PROFIBUS 總線技術(shù)及在啤酒釀造中的應(yīng)用

摘要：本文討論了PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)，并以西門(mén)子PLC為基礎(chǔ)，介紹了PROFIBUS總線在啤酒釀造系統(tǒng)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：PROFIBUS 場(chǎng)總線 LC

一、前言

隨著啤酒工藝的飛速發(fā)展和逐漸成熟，啤酒設(shè)備的自動(dòng)化水平越來(lái)越高，對(duì)啤酒品質(zhì)的影響也比工藝大，因而，啤酒行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)，最直接的表現(xiàn)在啤酒企業(yè)對(duì)裝備的快速更新和自動(dòng)控制技術(shù)提升。由于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn)，推動(dòng)了現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備和智能儀表的發(fā)展，促進(jìn)了傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)的融合，并推動(dòng)了FCS（以現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備為基礎(chǔ)形成的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng))的出現(xiàn)、發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

自現(xiàn)場(chǎng)總線概念提出以來(lái)，全球各大知名自控和儀表公司開(kāi)發(fā)了數(shù)拾種現(xiàn)場(chǎng)總線，目前在全球范圍內(nèi)被廣泛認(rèn)可的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)包括：PROFIBUS、FF、ControlNet、PROFINET、P-NET等十大總線系統(tǒng)。

二、PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)介紹

PROFIBUS是目前國(guó)際上通用的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一，以其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)、嚴(yán)格的認(rèn)證規(guī)范、開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)、眾多廠商的支持和不斷發(fā)展的應(yīng)用行規(guī)，已成為最重要的和應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。

PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線通訊協(xié)議包括三個(gè)主要部分：

PROFIBUSDP：主站和從站之間采用輪循的通訊方式，主要應(yīng)用于自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信。

PROFIBUSPA：電源和通信數(shù)據(jù)通過(guò)總線并行傳輸，主要用于面向過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通訊。

PROFIBUSFMS：定義了主站和主站之間的通訊模型，主要用于自動(dòng)化系統(tǒng)中系統(tǒng)級(jí)和車間級(jí)的過(guò)程數(shù)據(jù)交換。

采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：

采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)可以分成現(xiàn)場(chǎng)控制層、監(jiān)控層和企業(yè)管理層三層。

1.現(xiàn)場(chǎng)控制層

現(xiàn)場(chǎng)控制層由現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)智能儀表、遠(yuǎn)程I/O和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成。現(xiàn)場(chǎng)控制涉及PROFIBUS協(xié)議PROFIBUS-DP和PROFIBUS-PA兩個(gè)部分。

PROFIBUS-DP是高速網(wǎng)絡(luò)，通訊速率達(dá)到12M。PROFIBUS-DP可以連接遠(yuǎn)程I/O、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、智能馬達(dá)控制器、人機(jī)界面HMI、閥門(mén)定位器、變頻器等智能設(shè)備，一條PROFIBUS-DP總線可以最多連接123個(gè)從站設(shè)備。

PROFIBUS-DP的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是總線型、星型和樹(shù)型，通訊介質(zhì)可以是屏蔽雙絞線、光纖，也支持紅外傳輸，采用雙絞線時(shí)，不加中繼器最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)1.2公里，最多可以采用9個(gè)中繼器，最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)9公里。采用光纖時(shí)，最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)100公里以上，其中采用多膜光纖，兩點(diǎn)間最遠(yuǎn)距離可達(dá)3公里，采用單膜光纖時(shí)，兩點(diǎn)間最遠(yuǎn)距離可達(dá)3公里。

2.監(jiān)控層

監(jiān)控層由高速工業(yè)以太網(wǎng)以及連接在總線上的擔(dān)任監(jiān)控作務(wù)的工作站或顯示操作站、工程師站、PLC/DCS控制器組成。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)的通訊速率也在不斷提高，目前工業(yè)級(jí)的千兆以太網(wǎng)已經(jīng)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域大量應(yīng)用。

3.管理層

管理層由各種服務(wù)器和客戶機(jī)組成，主要由SIS、MIS和ERP系統(tǒng)構(gòu)成。其主要目的是在分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，將電廠各工藝段(例如DCS系統(tǒng)、輔機(jī)程控系統(tǒng)等）的數(shù)據(jù)和信息(如過(guò)程數(shù)據(jù)、報(bào)警信息和設(shè)備狀態(tài)等)進(jìn)行匯總，從而集成企業(yè)的各種信息，實(shí)現(xiàn)與Internet的連接，完成管理、決策和商務(wù)應(yīng)用的各種功能。通過(guò)管理層，公司和集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，并通過(guò)授權(quán)還可以對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)。

