1、 PROFIBUS現(xiàn)場總線介紹

隨著計算機技術、通信技術和控制技術的迅猛發(fā)展，工控領域也不斷產生先進的控制模式，現(xiàn)場總線（FIELD BUS）就是順應這一形勢發(fā)展起來的新技術?，F(xiàn)場總線是應用于工業(yè)現(xiàn)場、連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通訊網絡。其中PROFIBUS現(xiàn)場總線標準是開放的、不依賴生產廠家通信系統(tǒng)標準。所以，在各種工業(yè)控制中得到了廣泛的應用。

PROFIBUS是德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170的現(xiàn)場總線標準。由分散和外圍設備PROFIBUS—DP‘（Decentralized Periphery）、報文規(guī)范PROFIBUS-FMS （Fieldbus message Pe—riphery）、過程自動化PR0FIBUS—PA （ProcessAutomation）組成了PROFIBUS系列。

其中，PROFIBUS-DP用于設備級的高速數據傳送，中央控制器（如PLC，PC），通過高速串行線同分散的現(xiàn)場設備（如I／O，驅動器，閥門等）進行通信。PROFIBUS—DP具有快速、即插即用、高效低成本等優(yōu)點。在用于現(xiàn)場層的高速數據傳送時，主站周期地讀取從設備的輸入信息并周期地向從站設備發(fā)送輸出信息。除周期性數據傳輸外，PROFIBUS—DP還提供了智能化設備所需要的非周期性通訊以進行組態(tài)、診斷和報警處理。

根據國際標準化組織ISO 7498標準，PROFI—BUS的協(xié)議結構以開放系統(tǒng)互聯(lián)網絡OSI為參考模型，采用了該模型的物理層、數據鏈路層，隱去了第3～7層，而增加了直接數據連接擬合，作為用戶接口。用戶接口規(guī)定了用戶及系統(tǒng)以及不同設備可調用的應用功能。

2 、浮法玻璃控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀及問題的提出

上世紀7O年代初，洛陽玻璃廠率先使用浮法技術建成了我國第一條浮法玻璃生產線。浮法玻璃生產工藝是將原料在熔窯中高溫熔成玻璃液經流道進入錫槽，在地心引力及本身表面張力作用下玻璃液浮于熔融的錫液表面，經過渡輥臺進入退火窯，并在退火窯內實現(xiàn)退火冷卻，最后進入冷端切割、裝箱。浮法玻璃生產線主要由熔窯、錫槽、退火窯及冷端設備組成。而由熔窯、錫槽及退火窯三大熱工設備組成的熱端生產系統(tǒng)，是一個多變量（如流量、溫度、壓力、速度、開關量等）、多任務（如玻璃熔窯溫度控制，助燃風與燃料燃燒控制，油壓油溫控制，霧化介質壓力控制，玻璃液位與窯壓控制，廢氣中氧含量控制，流道玻璃液溫度控制，換向過程控制，保護氣體流量、壓力、罩內、槽內壓力檢測及控制，錫槽空間溫度檢測及控制，錫槽各對拉邊機間的控制，退火窯玻璃板溫度與控制，退火窯輥道速度控制等）、多設備（如電機、閥門、調功器、閘板等）并具有時變性、耦合性和隨機性的復雜非線性系統(tǒng)。國內浮法玻璃生產線在9O年代后多采用DCS集散系統(tǒng)控制，取代原來的常規(guī)儀表和手動操作，在實現(xiàn)玻璃生產的分散自動控制和集中管理方面，取得了一定的進展。但基于DCS的系統(tǒng)存在一些重要缺陷， 一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的DCS系統(tǒng)是自封閉式的集散系統(tǒng)，難以實現(xiàn)設備之間以及系統(tǒng)與外界之間的交互和共享，使自動化系統(tǒng)成為“信息孤島”；另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)DCS系統(tǒng)的現(xiàn)場底層傳感器和數據采集器之間采用一對一物理連線和模擬信號傳輸導致大范圍布線，給現(xiàn)場施工帶來很大麻煩，同時信號傳輸的抗干擾能力也較差。隨著現(xiàn)場總線技術的發(fā)展和應用，生產線的上述問題逐步得到了解決。

