1 現場總線的基本定義、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域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行和多點通訊的數據總線稱為現場總線（Field Bus），以現場總線為基礎而發展起來的全數字控制系統稱作現場總線控制系統（FCS）[1]。現場總線定義中包括了以下幾方面的內容[2]：①現場通訊網絡；②現場設備互換；③互操作性；④分散功能塊；⑤通訊線供電；⑥開放式互聯網絡。 現場總線（Fieldbus）是一種數字化的串行雙向通信系統。這一技術可將所有的現場設備（傳感器、執行機構、驅動器等）與控制器用一根電纜（光纜或無線）連接在一起，形成現場設備級、車間級的數字化通信網絡,可完成現場狀態監測、控制、遠程傳輸等功能。現場總線技術使現場級設備的信息作為整個企業信息網的基礎，使企業信息的采集控制直接延伸到生產現場。現場總線具有以下一些基本技術特征[3]：①系統的開放性；②互可操作性與互用性；③ 現場設備的智能化與功能自治性；④系統結構的高度分散性；⑤ 對現場環境的適應性。 由于現場總線所具有的以上特點，尤其是現場總線系統結構的簡化，使控制系統的設計、安裝、投運到正常生產運行及其檢修維護，都體現出優越性。這一技術代表了自動化的發展方向，是工業現場級設備通信的一場數字化革命，必將領導各領域自動化發展潮流。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。現場總線技術自20世紀80年代后期起源于歐洲，目前以歐美地區最為發達。據不完全統計，世界上已出現過的總線種類近200種[4]。經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，至今未形成統一的標準。現場總線的標準起草起始于1984年。國際電工委員會在經過長達15年的爭論之后，最終于2000年1月通過了修訂后的IEC 61158國際標準。IEC 61158標準包括8種類型的現場總線標準[5]：FF-H1，Control Net，Profibus，P-NET，FF-HSE，Swift Net，WorldFIP及interbus。 每一種總線都有各自適用的領域和技術特點。各種類型的現場總線采用完全不同的通信協議，要實現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卷接機組電控系統中的應用 2．1 SINEC L2總線技術特點和網絡協議 西門子公司早期推出的SINEC網絡系列產品包括SINEC S1、SINEC L2、SINEC H1、SINEC H3等四種。其中SINEC L2是一種適于中、小規模的工業局域網，它是以德國標準化協會DIN1925定義的德國現場總線標準PROFIBUS為基礎而設計的，符合國際標準化組織的OSI（開放系統參考模型）。SINEC L2 網絡的主要技術特征如表1[6]所示。 2.2 CANB總線技術概要[8] CAN是控制器局部網絡Controllor Area Network的簡稱，最早由德國BOSCH公司推出，用于汽車內部測量與執行部件之間的數據通信。其總線規范現已被ISO國際標準組織制訂為國際標準，得到了Motorola、Intel、Philips、Siemens、NEC等公司的支持，已廣泛應用在離散控制領域。它也是較早進入我國的現場總線之一，但并未列入最新頒布的IEC 61158 現場總線標準中。 　　CAN總線信號傳輸介質為雙絞線，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個設備。 　　CAN支持多主方式工作，網絡上任何節點均可在任意時刻主動向其它節點發送信息，支持點對點、一點對多點和全局廣播方式接收／發送數據。它采用總線仲裁技術，當出現幾個節點同時在網絡上傳輸信息時，優先級高的節點可繼續傳輸數據，而優先級低的節點則主動停止發送，從而避免了總線沖突。 　　已有多家公司開發生產了符合CAN協議的通信芯片，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、開發系統價格便宜等優點。 2．3 SINEC L2和CAN總線在PASSIM8000卷接機組電控系統中的應用 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 的升級產品，其電控系統有了顯著的改進。其中最為突出的就是采用了SINEC L2總線和CAN總線，在此基礎上采用4臺西門子S5系列PLC完成了機組的生產自動控制，并增加了人機界面監控機組運行狀態，基本上構成了一個比較完整的現場總線控制系統，其結構如圖1[9]所示。 系統中作為上位監控站的PC/AT計算機系統選用的是基于VME總線的32位486 處理器，操作系統為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的標準Eurocard機箱內。系統中裝有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進行數據傳輸，完成機組控制參數的設定和運行狀態的數據采集。 卷煙機、接裝機和料斗的生產功能分別由各自的S5-95U PLC控制。