運(yùn)用PROFIBUS實(shí)現(xiàn)煙草制絲線分散自動(dòng)化
一、前言
Profibus是目前國際上通用的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一，以其獨(dú)有的特點(diǎn)、嚴(yán)格的認(rèn)證范圍、開放的標(biāo)準(zhǔn)和不斷發(fā)展的應(yīng)用行規(guī)，已成為最重要的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)[1]。廣泛應(yīng)用在制造業(yè)自動(dòng)化、過程自動(dòng)化和樓宇自動(dòng)化中。根據(jù)需要，有三種主要類型的現(xiàn)場(chǎng)總線：
1、Profibus-DP：主站和從站之間采用輪循的通訊方式，主要應(yīng)用于制造業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)間的通訊，采用DP協(xié)議。特點(diǎn)是少量數(shù)據(jù)的高速通信和高性能系統(tǒng)的可用性，最高可達(dá)12Mbit/s。
2、Profibus-FMS：主要用于自動(dòng)化系統(tǒng)中系統(tǒng)級(jí)和車間級(jí)的過程數(shù)據(jù)交換，用于不同供應(yīng)商的自動(dòng)化系統(tǒng)之間的傳輸數(shù)據(jù)，采用FMS令牌協(xié)議。
3、Profibus-PA：以PROFIBUS-DP為基礎(chǔ)，主要應(yīng)用于制造業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通訊，PROFIBUS-PA儀表有兩種類型，一種應(yīng)用于普通區(qū)域，一種應(yīng)用于危險(xiǎn)區(qū)域，和PROFIBUS-DP通訊協(xié)議相同。
卷煙廠制絲車間是一個(gè)龐大的車間，設(shè)備多而分散，隨著技術(shù)改造的逐步深入，現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的應(yīng)用日益普遍。原因之一是：現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字和模擬輸入/輸出模塊、智能信號(hào)裝置和過程調(diào)節(jié)裝置與可編程邏輯控制器（PLC）和PC之間的數(shù)據(jù)傳輸，把I/O通道分散到實(shí)際需要的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備附近，使安裝和布線的費(fèi)用開銷減少到最小，從而使成本費(fèi)用大大地節(jié)省。原因之二是：標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)場(chǎng)總線具有“開放”的通信接口，允許用戶選用不同制造商生產(chǎn)的分散I/O裝置和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。
二、Profibus網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成
制絲車間設(shè)備控制層主要應(yīng)用Profibus-DP和PROFIBUS-PA兩種總線控制方式。
1、Profibus-DP
Profibus-DP具有開放性，可連接不同廠商的控制元件（帶DP口），形成一個(gè)兼容、完善的控制系統(tǒng)，有利于提高系統(tǒng)的靈活性和可移植性，是業(yè)界用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)最快的總線標(biāo)準(zhǔn)。其主要特點(diǎn)如下：
①Profibus-DP通訊速率最高可達(dá)12Mbit/s。
②Profibus-DP采用主-從方式進(jìn)行工作。PLC級(jí)為主站,現(xiàn)場(chǎng)分布I/O等為從站.
③Profibus-DP使用基于RS485標(biāo)準(zhǔn)的物理層，是一個(gè)兩線時(shí)差分系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力。
④最多可連接125個(gè)節(jié)點(diǎn)，即125個(gè)帶DP口的設(shè)備、儀器儀表等，每個(gè)總線段最多32個(gè)節(jié)點(diǎn)。
⑤傳輸距離可達(dá)23.8km。對(duì)于Profibus-DP而言，最大允許的總線長度，亦稱為段長度，取決于傳輸速率（見表一）。
