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现场总线论文

前言

根据国际电工委员会（IEC）和美国仪表协会（ISA）的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通讯。

目前，国际上各种各样的现场总线有几百种之多，较著名的有FF现场总线、HART现场总线、CAN现场总线、LONWORKS现场总线、PROFIBUS现场总线等。

现场总线控制模式具有协议简单开放、容错能力强、实时性高、安全性好、成本低、适于频繁交换等特点，是工业自动化发展的趋势。

而作为在自动化控制方面走在前沿的卷烟生产企业，在近年来的卷烟技术改造过程中充分利用现场总线技术改造传统的控制系统。

其中，对香烟质量起着举足轻重作用的制丝生产线因其设备分散，且工艺变化多，对控制系统提出了灵活、有柔性、更新换代方便等要求，这些要求正好给现场总线技术提供了大显身手的舞台。

1.现场总线技术

1.1现场总线技术简介

现场总线（Fieldbus）是20世纪80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。

它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。

它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。

一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作FCS。

人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代，把4～20mA等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。

现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统，一方面，突破了DCS系统采用通信专业网络的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。

可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。

1.2现场总线技术的优点

（1）节省硬件数量与投资；

（2）节省安装费用；（3）节省维护开销；（4）用户具有高度的系统集成主动权；（5）提高了系统的准确性与可靠性。

2.PLC简介

2.1PLC的基本概念

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController,PLC），它主要用来代替继电器实现逻辑控制。

随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。

PLC自1966年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国，日本，德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。

2.2PLC的基本结构

　PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：

　　a、电源

　　PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用。

如果没有一个良好的、可靠的电源系统是无法正常工作的，因此PLC的一般交流电压波动在+10%（+15%）范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。