S5-95U 的CPU模板上已帶有與SINEC L2網絡的接口，不再需要獨立的通信處理器模板，可直接聯接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，數據和狀態管理。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，通過屏蔽雙絞線聯接，通訊協議采用的是SINEC L2-TF協議，通訊速率為187.5Kb/s。上位機選用SINEC TF/DDE Manager作為Windows與SINEC L2網的軟件接口。 PASSIM 8000在功能模塊電路設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品。其處理速度可達10MIPS，片內資源十分豐富，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網絡。在上位機中裝有CAN總線通訊處理板。因此，煙支重量控制，煙支質量檢測等功能模塊可以通過CAN總線交換數據或與上位機通訊。 三．基于PROFIBUS-DP的ZJ19E現場總線控制系統（FCS） 3．1 PROFIBUS總線技術概要 過程現場總線PROFIBUS（Process Fieldbus）技術于1987年，由SIEMENS公司等13家企業和5家科研機構聯合提出；1989年批準為德國標準 DIN19245。經應用完善后，于1996年6月批準為歐洲現場總線標準 EN50170 V.2。目前PROFIBUS現場總線標準已成為國際現場總線標準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標準的3個兼容部分之一，是用于設備級的高速數據傳輸協議。它的通信介質為屏蔽雙絞線或光纜，傳輸速率為9.6Kb/s至12Mb/s；傳輸的數據容量為每個報文多達244個字節；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。 為了使第三方的設備和產品能夠方便地接入PROFIBUS總線，擴大PROFIBUS總線產品的種類、數量和市場占有率從而進一步擴大PROFIBUS總線的影響和應用領域，以西門子公司為首的多家公司為各種不同功能和應用提供了相應的PROFIBUS接口ASIC芯片。例如，西門子公司的ASPC2、SPC3、DCP31、SPM2、LSMP等，并提供了相應的開發工具包，使得用戶可以根據需要為自己開發的產品賦予 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總線技術應用的靈活性。 3．2 基于PROFIBUS-DP的ZJ19E卷接機組電控系統 ZJ19A卷接機組的電氣控制系統為英國MOLINS公司PASSIM 7000型的引進仿制產品。由于MOLINS公司在電控系統設計上的延續性，其接裝機的電控系統采用的是以微處理器為核心的單片機系統（MPU為8085系列，該系列單片機已經逐步淘汰），全部控制及檢測功能均由電路板完成。系統外圍接口器件數量、型號繁多。有些器件已經停產或性能落后，備件采購不便，給使用和維修帶來了不少困難。在硬件電路設計上各控制信號約束關系復雜，一旦某部分出現故障就會影響整個系統工作。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之間接口關系復雜，傳遞信息內容有限。整個機組的電控系統未能形成有機的整體。煙草行業是一家自動化生產水平較高的行業，各種新技術、新產品的應用層出不窮，現場總線、網絡技術的應用發展很快。PASSIM 7000型機組電氣控制系統屬于八十年代產品，技術水平已經落后；ZJ19A卷接機組在生產過程中也表現出了設計上的不完善之處，其更新換代是必然趨勢。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，研制開發了ZJ19E卷接機組，對原有機組的電控系統做了重大技術改進，開發出了具有自主知識產權的ZJ19E電控系統。 ZJ19E電控系統選擇西門子公司的S7-300系列可編程控制器,采用PROFIBUS總線技術和美國Wonderware公司的InTouch7.0工業組態軟件， 組成了以工業控制計算機和可編程控制器為核心的現場總線控制系統（FCS）。 升級改造后的系統基本組成如圖2所示。 升級改造后的電控系統采用了PROFIBUS-DP單主站工作方式。西門子公司的工業控制計算機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（功能和驅動程序與CP5611卡相同）和工業以太網接口。人機界面系統由液晶顯示器和觸摸屏組成，利用Wonderware公司的InTouch7.0工業組態軟件設計顯示畫面，能夠在規定的、重復的信息周期內與DP從站交換數據，完成機組控制參數的設置、運行狀態的顯示，以及對機組各工作點進行故障診斷、功能測試。與原MAID-N系統所具有的采集機組部分運行狀態的功能相比省去了復雜的通訊接口，顯示內容豐富直觀，操作簡便。這將極大提高對機組運行過程的監控功能，便于煙廠用戶的使用和設備維護、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之間的數據交換通過MPI總線進行。MPI（Muti- Point Interface）總線是西門子公司為其S7系列PLC開發的一種通訊網絡[11]。