現場總線在人造板設備中的應用

1 概述

隨著計算機技術，通信技術，集成電路技術及智能傳感技術的發展，在工業控制領域出現了一種新興的控制技術，即現場總線。它是上述幾種技術的結合，是當今自動控制技術發展的熱點，代表了工業控制領域今后的一種發展方向。它的出現，將使傳統的控制系統無論在結構上還是在性能上出現巨大的飛躍，可以說現場總線是控制領域的一場革命，它代表了一種有突破意義的新的控制思想，它將開辟一個新的時代。現場總線出現于80 年代后期，從本質上來說，它是一種數字通信協議，是一種應用于生產現場、在智能化控制設備之間實行雙向串行通信、多節點的數字通信的系統，是一種開放的、數字化的、多點通信的低層控制網絡。它使得自控系統和設備有了通信能力。現場總線控制系統FCS（Fieldbus ControlSystem）是繼基地式氣動儀表控制系統，電動單元組合式模擬儀表控制系統，集中實式數字控制系統集散式控制系統DCS 后的新一代控制系統。現代工業控制思想的核心是“分散控制，集中監控”使得“危險分散，控制分散”，但即使是現在流行的DCS 控制，其與工業過程打交道的過程控制站仍然還是集中的，現場信號的檢測、傳輸和控制還是采用的4~20mA 的模擬信號，這正是對分散控制，集中監控思想的違背。而FCS 控制系統真正做到了這一點，把控制徹底地下放到現場，現場的智能儀表就能完成諸如數據采集，數據處理，控制運算和數據輸出大部分現場功能，只有一些現場儀表無法完成的高級控制功能才由上位機來完成。而且現場節點之間可以相互通信實現互操作，現場節點也可以把自己的診斷數據傳送給上位機，有益于設備管理。

2 主要現場總線簡介

由于現場總線的諸多優點, 所以近十年來出現了多種有影響的現場總線, 如基金會現場總線F F、profibus、CAN、LONworks、HART 等,并得到了廣泛的應用。下面僅對前兩種現場總線予以簡要介紹。

2.1 基金會現場總線FF(Foundat ion Fiedbus)

基金會現場總線是國際上幾家現場總線經過激烈競爭后形成的一種現場總線, 由現場總線基金會推出。與私有的網絡總線協議不同,FF總線不附屬于任何一個企業或國家。其總線體系結構是參照、ISO 的OSI 模型中物理層、數據鏈路層和應用層, 并增加了用戶層而建立起來的通信模型。FF 得到了世界上幾乎所有的著名儀表制造商的支持, 同時遵守IEC 的協議規劃,與IEC 的現場總線國際標準和草案基本- 致,加上它在技術上的優勢, 所以極有希望成為將來的主要國際標準。

FF 總線提供了Hl 和H2 兩種物理層標準。Hl 是用于過程控制的低速總線, 傳輸速率為31.25Kbps, 傳輸距離為200m、450m、1200m、1900m 四種( 加中繼器可以延長), 可用總線供電, 支持本質安全設備和非本質安全總線設備。H2 為高速總線, 其傳輸速率為IMbps( 此時傳輸距離為750m) 或2.5bps( 此時傳輸距離為500m)。H1 和H2 每段節點數可達32 個, 使用中繼器后可達240 個,Hl 和H2 可通過網橋互連。FF 的突出特點在于設備的互操作性、改善的過程數據、更早的預測維護及可靠的安全性。

2.2 過程現場總線Profibus

Profibus 由Siemens 公司提出并極力倡導,己先后成為德國國家標準DIN19245 和歐洲標準EN50170, 是一種開放而獨立的總線標準, 在機械制造、工業過程控制、智能建筑中充當通信網絡。profibus 由Profibus-PA、Profibus-DP 和Profibus-FMS 三個系列組成。Profibus-PA (Process Automation) 用于過程自動化的低速數據傳輸, 其基本特性同FF 的Hl 總線,可以提供總線供電和本質安全, 并得到了專用集成電路(ASIC) 和軟件的支持。profibus-DP與Profibus-PA 兼容, 基本特' 性同FF 的H2總線, 可實現高速傳輸, 適用于分散的外部設備和自控設備之間的高速數據傳輸, 用于連接Profibus-PA 和加工自動化。Profibus-FMS 適用于一般自動化的中速數據傳輸, 主要用于傳感器、執行器、電氣傳動、PLC、紡織和樓宇自動化等。后兩個系列采用RS485 通信標準,傳輸速率從9.6kbp s 到12Mbps, 傳輸距離從1200M 到loom( 與傳輸速率有關)。介質存取控制的基本方式為主站之間的令牌方式和主站與從站之間的主從方式, 以及綜合這兩種方式的混合方式。profibus 是一種比較成熟的總線,在工程上的應用十分廣泛。

3 現場總線在人造板機器設備中的應用

目前，現場總線在國內人造板機器制造業中尚屬起步階段。上海人造板機器廠首先在MDF（中密度纖維板）生產線上應用了現場總線控制方式，并獲得了巨大的成功。現在我們以上海人造板機器廠連續平壓MDF 生產線為例作一簡單介紹。

3.1 整條生產線主線部分現場總線示意圖（見圖１）

3.2 主要配置：

3.2.1 人機界面層（HMI）。由數據采集服務器、工程師站、操作上位機、趨勢和機器參數上位機、配方參數上位機、打印機等組成，并通過網線（TCP/IP）完成與PLC 的數據交換。

3.2.2 控制層。由PLC( 西門子S7 400 系列) 組成，是現場總線的主站，主要采集下層和上層信號數據，并根據預先編制的程序完成符合生產工藝的所有動作，是設備控制的核心部分。

3.2.3 PROFIBUS 現場總線層。PLC 主站通過現場總線（PROFIBUS）與現場的各個從站（包括西門子ET200S、變頻器、傳感器等）進行通訊。

4 運用現場總線后的主要優點：

4.1 數據交換量大，可實現操作簡單、故障診斷詳細、歷史數據記錄和生產報表。

4.2 節省了許多控制電纜。由于主站和現場從站、傳感器和執行器都是通過現場總線來傳遞信息的，所以減少了控制柜到現場的許多控制電纜，也減少了由于電纜所造成的故障。

4.3 PLC 由標準的處理器組成，PLC 與PLC之間也可通過PROFIBUS 現場總線進行通訊，通訊速度可達1500Kbaud.

4.4 系統具有良好的開放性，可與其他網絡組成更高級別的系統。

5 結束語

現場總線作為自動化領域的一次革命，它的意義和產生的效益是非常巨大的。通過這種結構可實現對全廠各生產環節有效的監視、管理、指揮、調度。這種結構具有可靠性高、擴展性好，生產工藝適宜性強，比較適合MDF 這種中大型的全廠DCS 網絡控制。積極開展各種現場總線技術在人造板機器控制上的研究和應用，對于人造板機器制造廠家來說可以更好地完善設備功能、增強故障診斷功能、提高設備精度、優化設備生產工藝，同時也避免走很多彎路和資源浪費，是適合我國國情的一個實用的發展途徑。