　　b.中央处理单元（CPU）

　　中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。

它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。

当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。

等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。

　　为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。

这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

　　c、存储器

　　存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。

　　存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

　　d、输入输出接口电路

　　【1】、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。

　　【2】、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。

　　e、功能模块

　　如计数、定位等功能模块。

　　f、通信模块

如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。

2.3PLC的技术原理

PLC利用1.6M到30M频带范围传输信号。

在发送时，利用GMSK或OFDM调制技术将用户数据进行调制，然后在电力线上进行传输，在接收端，先经过滤波器将调制信号滤出，再经过解调，就可得到原通信信号。

目前可达到的通信速率依具体设备不同在4.5M~45M之间。

PLC设备分局端和调制解调器，局端负责与内部PLC调制解调器的通信和与外部网络的连接。

在通信时，来自用户的数据进入调制解调器调制后，通过用户的配电线路传输到局端设备，局端将信号解调出来，再转到外部的Internet。

2.4PLC的优点

　　a．实现成本低由于可以直接利用已有的配电网络作为传输线路，所以不用进行额外布线，从而大大减少了网络的投资，降低了成本。

b．范围广电力线是覆盖范围最广的网络，它的规模是其他任何网络无法比拟的。

PLC可以轻松地渗透到每个家庭，为互联网的发展创造极大的空间。

　　c．高速率PLC能够提供高速的传输。

目前，其传输速率依设备厂家的不同而4.5M~45Mbps之间。

远远高于拨号上网和ISDN，比ADSL更快！

足以支持现有网络上的各种应用。

更高速率的PLC产品正在研制之中。

　　d．永远在线PLC属于"即插即用"，不用烦琐的拨号过程，接入电源就等于接入网络！

　　e．便捷不管在家里的哪个角落，只要连接到房间内的任何电源插座上，就可立即拥有PLC带来的高速网络享受！

3．CAN现场总线技术的介绍及其在烟草制丝线上的应用

3.1CAN总线概述

   CAN（ControllerAreaNetwork）总线是一种有较好效率支持分散实时控制系统的串行通讯协议，并具有较高的安全等级。

CAN总线可以被用于多主机系统，尤其适合于网络智能型设备以及系统或子系统中的传感器和执行器件。

在CAN网络里没有我们习惯印象中的设备地址号或站号，而是把信息区分成优先次序发送。

CAN总线由于其高可靠性及独特的设计，为许多行业所采用，目前已形成国际标准，并被公认为几种最有前途的现场总线之一。

3.1.1CAN总线的原理

当CAN总线上的一个节点（站）发送数据时,它以报文形式广播给网络中所有节点。

对每个节点来说,无论数据是否是发给自己的,都对其进行接收。

每组报文开头的11位字符为标识符,定义了报文的优先级,这种报文格式称为面向内容的编址方案。

在同一系统中标识符是唯一的,不可能有两个站发送具有相同标识符的报文。

当几个站同时竞争总线读取时,这种配置十分重要。

当一个站要向其它站发送数据时,该站的CPU将要发送的数据和自己的标识符传送给本站的CAN芯片,并处于准备状态;当它收到总线分配时,转为发送报文状态。

CAN芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出,这时网上的其它站处于接收状态。

每个处于接收状态的站对接收到的报文进行检测,判断这些报文是否是发给自己的,以确定是否接收它。

由于CAN总线是一种面向内容的编址方案,因此很容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置。

我们可以很容易地在CAN总线中加进一些新站而无需在硬件或软件上进行修改。

当所提供的新站是纯数据接收设备时,数据传输协议不要求独立的部分有物理目的地址。

它允许分布过程同步化,即总线上控制器需要测量数据时,可由网上获得,而无须每个控制器都有自己独立的传感器。

3.1.2CAN总线的特点

CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。

其通讯介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤。

在汽车发动机控制部件、传感器等应用中，总线的位速率最大可达1Mbit/s。

CAN总线具有以下主要特性：

a．无破坏性的基于优先权竞争的总线仲裁

b．可借助接收滤波的多地址帧传送

c．具有错误检测与出错帧自动重发功能

d．数据传送方式可分为数据广播式和远程数据请求式

3.1.3CAN总线的优点

CAN属于现场总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。

较之目前许多RS-485基于R线构建的分布式控制系统而言,基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性：

首先,CAN控制器工作于多主方式,网络中的各节点都可根据总线访问优先权（取决于报文标识符）采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据,且CAN协议废除了站地址编码,而代之以对通信数据进行编码,这可使不同的节点同时接收到相同的数据,这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强,并且容易构成冗余结构,提高系统的可靠性和系统的灵活性。

而利用RS-485只能构成主从式结构系统,通信方式也只能以主站轮询的方式进行,系统的实时性、可靠性较差;

其次,CAN总线通过CAN收发器接口芯片82C250的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连,而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态,CANL端只能是低电平或悬浮状态。

这就保证不会出现象在RS-485网络中,当系统有错误,出现多节点同时向总线发送数据时,导致总线呈现短路,从而损坏某些节点的现象。

而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能,以使总线上其他节点的操作不受影响,从而保证不会出现象在网络中,因个别节点出现问题,使得总线处于“死锁”状态。

而且,CAN具有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现,从而大大降低系统开发难度,缩短了开发周期,这些是只仅仅有电气协议的RS-485所无法比拟的。

另外,与其它现场总线比较而言,CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线。

这些也是目前CAN总线应用于众多领域,具有强劲的市场竞争力的重要原因。

3.2现场总线选型说明

   南宁卷烟厂6000kg/h制丝线电控系统现场总线选择基于以下几方面的考虑：

（1）现场总线的性能

（2）与现场总线连接的控制器的性能

   （3）现场总线、PLC控制器器件提供商所能提供的监控系统软件及其与数据库系统连接的性能

   通过对比烟草企业常用的CAN总线及PROFIBUS总线，我们确定现场总线系统为DeviceNet（设备网）和ControlNet（控制网），器件厂商选择美国AB公司，系统网络结构图见图1。