它采用全局數據（Globe Data）通信模式，在PLC之間進行少量數據交換，它不需要額外的硬件和軟件，結構簡單，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CPU模塊的通訊任務，提高通訊效率。CP342-5負責接收主站發送過來的操作指令和控制參數并傳送給CPU模塊，再通過MPI網將這些數據送到相應的PLC節點；同時，CPU模塊還將各個PLC節點的上傳數據匯總、整理后通過CP342-5送往上位機。 煙支重量控制系統采用數字信號處理DSP（Digital Signal Processing）這一新興技術，在消化原MAID-N系統控制軟件，分析其煙支重量測量和控制的基礎上重新自行設計了全新的重量控制系統，簡化其硬件設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。 接裝機煙支質量檢測系統（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、內含A/D轉換、EPROM、RAM等）為控制核心，采用現場可編程邏輯器件（FPGA）進行電路設計，主要由軟件完成計算、控制與通訊。大大簡化了電路設計，縮小設備體積并能方便直觀地完成控制系統的參數設置和數據顯示。 煙支重量控制和煙支質量檢測系統硬件開發中利用西門子公司的專用ASIC芯片SPC3（Siemens Profibus Controller）設計了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計的系統接入PROFIBUS。SPC3集成有完整的DP協議，能自動檢測9.6Kb/s到12Mb/s的總線通訊速率。芯片內部集成有1.5K的RAM、多種寄存器、緩沖器、和數據緩沖區等。SPC3有8根數據線和11根地址線，其中低8位地址線和數據線復用，可以接80C32、80C166、80C165、HC16、HC196等單片機。西門子公司還提供了Development Kit4開發包作為通信接口開發的工具，用戶可以將其作為測試、開發平臺。 ZJ19E電控系統在某些方面已經超越了進口PASSIM 8000。例如，PASSIM 8000其人機界面是基于WINDOWS3.1操作系統,利用C語言編制而成的專用軟件。而ZJ19E電控系統的人機界面基于WINDOWS NT，利用專業的工業組態軟件編制。組態軟件功能強大，各種控件豐富，非常便于系統功能的升級。 另外PASSIM 8000雖然也采用了PROFIBUS總線技術，但其僅局限于主PLC與上位工控機之間的通訊。煙支重量控制系統與煙支質量檢測系統同上位機之間的數據傳輸是通過CAN總線進行的。而升級改造后的ZJ19E電控系統只應用了PROFIBUS一種總線就將系統各主要功能單元聯系在了一起，系統結構更加簡單,并可以通過現場總線方便地接入上層網絡，這可以為煙廠用戶今后組建自動化生產監控和數據采集系統及CIMS打下堅實的基礎。 ZJ19E卷接機組電控系統的開發將改變國內煙機電控系統長期依賴并落后于國外技術的狀況，為卷接機組電控系統的升級改造創出了一條新路，進而可以在其它同類設備上推廣使用，由此推動國內煙草行業卷接設備的更新換代。 4 結語 PROFIBUS是世界上第一個開放式現場總線標準，從1991年德國頒布FMS標準（DIN19245）至今已經歷了十余年，現在已為全世界所接受。并于2001年被批準成為中華人民共和國工業自動化領域行業標準中唯一的現場總線標準。其應用領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域。 歐洲是世界上煙草機械生產制造水平最高的地區，其生產的煙草機械的電氣控制系統中采用的器件和技術多數都是歐洲廠家所提供的。而國產的煙機設備又基本上是引進歐洲國家的技術進行生產的。因此，PROFIBUS總線作為歐洲國家首推的國際現場總線標準，其在煙草行業的應用有著得天獨厚的優勢。此外，PROFIBUS在眾多的現場總線中以其超過40% 的市場占有率穩居榜首。其產品每年增長20-30%。以著名的西門子公司為例，它可以提供上千種PROFIBUS產品，并已經在國內包括煙草行業的許多自動控制領域得到了應用。“電子齒輪”、閥島、智能I/O、智能傳感器和交直流驅動器等等這些具有PROFIBUS通訊功能的產品在煙草行業的應用方興未艾，可以預見煙草行業將掀起一場PROFIBUS技術的應用熱潮， PROFIBUS必將占據煙草行業現場總線的主導地位。 參考文獻 [1] 唐濟揚.現場總線與工廠底層自動化及信息集成技術[J].制造業自動化,2000,（3） [2] 王常力.現場總線與DCS：討論與實踐[J].自動化博覽 [3] 沈學東 王蔚然.現場總線技術綜述[J].東北電力技術.1999,（5） [4] 馮曉升.中國現場總線標準體系的形成與實施[N] [5] 章劍雄 馮浩.現場總線概述[J].自動化與儀表, 2002,（6） [6] 姚遠 劉國良.工業局域網SINEC L2的特點與應用[N] 北京航空航天大學 [7] SIEMENS SYSTEM MANUAL[M].SINEC Industrial Communications Networks. 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