現場總線PROFIBUS技術和產品在長絲生產中的應用

一、引言
　　儀征化纖股份有限公司九萬噸長絲項目已于一九九八年十月十八日建成投產。長絲生產的控制采用了德國西門子公司先進的PC，S7過程控制系統。利用S7-400作為主站，借助PROFIBUS現場總線，采用德國BECKHOFF公司I/O端子作為從站，實現了長絲生產中的大量控制、連鎖、監視、報警任務。
二、工藝流程
　　儀征化纖股份有限公司九萬噸長絲項目采用PET熔體直接紡絲工藝，共計分為十一條生產線。其中POY五條，FDY六條。熔體由聚酯側送到紡絲側，經過熔體過濾器、增壓泵，再經過熱交換器、靜態混合器至紡絲箱體，通過噴絲板、紡絲甬道冷卻成型，最后經卷繞機卷成絲餅。另外，為了長絲生產、操作人員、運轉設備及成品包裝的需要，共配套設計了15套空調裝置，以便送出具有合適溫度、濕度、壓力的空調風。為了控制熔體管道、靜態混合器及紡絲箱體中的熔體溫度，以保證熔體具有良好的可紡性，整個裝置共設計了22臺汽相熱媒爐，7臺液相熱媒爐。整個裝置的主要控制及連鎖任務有：熱媒爐的溫度控制及連鎖，增壓泵的轉速控制及連鎖，熱媒循環泵的連鎖，空調送風的壓力、溫度、濕度控制，以及大量的顯示、報警等，所有這些都是由PCS7系統來實現的。
三、控制系統的拓撲結構
　　整個系統分為三層。第一層包括服務器、工程師站、操作員站。第二層包括三套主控制站。第三層包括多個從站。服務器、工程師站、操作員站皆為西門子工控機SIMATIC-RI45-PII。21英寸顯示器為SIEMENS-SCM2196-1。服務器安裝WindowsNT4.0-SERVER版，工程師站、操作員站安裝WindowsNT-4.0-WORKSTATION版。主控制站為SIMATIC-S7-400-416-2DP。從站為BUSCOUPLER的BK3100加各類端子排。
四、現場總線及產品選型
　　隨著通信技術、計算機網絡技術在工業生產過程中的不斷推廣應用，工業控制過程對現場信號的采集、傳輸和數據轉換提出了更高的要求。由于數字通信技術、網絡技術和微處理技術的迅猛發展，把傳統的數字信號和模擬信號混合的系統變成全數字信號系統成為可能。現場總線就是在這種背景下產生的，并成為當前工業過程控制領域的焦點。PROFIBUS是德國開發的一種現場總線標準，得到歐洲許多大設備制造商的支持，并在國際上得到越來越多的推廣應用。
　　由于現場總線主要是面向過程控制的實時性要求，它將ISO/OSI參考模型簡化，采用3層體系結構：即物理層、數據鏈路層和應用層。物理層主要是對信號進行編碼與發送，媒體可取導線型、無線型或光纖型。本項目中采用的PROFIBUS電纜為兩芯屏蔽型。數據鏈路層提供共享介質的多個設備間的數據傳輸，完成對介質共享的控制，決定何站在何時可以占用總線進行通信，避免沖突，并負責建立、拆除通信鏈路，檢查錯誤并監視不同裝置間的通信過程。應用層含本地數據庫、分布式數據庫維護、工業信息服務和集成信息通用服務4部分功能，把實際對象映射為PROFIBUS能辨認的通信對象。
　　PROFIBUS現場總線基于令牌協議加主從總線的介質存取方式，主站以主從方式與從站通信，各主站之間由令牌協議決定總線控制權。PROFIBUS現場總線的物理層遵循的最常用標準為RS485，數據傳輸速率為9600到12Mbps，傳輸量長距離為4800米，最多可支持127個站點的可靠數據通信。BECKHOFF是德國一家制造電子自動化產品的公司。該公司生產的I/O端子是開放的I/O系統，包括以I/O光導總線為代表的各種現場總線系統及其接口卡、現場模塊、總線耦合器等。該公司在中國地區的代理機構是北京科諾科電子有限公司，可以提供良好的本地技術支持。現場總線系統是對I/O層面實現離散化控制的最佳方案，然而目前的現場總線系統還存在著性能和構造的差異。BECKHOFF公司的I/O端子彌補了這方面的不足，并為現場總線技術建立了新的標準。這種I/O“電子端子排”可嵌裝在標準的滑軌上，形成并行排列的、高度模塊化的現場總線端子排。使用了BECKHOFF的I/O端子，可以節省聯接電纜、控制室的空間、施工費用和其他材料。該產品已成功地在自動化工業、食品工業、制造工業、材料工程、環境保護等領域得到應用。

　　在技術“術語”上，若干個I/O端子排叫做一個“站”，一個站由一個“BUS-COUPLER”和最多64個電子端子塊組成，“BUS-COUPLER”是一個以CPU為核心的電子模塊，它負責信號的轉換及與上位控制器的通信。它與上位控制器的通信協議有PROFIBUS-DP/FMS、IN-TERBUS-S、LIGHT-BUS、CAN-BUS。I/O端子塊可以根據需要任意組合設置。它的面板上有狀態顯示器，它的接線端子與現場信號相連。I/O端子有下列類型：數字量輸入：電壓等級有5VDC，24VDC，48VDC，230VAC及24VDC、100KHZ計數器。數字量輸出：電壓等級有5VDC、24VDC，48VDC，230VAC及24VDC、20KHZ方波輸出。模擬量輸入：信號類型有-10V～+10V，0～10V，0～20mA，4～20mA，熱電阻，熱電偶。模擬量輸出：信號類型有-10V～+10V，0～10V，0～20mA，4～20mA。位置測量和通訊模塊：位置增量編碼器接口，SSI傳感器接口，RS232C/485，4～20mA串口，NEWALL傳感器接口模塊。
五、應用情況
　　公司九萬噸長絲項目共使用了585塊BECKHOFF端子排。具體型號有KL3052（4～20mA模擬量輸入，帶電源），KL3022（4～20mA模擬量輸入），LK1012（數字量輸入24V），KL2622（數字量輸出220V），KL2012（數字量輸出24V），LK3302（鉑電阻輸入），KL3064（0～10V模擬量輸入），KL4002（0～10V模擬量輸出），KL4022（4～20mA模擬量輸出）。585塊BECKHOFF端子排共分成33個從站，分別利用總線耦合器BK3100，通過三條PROFIBUS-DP總線DP[1]、DP[2]、DP[3]分別掛在三個主控制站上。硬件組態：硬件組態要使用BECKHOFF公司提供的組態文件，將其加載到工程師站里。
　　每一家生產符合PROFIBUS協議產品的廠家都會提供類似的文件，以便它們的產品能方便并被廣泛的使用。軟件組態：由于BECKHOFF產品不屬于西門子家族產品，所以PＣS7要求用戶自己編寫特殊的輸入、輸出轉換模塊，利用PCS7的CFC軟件進行控制程序的實現。自一九九八年八月份開始安裝調試以來，只是在回路調校中損壞了幾塊KL3052模擬量輸入卡外，系統運行六個多月來一切正常。控制平穩、連鎖可靠、顯示準確，可以說BECKHOFF的現場總線產品在我公司九萬噸長絲項目中使用是非常成功的。