   基于CAN总线的DeviceNet是一种易于连接的总线，用于PLC与现场设备之间的通讯网络。

它可连接开关、拖动装置、固态过载保护装置、条形码阅读器、I/O和人机界面等，传输速率为125-500kbps。

DeviceNet通过一个开放的网络，将底层的设备直接和车间级控制器相连，而无需通过硬线将它们与I/O模块连接。

世界范围的150多个销售商支持开放式DeviceNet。

DeviceNet基于生产者/客户（Producer/Consumer）的网络模式，可使控制数据同时到达操作的每一个单元，具有可靠和高效的数据处理能力。

基于CAN总线的ControlNet是一种高速确定性网络，用于对时间有苛刻要求的应用场合的信息传输。

作为最底层和以太网之间的中间通讯网络，它为对等通信提供实时控制和报文传送服务。

ControlNet同样基于生产者/客户（Producer/Consumer）的网络模式。

ControlNet具有高吞吐量、资源共享、态和编程简单、支持冗余介质、体系结构灵活和安装费用低等特点。

3.3系统结构

 按照“以信息为基础、管理为主导、控制为中心”的设计理念，南宁卷烟厂6000kg/h制丝线电控系统按功能划分为三个层次（见图2），即：

信息管理层，过程控制层，现场设备层。

其中：

（1）设备控制层：

采用DeviceNet连接各BL20分布式I/O站、变频器、电子秤、核子秤、水分仪、操作面板等，通过具备现场总线接口的主控制器（SLC504或Logix5555）实现对各工艺段设备的组合和单机控制，以此满足生产要求。

（2）集中监控层：

作为控制系统的入机交互接口，通过中央监控计算机PC和RSView32监控软件实现对生产线的组合操作、状态监控、工艺参数控制参数显示和设定、故障诊断定位和报警显示、记录等。

（3）信息管理层：

负责处理全线运行过程中的综合信息，包括人工检测和录入工艺、设备、质量等数据，并提供完整的统计数据和各种分析图表等。

3.4系统功能

a、设备控制层功能

（1）全线及分段顺序启/停，设备加工动作的自动控制；

（2）采集温度、压力、水分、流量等过程参数，进行闭环自动控制；

  （3）紧急停机；

   （4）接受中央控制室控制指令、调度指令、参数调节指令，采集现场信息通过网络传送至集中监控层和信息管理层；

  （5）贮柜根据工艺要求自动切换；

  （6）对被控电机提供完善的过流、过热、缺相、短路保护功能；

  （7）采用声、光报警，具有完善的故障检测及报警提示功能。

b、集中监控层功能

（1）监视功能

   【1】.模拟显示各部分设备运行状况，包括设备主要动作的动态显示、电机的运行状况、测控元件状态；

   【2】.工艺参数显示，包括数字、棒图、趋势图等形式；

   【3】.报警显示，用文本或窗口弹出的方式显示当前报警的时间、位置、内容。

设报警综合显示界面，显示历史报警的信息；

（2）控制功能

   【1】.全线或局部的启/停及其它操作

   【2】.工艺参数的设定、修改、查询

   【3】.分级授权管理

  【4】.在线编程功能

 （3）在线诊断帮助功能

   【1】.诊断功能，出现故障时给出故障的内容及解决方案。

   【2】.帮助功能，提供给操作人员进行操作和维护的在线帮助支持。

c、信息管理层功能

（1）生产管理

（2）工艺管理

  （3）质量管理

  （4）设备管理

  （5）报表生成

3.5系统特性

   与传统的控制模式相比，基于现场总线控制模式的南宁卷烟厂制丝生产线电控系统具有以下特点：

（1）用分布式I/O代替集中I/O，用总线通讯代替点对点通讯，使系统配置占地面积大大减少，控制电缆、动力电缆和桥架费用减少70%，降低了系统安装成本。

现场I/O箱实现设备就近驱动，大大节约安装调试时间。

（2）工艺段划分合理，本电控系统基本上以物料存贮设备（各类贮柜）作为独立工艺段的分割点，使得各工艺段的设备工作状态相对独立。

当其中某工艺段设备故障停机甚至掉电时，并不影响其它工艺段的设备运行。

同时基于成本方面的考虑，在控制段的划分上根据工艺段的归属设置统一的CPU。

全电控系统包括12个独立工艺段，由8个控制段分别实现控制。

   （3）系统组态灵活，能迅速适应现场设备的调整。

设备数量的变化只需更改对应的现场I/O箱内的配置和控制程序的少量修改。

（4）充分利用CAN总线的开放性，来自不同厂商的执行器件（如变频器、电子秤/核子秤）、连续检测设备（如水分仪、红外测温仪）或自带控制系统的主机设备（如切丝机）均采用现场总线连接，减少了模拟量模块的数量，提高了数据传送的快捷性、准确性，节约了安装时间，方便调试及诊断，从而为进一步实现全线流量、水分、温度的控制精度提供了保证。