天水卷煙廠主站PLC采用S7-400，通過西門子光纖工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)連接各PLC，實(shí)現(xiàn)主站之間的數(shù)據(jù)交換。設(shè)備控制層采用西門子Profibus-DP和PROFIBUS-PA現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，其中分布式I/O從站、AS-I總線系統(tǒng)、變頻器、電子秤、水分儀等通過PROFIBUS-DP接口與主站（S7-400）進(jìn)行信息通訊，執(zhí)行主站下達(dá)的指令；電磁流量計(jì)、電氣閥門定位器等儀器儀表通過PROFIBUS-PA總線技術(shù)轉(zhuǎn)換，連接到PROFIBUS-DP總線上。運(yùn)用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳輸信息數(shù)字化，提高信號(hào)采集的精度，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能控制。
根據(jù)使用情況，列出Profibus-DP所用器件：
①ET200S分布式I/O：ET200S 分布式I/O系統(tǒng)是西門子的一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，它的離散式結(jié)構(gòu)確保了它的靈活性?，F(xiàn)場(chǎng)7.5Kw以下除變頻器軟啟動(dòng)器控制以外的電機(jī)均采用ET200S電機(jī)啟動(dòng)器控制。安裝方式快速、便捷，所有電子模塊及負(fù)載饋電器模塊都插入在純機(jī)械的端子模塊內(nèi)，這些端子模塊包括了所有的接線，并可安裝在35x15mm或35x7.5mmDIN導(dǎo)軌上，減小了接線成本及時(shí)間，部件的高度集成性，大大縮小了安裝空間。與Profibus-DP通訊采用IM151 PROFIBUS-DP接口模塊，其型號(hào)為6ES7 151-1AA03-0AB0。
②ET200M：ET200M是模塊化I/O站，保護(hù)等級(jí)為IP20。由IM153接口模塊和S7-300 I/O模塊組成。IM153接口模塊用于與Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線連接，通過IM153接口模塊可以與主站PLC間進(jìn)行通訊及數(shù)據(jù)處理等。
③As-I總線：As-I（Actuator-Sensor Interface）是執(zhí)行器-傳感器接口的英文縮寫。它是一種用于控制器（主站、Master）和傳感器/執(zhí)行器（從站、Slave）之間雙向交換信息、主從結(jié)構(gòu)的總線網(wǎng)絡(luò)。使靠近現(xiàn)場(chǎng)的傳感器、執(zhí)行器和操作員終端等能夠連成最底層控制系統(tǒng)，這是自動(dòng)化技術(shù)中一種最簡單、成本最低的解決方案。天水卷煙廠制絲線設(shè)備中的貯柜大多采用As-I總線控制方式，將貯柜上的光電開關(guān)、接近開關(guān)等檢測(cè)元件接入P+F的總線輸入端子，然后經(jīng)過網(wǎng)關(guān)與Profibus-DP接口連接，網(wǎng)關(guān)型號(hào)為VAG-PB-KF-R4。
AS-I總線，采用簡單的兩芯總線電纜，把現(xiàn)場(chǎng)所有的I/O模塊連接起來，這樣，既節(jié)約用線量，又節(jié)約了接線時(shí)間，它還具有以下特點(diǎn)：
① 高實(shí)時(shí)性：一個(gè)AS-I總線系統(tǒng)可以帶62個(gè)從站，最大輪循時(shí)間為10毫秒[2]。
② 絕緣穿刺技術(shù)：AS-I電纜已成為AS-I總線的一個(gè)標(biāo)志數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸與電源共用一根導(dǎo)線，由于采用一種特殊的穿刺安裝方法把線壓在連接件上，連接簡單，安裝迅速，并可防極性翻轉(zhuǎn)。
③ 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：AS-I總線網(wǎng)絡(luò)可以象常規(guī)電氣安裝一樣進(jìn)行組態(tài)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括總線型、星形、或樹形結(jié)構(gòu)。本現(xiàn)場(chǎng)所用典型結(jié)構(gòu)如圖一：
網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖>
圖一 AS-I總線典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
貯柜上沒有執(zhí)行元件，故模塊全部選用總線輸入端子。
由于Profibus-DP總線的應(yīng)用，煙廠根據(jù)需要能夠很方便地組建信息化管理網(wǎng)絡(luò)。
基于上述原因，Profibus-DP總線深受廣大設(shè)計(jì)者和煙廠用戶的歡迎。
2、Profibus-PA
Profibus-PA以PROFIBUS-DP為基礎(chǔ)，覆蓋工業(yè)自動(dòng)化的整個(gè)過程。PROFIBUS-PA使用位同步協(xié)議和電壓模式以及速率為31.25Kbit/s的直流信號(hào)傳輸方式[3]，該標(biāo)準(zhǔn)可滿足過程領(lǐng)域的特殊要求。其主要特點(diǎn)如下：