三、PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

1.系統(tǒng)的開(kāi)放性

PROFIBUS是一個(gè)完全開(kāi)放的、與制造商無(wú)關(guān)的、無(wú)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，全球有超過(guò)250家公司可以生產(chǎn)超過(guò)2000種支持PROFIBUS的系統(tǒng)和設(shè)備。

2.可靠性和準(zhǔn)確性

與傳統(tǒng)的模擬信號(hào)相比，現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的智能化，數(shù)字化從根本上提高了測(cè)量和控制的準(zhǔn)確度，減少了信號(hào)傳輸?shù)恼`差。因?yàn)橄到y(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，設(shè)備與連線減少，所以提高了系統(tǒng)的可靠性。

3.對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性

由于PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線是專為在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下工作而設(shè)計(jì)的，故它支持雙絞線，光纜，射頻，紅外線燈通訊介質(zhì)。所以，PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線科適應(yīng)各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，具有較高的抗干擾能力。

4.實(shí)時(shí)性

采用PROFIBUS總線的系統(tǒng)具有很高的實(shí)時(shí)性，這是由PROFIBUS總線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率高所決定的。PROFIBUS-DP總線的傳輸速率可達(dá)12M，是目前通訊速率最高的現(xiàn)場(chǎng)總線。

四、PROFIBUS在啤酒發(fā)酵及過(guò)濾中的應(yīng)用

湛江珠江啤酒有限公司廠內(nèi)的啤酒發(fā)酵及過(guò)濾自動(dòng)控制系統(tǒng)中，采用了PROFIBUS技術(shù)。該系統(tǒng)以S7-417作為主站，通過(guò)CPU417的DP口，利用屏蔽雙絞銅線電纜，把分布在車間不同地點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備主要包括各子站的系統(tǒng)。這是單主從控制系統(tǒng)，可以獲得最短的總線循環(huán)時(shí)間，從而保證系統(tǒng)反映的快速性。該系統(tǒng)有以下的特點(diǎn)：

1.總線傳輸速率設(shè)置為1.5Mbit/s，在主站持有令牌時(shí)，平均總線循環(huán)時(shí)間為6.5ms，而主站的PLC程序的循環(huán)時(shí)間大約為45ms，所以，盡管系統(tǒng)帶有的從站比較多，但由于采用了傳輸率較高，故可以做到總線循環(huán)時(shí)間比主站PLC程序循環(huán)時(shí)間短。

2.整個(gè)PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)設(shè)備種類多樣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。根據(jù)工藝要求，整個(gè)發(fā)酵過(guò)濾系統(tǒng)由西門(mén)子S7-417做主站，ET200M和西門(mén)子其他獨(dú)立系統(tǒng)做子站的結(jié)構(gòu)。主站是由S7-417系列電源模塊、CPU模塊、CP模塊組成，模塊支持熱插，從站系統(tǒng)由15個(gè)ET200和6個(gè)獨(dú)立CPU從站組成。主站通過(guò)PROFIBUS總線電纜和接口模塊與從站通訊，這樣的構(gòu)架既保證了PLC系統(tǒng)的先進(jìn)性又為用戶節(jié)省了成本。

3.從站具有看門(mén)狗的監(jiān)控功能，其監(jiān)控時(shí)間為120ms。如果在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，從站發(fā)現(xiàn)沒(méi)有和主站進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，則使從站自動(dòng)輸出進(jìn)人故障安全狀態(tài)。

五、結(jié)束語(yǔ)

由于在各行各業(yè)的控制工程中都普遍使用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，故其已經(jīng)顯示出強(qiáng)大的生命力。PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線由于其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，從而實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制，使得設(shè)計(jì)，安裝，調(diào)試和維護(hù)工作極大的方便，節(jié)省了大量的硬件和成本。同時(shí)，利用其開(kāi)放性，可以自由選擇不同廠商提供的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備來(lái)集成系統(tǒng)，使其應(yīng)用更加廣泛。事實(shí)證明，PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線是最佳和最經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)場(chǎng)總線，已經(jīng)被全世界所接受，被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化領(lǐng)域的各個(gè)方面，發(fā)揮著越來(lái)越大的作用，為社會(huì)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。湛江珠江啤酒有限公司的發(fā)酵和過(guò)濾由于采用了先進(jìn)的PROFIBUS總線控制系統(tǒng)，提高了設(shè)備的自動(dòng)化水平，節(jié)約了大量的操作和維護(hù)成本。還使得啤酒的品質(zhì)得到進(jìn)一步的提高。取得非常好的經(jīng)濟(jì)效益。

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