對現場設備進行實時控制。 　　現場總線是綜合運用微處理器技術、網絡技術、通信技術和自動控制技術的產物。它把微處理器置入現場自控設備，使設備具有數字計算和數字通信能力，提高了信號的測量、控制和傳輸精度[2]。近年來，隨著現場總線技術的推廣，將傳統的配料控制系統改進為基于現場總線的控制系統成為科技進步的必然趨勢。本文結合工程實際，介紹了一種基于現場總線技術的玻璃配料控制系統的設計并在實際應用中取得了良好的效果。 　　2 現場總線與現場總線控制系統 　　現場總線是安裝在生產過程區域的現場設備/儀表與控制室內的自動控制裝置/系統之間的一種串行、數字式、多點通信的數據總線。其中，“生產過程”包括斷續生產過程和連續生產過程兩類。或者，現場總線是以單個分散的、數字化、智能化的測量和控制設備作為網絡節點，用總線相連接，實現相互交換信息，共同完成自動控制功能的網絡系統與控制系統。現場總線發展迅速，目前已經開發出40多種現場總線，其中有影響力的5種分別為FF、Profibus、HART、CAN、Lonworks。 　　現場總線技術將專用微處理器置入傳統的測量控制儀表，使它們具有了一定的數字計算及通信能力，成為獨立承擔某些控制、通信任務的網絡節點。它們分別通過雙絞線、同軸電纜、光纖等多種途徑進行信息傳輸，這樣就形成了以多個測量控制儀表、計算機等作為節點連接成的網絡系統。可以認為，現場總線是通信總線在現場設備中的延伸，允許將各種現場設備，如變送器、調節閥、基地式控制器、記錄儀、顯示器、PLC及手持終端和控制系統之間，通過同一總線進行雙向多變量數字通訊。 　　現場總線控制系統（Fieldbus Control System）是繼集散控制系統（DCS）之后，出現的又一種新型的工業控制系統。它是依靠具有檢測、控制、通信能力的微處理芯片，數字化儀表（設備）在現場實現徹底分散控制，并以這些現場分散的測量，控制設備單個點作為網絡節點，將這些點以總線形式連接起來，形成一個現場總線控制系統。它是屬于最底層的網絡系統，是網絡集成式全分布控制系統，它將原來集散型的DCS系統現場控制機的功能，全部分散在各個網絡節點處。為此，可以將原來封閉、專用的系統變成開放、標準的系統。它改變了原有的控制體系結構，使模擬與數字混合的集散控制，更新為全數字的控制，它用開放的現場總線網絡，將現場各控制器及智能儀表互聯，構成可操作的現場總線控制系統。它把控制功能徹底下放到現場，真正做到控制分散、危險分散、集中監控和全數字化。因此，FCS實質是一種開放的、可互操作性的、徹底分散的、分布式控制系統，因此比DCS又前進了一步。 現場總線控制系統（FCS）與傳統集散控制系統DCS構對比如圖1所示。 　　3 基于Profibus總線的玻璃配料控制系統的設計 　　3.1 Profibus現場總線概述 　　PROFIBUS是SIEMENS公司推出的一種開放式現場總線標準，它不依賴生產廠家，各種各樣的自動化設備均可以通過同樣的接口交換信息。PROFIBUS用于分布式I/O設備、傳動裝置、PLC和基于PC的自動化系統。PROFIBUS由3個兼容部分組成[4]，即PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS。其中PROFIBUS-DP是一種高速低成本通訊連接，用于設備級控制系統和分散式I/O通訊，它的實時性好，數據傳輸速率9.6kbps-12Mbps，響應時間為幾百微妙到幾百毫秒。數據傳輸技術采用RS-485，傳輸介質是可屏蔽雙絞線或光纖。此外，PROFIBUS-DP還提供智能化現場設備所需的非周期性通信以進行組態、診斷和報警處理及復雜設備在運行中參數的確定。經過擴展的PROFIBUS-DP的診斷功能能對故障進行快速定位，診斷信息在總線上傳輸并由主站采集，并且采用開放式通信網絡，允許構成單主站或多主站系統。PROFIBUS無論在其性能、開放程度、可互換性和互可操作性上還是在其工業業績上都是比較突出的，因此在總線選型上選擇了PROFIBUS總線。 　　3.2 系統總體結構和工作原理 　　整個控制系統是以傳感器結合PANTHER稱重終端構成的電子稱重為基礎，以S7-300 PLC為控制核心，采用PROFIBUS-DP現場總線和計算機組成一個有機整體，結合外圍的執行設備完成對從原料料倉口開始到熔窯料倉的配料輸送混合的全過程的自動控制，同時對整個系統的報警，聯鎖進行顯示和監控，并完成對整個系統的配方，生產數據和設備運行狀態管理，以滿足玻璃生產對混合料的配料要求。