3、 浮法玻璃生產線控制的網絡結構

現(xiàn)對某浮法玻璃生產線的現(xiàn)場總線系統(tǒng)進行一下介紹。該系統(tǒng)采用PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線技術并帶有冗余技術結構的計算機控制與管理系統(tǒng)，對浮法玻璃生產進行過程控制與信息管理。控制系統(tǒng)采用綜合模糊控制方式，實現(xiàn)熔化、錫槽、退火浮法玻璃三大熱工設備的過程控制與信息管理，圖1是三大熱工設備控制系統(tǒng)的網絡結構。由于系統(tǒng)比較復雜，涉及的操作點、控制點比較多，如果選用傳統(tǒng)的控制方式電纜數量將非常的多，很不經濟，而且維護和調試的難度都很大。因此我們采用分散控制、集中監(jiān)控的PLC分布式控制系統(tǒng)，選用了現(xiàn)場總線PROFIBUS，通過網絡實現(xiàn)工作現(xiàn)場、控制柜以及主控臺之間的復雜控制。整個系統(tǒng)設為上位機操作站，下位機控制主站及控制從站，上位機采用IBM 工控機和西門子WINCC監(jiān)控軟件實現(xiàn)工藝流程顯示。為了提高系統(tǒng)的可靠性，下位機主站采用雙冗余的西門子S7—400系統(tǒng)進行實時控制，選用功能強大的CPU414—2DP作為PROFIBUS-DP的網絡主站，3套具有硬件冗余的ET200M作為從站，每個從站包括2個IM153—2接口模塊和若干個I／O模塊。ET2OOM 通過PROFIBUS專用電纜和S7—400進行通訊，上位機與下位機通過以太網通訊，我們使用一對CP通訊卡（CP443—1），完成數據的采集和相互傳送。

通過圖1，我們可以看到，冗余系統(tǒng)由兩套PLC控制系統(tǒng)組成。正常工作時，A （MASTERPROFIBUS）系統(tǒng)為主，B （RESERVE PROFIBUS）系統(tǒng)為備用，當主系統(tǒng)A 中的任何一個組件出錯，控制任務會自動切換到備用系統(tǒng)B當中執(zhí)行，這時B系統(tǒng)為主，A系統(tǒng)為備用，這種切換過程是包括電源、CPU、通訊電纜和IM153接口模塊的整體切換。系統(tǒng)運行過程中，即使沒有任何組件出錯，操作人員也可以通過設定控制字，實現(xiàn)手動的主備系統(tǒng)切換。

4、 硬件組態(tài)

控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)采用SIEMENS公司的STEP7和安裝軟冗余軟件包完成。軟冗余硬件組態(tài)在HARDWARE對話框中完成主系統(tǒng)與從站通訊鏈路（MASTER PROFIBUS）、備用系統(tǒng)與從站通訊鏈路（REsERVE PROFIBUS）、主系統(tǒng)與備用系統(tǒng)的數據同步通訊鏈路（MPI或者PR0FIBUS）。一般我們采用速度較快的PROFIBUS網絡方式進行數據同步。應注意硬件組態(tài)中的各站地址不能重復。表1為系統(tǒng)元件的PROFIBUS硬件組態(tài)表。表2為S7- 400與上位機以太網通訊的硬件組態(tài)表。

5、 軟件編程

該系統(tǒng)同時使用熔窯、錫槽和退火三套遠程從站，程序比較復雜，三套工作站原理各不相同，在編程時我們采用了模塊化編程，多重調用的方式，使得程序結構簡單，可讀性強。在熔窯控制系統(tǒng)軟件中包含的子程序有，玻璃熔窯溫度控制，助燃風與燃料燃燒控制，油壓油溫控制，霧化介質壓力控制，玻璃液位與窯壓控制，廢氣中氧含量控制，流道玻璃液溫度控制及換向過程控制。在錫槽控制系統(tǒng)軟件中的包含子程序有，保護氣體流量、壓力、罩內、槽內壓力檢測及控制，可控硅電加熱器控制，錫槽各對拉邊機間的控制。在退火窯控制系統(tǒng)軟件中的包含子程序有，退火窯玻璃板溫度與空間溫度檢測及控制，退火窯輥道速度控制。三大熱工設備控制回路多我們只對一套中的每個過程編寫FB塊，如果同一個過程的FB調用不同的背景數據塊，這樣就減少了程序的編寫量。在程序設計中根據助燃風與燃料燃燒控制要求利用STEP7中的PID模塊對于助燃風機的變頻器和換向閘板進行控制，根據冗余要求PID控制應放在定時中斷組織塊OB35中，一般情況下非冗余的程序放在主循環(huán)程序塊OB1中，把冗余的程序都放到了OB35中，并對其中的OB35、OBIO0（啟動調用程序塊）、OB86 （主從站通訊出錯調用該塊）進行編程。

6 、結束語

本系統(tǒng)通過使用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線，減少了大量布線?，F(xiàn)場安裝、調試的工作量大為降低，縮短了開發(fā)周期，提高了效率。目前該系統(tǒng)已經投入生產，并通過鑒定。鑒定專家認為：使用該系統(tǒng)，能使生產過程易于自動控制，現(xiàn)場參數穩(wěn)定，降低能耗，保證生產過程工藝的要求，同時減少運行費用、運行維護和設備維修工作量少，提高產品的質量與成品率，從而達到預期的效果。由于PROFIBUS—DP現(xiàn)場總線技術具有數據傳輸速度快、系統(tǒng)實現(xiàn)簡單、可靠性高等優(yōu)點，其必將在浮法玻璃控制系統(tǒng)中得到廣泛的應用。

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