整条制丝生产线水分控制精度为1%；温度控制精度为2～3℃，配比精度为1%。

（5）充分利用DeviceNet、ControlNet在系统可靠性、实时性、抗干扰性、硬件诊断、系统组态等方面的优良性能及CAN总线确定性的数据传输，十分便于系统的调试和维护。

（6）在元器件的选型上，充分对比了相关牌号的同类产品，从可靠、实用、美观、性价比高等多方面考虑，选择了相关元器件。

例如选择了日本Digital公司Proface触摸屏，选择TURCK公司B120系列现场I/O产品及电机启动器，选择丹佛斯的变频器等。

这些产品通过现场总线端子或网卡与CAN总线有机结合，充分体现了现场总线开放性好、兼容性强的特点。

（7）在信息管理层采用交换式以太网、基于客户机/服务器体系的数据库系统、大容量高可用度磁盘阵列等成熟的计算机技术，为生产管理、数据保存、数据分析提供强有力的保证。

3.6小结

   此技术设计的制丝线电控系统由中国火箭运载技术研究院下属北京长征高科技公司承制，已于2003年5月在南宁卷烟厂投入运行。

检测数据表明，新制丝线流量、水分、温度、掺兑的稳定性、均匀性都有较大幅度提高，使南宁卷烟厂的产品整体质量上升到一个崭新的水平。

同时，该系统在品牌选择实现最优化组合方面进行了大胆的探索，为新一代烟草制丝线控制系统提供了成功的范例，必将大大促进CAN现场总线技术在烟草行业的更大规模应用。

4.现场控制系统在卷接包车间的应用

4.1项目介绍

一般烟草机械有ZJ17高速卷接机组，YF12-YB17、YF13烟支输送系统，嘴棒成型机,YF171嘴棒储存输送系统等。

ZJ17型高速卷接机组是引进德国豪尼公司技术生产的，生产速度为7000支/分，具有烟支质量稳定,开机率高，节省原辅材料等特点，因而在国产烟机市场其占有率达到80%以上。

但该型号机组控制系统系80年代产品，采用专用电子板加继电器组的控制方式，电子板常常出故障，备件采购又较为困难。

现在其控制系统已改为用现场总线技术来控制。

4.2系统介绍

ZJ17型卷接机组由供丝、卷烟、接嘴三部分构成。

其中供丝部分取用烟厂供丝系统（或用其它方法加料）的烟丝，经由落料、匀丝、提升、摊铺、负压抽吸，密度控制（烟条削整）,形成密度合适的条状烟丝交付给卷烟部分。

卷烟部分将卷烟纸包卷在烟丝上形成烟条，并予以切断，形成双倍长度的无嘴烟支交付给接嘴部分，此部分要求完成对卷烟纸的处理，包括换盘纸、接纸、纸带张力调整、烟支商标印刷、印刷位置调整、卷烟纸上胶、胶水烘干。

同时因为主驱动电机在这一部分，对主驱动的控制也是在此完成的。

接嘴部分切开双倍长度的无嘴烟支，将嘴棒通过水松纸粘接在烟支上，剔除不合格烟支，将成品烟支送给下游机器。

用S7-400组建的一个PROFIBUS网络,在机组三部分分别放置ET200M子站处理I/O，并用SIEMENS新推出的高速逻辑处理模块FM352处理高速的脉冲量，用PC670工业计算机构建人机接口界面。

下图指示了系统硬件配置情况，CPU414-2DP是PROFIBUSDP的主站，3#、4#、5#站是三个ET200M子站，6#站是一个变频器,8#、9#、10#站是三个阀岛。

同时PC670和CPU414-2DP组建成一个MPI网络。

硬件的特点包括：

CPU414-2DP具有存储量大、运行速度快、强抗干扰能力和高可靠性等特性；ET200M子站通用性强、模块更换方便；功能模块FM352-5工作速度快,很适用系统处理快速脉冲；PC670具有牢固的、具备IP65保护级别的塑料前面板，抗干扰、抗震动能力强,可靠性高。