基于“減量法”的玻璃配料系統工藝流程如圖2所示: 　　該系統具有手動工作方式、自動工作方式（PLC控制）、和在計算機監控狀態下的全自動工作方式三種。自動配料時，現場秤量站對料倉中的物料重量進行秤量，系統根據配方要求使用“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，當滿足排料值時停止排料。排料同時啟動傳輸皮帶機，將物料送到混合倉混合，混合時啟動自動加水系統進行定時加水。混合達到要求后由原熔皮帶機將混合料送到窯頭料倉。系統經過這樣一次次循環來完成配料任務。 　　3.3 系統網絡控制組成 　　以S7-300 PLC為中心，上位機與 PLC之間采用MPI網絡連接，PLC與高精度稱重儀表之間由PROFIBUS-DP網絡連接，稱重儀表是系統中的一個從站，PANTHER儀表將通過專用的PROFIBUS現場總線接口完成與SIEMENS的PLC的網絡化連接。自動配料系統的網絡組成如圖3所示: 　　系統采用STEP V5.2進行硬件組態，實現系統設備的監控、配方管理以及數據的采集和記錄等功能。PLC的邏輯處理器選用西門子公司的S7-315 2DP的CPU，該CPU本身帶一個MPI通信接口和一個PROFIBUS-DP接口。上位機對下位機進行統一管理，對配方、打印和統計，傳送稱量配方給下位機，啟動稱量操作，用監控軟件監視下位機的各運行狀態，下位機分別對配料系統進行現場控制。 　　安裝在PC上的STEP7編程軟件通過MPI與PLC通信，但是這些通信協議并未公開，因此需采用西門子公司提供的PRODAVE工具箱[5]。PRODAVE的動態鏈接數據庫（DLL）提供了大量的基于windows操作系統的DDL函數，供用戶解決PLC與PC間的數據交換和數據處理問題。上位機用通信函數直接讀寫PLC中的數據，而不用編寫PLC一側的通信程序。 　　PROFIBUS-DP接口負責與稱重儀表通訊，將稱重數據和相關參數及時的輸送到主控制站。稱重儀表采用應用較廣的PANTHER稱重終端，此儀表通過現場接線盒采集稱重數據，其自帶的PROFIBUS-DP接口可方便的完成與PLC的通訊。 　　3.4 系統控制軟件設計 　　控制系統的開關量輸入模塊，接收控制現場和操作按鈕信號以及馬達狀態反饋信號，開關量輸出模塊實現對馬達、氣缸、電磁閥、指示燈的啟停控制，模擬量輸出模塊控制現場秤量站給料機喂排料的速度。稱重儀表的稱量結果通過PROFIBUS-DP總線傳送至處理器。處理器根據接收到的按鈕信號、狀態反饋信號、稱量值信號，經過運算，發出對現場設備的控制信號，整個系統即以預定的程序自動運行。系統控制軟件流程如圖4所示: 　　3.5 系統特點分析 　　（1） 由于控制結構上采用了FCS，與傳統的DCS相比節約了許多硬件設備。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機柜，這樣就節省了I/O裝置及裝置室的空間；同時減少大量電纜，使施工、調試大大簡化。 　　（2） 現場總線可從現場設備獲取大量豐富信息，能夠更好的滿足工廠自動化及CIMS系統的信息集成要求。現場總線是數字化通信網絡，它不單純取代4-20mA信號，還可實現設備狀態、故障、參數信息傳送。系統除完成遠程控制，還可完成遠程參數化工作。因此提高了控制系統的精度和可靠性。 　　（3） 由于現場控制設備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數字通訊將相關的診斷維護信息送往控制室，用戶可以查詢所有設備的運行，診斷維護信息，以便早期分析故障原因并快速排除。縮短了維護停工時間，同時由于系統結構簡化，連線簡單而減少了維護工作量。 　　（4） 系統采用STEP7軟件統一編程和組態，使系統的調試更為簡單方便，同時大大降低了系統維護的工作強度。 　　4 結束語 　　本系統采用了現場總線這一開放的，具有可互操作的網絡將現場各控制器及儀表設備互連起來，構成了現場總線控制系統，同時控制功能徹底下放到現場，降低了調試、安裝和維護費用。該系統在梅特勒－托利多稱重配料諸多項目上投入使用，其運行狀況良好，通訊和控制穩定可靠，因此在工業控制領域中有很大的推廣價值。