采用PC670运行人机界面程序，它通过MPI网络与主CPU连接，人机界面程序可以修改系统运行参数、读取系统运行故障信息、统计设备生产数据。

由机组工作的特点，经过这些程序的控制，控制系统满足了如下要求：

•I/O点容量大，最好是分布式系统

•能处理快至400Hz的脉冲量

•性能稳定，可以适应烟厂的生产环境

4.3系统功能

•启动顺序控制：

为了尽量减少原辅材料的浪费，并考虑到机器启动时可能有不同的速度，程序没有以时间为条件进行顺序投入，而通过对机器脉冲的统计来实现

•停机控制：

同样原因，除开有要求立即停机外，停机控制时需要将各种原辅材料按一定的次序撤出，尽量将合格成品送达下游机器，因此同样采用了计数机器脉冲的方法

•故障处理：

机器运行时会产生一些报警或故障信息，系统对绝大部分的运行故障和报警都能进行处理

•供丝控制：

程序处理当前烟丝料位情况，以决定是否打开进料气闸，并在多次打开气闸而没有烟丝时给出报警

•料位控制：

是对中间储料箱中烟丝料位的控制。

这里用到一个PID的调节，系统通过一组指示料位的光电开关判断当前料位，机器速度代表烟丝消耗量，陡角带提升速度是控制程序的输出

•机器脉冲的处理：

系统必须对许多脉冲进行处理，用来计算机器速度、移位步距参考、产量计数等，这一部分的工作由FM352-5来完成。

4.4小结

自2001年5月开始，采用上述系统的设备开始投放市场，现已装备在北京卷烟厂、呼和浩特卷烟厂、常德卷烟厂、广二卷烟厂、天津卷烟厂、石家庄卷烟厂、武汉卷烟厂、厦门卷烟厂等卷烟厂共计近30台套。

用户反映良好。

5.PLC和现场总线在卷烟厂能源监测管理系统中的应用

5.1项目简介

　　能源消耗是企业产品成本中重要的可控部分，降低能源消耗是企业降低成本的重要途径。

烟草行业向来是耗能大户，随着国外先进技术和成套设备的大量引进，卷烟生产从过去的低速手工生产发展到高速全自动生产，对能源的需求越来越大，因此降低能源的损耗、合理调配能源将直接提高其生产效益。

将军烟草集团有限公司成立于1993年，位于山东省济南市，是一家以烟草为主业、多元化经营的跨地区、跨行业、跨国界的企业集团。

其核心企业济南卷烟厂拥有目前世界上最先进的卷烟设备及行业技术中心。

公司现有员工5000余人，总资产73亿元，是全国烟草行业36家重点企业之一。

　　本能源监测系统主要用来对济南卷烟厂各部门的能源消耗情况进行监测、统计、报表和打印等。

本系统的主要监测量包括全厂各部门的电、水、蒸汽、空压气等相关的参数。

5．2系统介绍

　　本系统由能源统计办公室、锅炉操作室和设备管理处组成三层能源监测管理系统。

通过分布于全厂各个车间的传感器将蒸气、空压气、水量和电量233个点的参量采集到服务器中，锅炉操作室和设备管理处负责对实时参数和设备的监测；能源统计办公室实现数据的实时显示、能源消耗的当日和当月累积显示、累积量的日、月、时段数据的查询以及报表打印。

统计办公室的能源监测评估程序完成班次的各项指标考核任务，对厂内的能源供应部门的投入、产出及能源使用用户单位的耗能情况进行统计分析，成本核算等，为提高厂内能源管理使用水平提供了可信依据。

　　本系统CPU主站选用Siemens的SimaticS7-400的CPU414-2DP和S7-300的CPU314，400PLC主站配置9个ET200M子站。

CPU414-2DP集成MPI通讯口和Profibus-DP通讯口，各子站与400PLC主站采用Profibus-DP方式相连，这样可在保证数据采集性能要求的前提下使硬件费用达到最低；同时400PLC主站通过MPI接口与上位机实现通讯。

300PLC主站通过MPI接口与上位机实现通讯。

采用SimaticWinCC作为上位监控软件，采用VB6.0编辑统计办公室的能源监测评估程序。

　　系统清单如下表

5.3控制系统构成

5.3.1系统的结构

系统配置如图1所示。

图1能源管理监测系统图

　　本系统共分为三大部分：

上位监控中心、PLC主站、PLC从站。

上位机由一台服务器和三台客户机组成。

把服务器并入了企业网，这样，客户机的扩展变的异常容易和简单：

只需把计算机并入局域网，然后进行简单的设置就可以作为一台客户机使用。

400PLC主站通过MPI协议与服务器相