①Profibus-PA現(xiàn)場(chǎng)總線通過轉(zhuǎn)換器件可連到電氣的RS485或使用光纖傳輸?shù)腜ROFIBUS-DP系統(tǒng)中。
②僅使用兩根導(dǎo)線同時(shí)實(shí)現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)以及對(duì)PA總線上的設(shè)備、儀表進(jìn)行供電。
③使用段耦合器進(jìn)行Profibus-DP和PA的轉(zhuǎn)換。
下面是一種典型的Profibus-PA總線結(jié)構(gòu)：
圖二 典型的Profibus-PA現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)圖
Profibus-PA所用器件：
①、耦合器：是一臺(tái)多功能的集成化設(shè)備，有兩大類，分別應(yīng)用于一般區(qū)域和危險(xiǎn)防爆場(chǎng)合，其主要功能是：
轉(zhuǎn)換異步和同步數(shù)據(jù)的格式和通訊速率。
通過電纜向總線儀表和設(shè)備提供電能。
使用隔離電路限制信號(hào)的能量、實(shí)現(xiàn)本安要求。
匹配RS485和IEC61158-2的電氣信號(hào)。
DP/PA耦合器在Profibus-DP上的傳輸速率是一定的，速率也比較低。如果系統(tǒng)規(guī)模較小，僅使用幾臺(tái)儀表，同時(shí)在PROFIBUS-DP一方的速率要求不高，則可以僅使用耦合器[3]；如果系統(tǒng)規(guī)模較大，同時(shí)PROFIBUS-DP一方要求速率較高，則要考慮鏈接器+耦合器的使用方法。煙廠制絲車間環(huán)境一般，故本次項(xiàng)目中所選耦合器類型為一般應(yīng)用區(qū)域，型號(hào)為6ES7 157-0AC81 0XA0。
②、鏈接器：是一種專門處理通訊任務(wù)的智能卡件，不僅包括專用的通訊處理芯片，還集成了RAM、ROM、內(nèi)總線等部件。鏈接器的任務(wù)是協(xié)調(diào)耦合器與控制系統(tǒng)（CPU）之間的數(shù)據(jù)通訊工作。當(dāng)上層總線Profibus-DP要求速率高，或儀表數(shù)量超過十臺(tái)時(shí)，需要使用鏈接器，在STEP7中硬件組態(tài)時(shí)鏈接器作為DP的一個(gè)從站，而耦合器是沒有站址的，一個(gè)鏈接器最多可以帶5個(gè)耦合器，一條PA總線上最多可接28塊帶PA口的儀表，本次項(xiàng)目中采用鏈接器+耦合器的工作方式。鏈接器型號(hào)為6ES7 157-0AA81 0XA0。
③、T型頭和終端電阻：T型頭專門用于連接PA總線上的儀表和執(zhí)行器，一條PA總線末端要有終端電阻，安裝在PA總線末端儀表所用的T型頭上，將T型頭的頭部換成終端電阻既可。終端電阻的目的是為了吸收總線上多余的反射能量。
④、PA儀表：Profibus-PA接口的現(xiàn)場(chǎng)儀表包括變送器、流量計(jì)、電氣閥門定位器等。
⑤、傳輸介質(zhì)：本項(xiàng)目選用的傳輸介質(zhì)是橫截面積為0.8mm2、回路電阻44Ω/km、最大傳輸延遲為1.7微秒/公里的雙芯屏蔽電纜。
鏈接器和耦合器設(shè)備安裝在控制柜內(nèi)，執(zhí)行器/傳感器等設(shè)備安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，理論上最多能連接32臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，實(shí)際應(yīng)用中可以連接大約28臺(tái)設(shè)備[4]，當(dāng)總線長度不夠時(shí)最多可用4個(gè)中繼器進(jìn)行擴(kuò)展。
三、制絲車間設(shè)備的構(gòu)成
以天水卷煙廠制絲車間為例，簡要說明制絲車間的設(shè)備構(gòu)成。
網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖>
圖三 天水卷煙廠制絲線設(shè)備網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
制絲車間是卷煙生產(chǎn)的第一道工序，包括葉絲生產(chǎn)線和梗絲生產(chǎn)線，其目的是將復(fù)烤廠加工后的煙葉及煙梗分別進(jìn)行回潮、加料、加香、切絲、烘絲、膨化，然后將加工后的煙絲按照工藝要求進(jìn)行摻配，生產(chǎn)出適用于卷煙的成品煙絲。
本著便于管理操作、故障處理方便、運(yùn)行方式靈活等特點(diǎn)，各個(gè)工藝段既能互相連在一起進(jìn)行整線運(yùn)行、參數(shù)統(tǒng)一調(diào)整，又能分段獨(dú)立運(yùn)行，滿足生產(chǎn)工藝需要，設(shè)備控制層劃分為葉片預(yù)處理段、葉片處理段、葉絲處理段、煙梗處理段、梗絲處理段、混絲加香段、貯絲及風(fēng)力喂絲段、風(fēng)送除塵段等九個(gè)子系統(tǒng)，其中高溫管道式葉絲膨脹機(jī)組為獨(dú)立單機(jī)控制系統(tǒng)，共十個(gè)主控站對(duì)各工藝段分別進(jìn)行控制。每個(gè)主控站的設(shè)備層包括：電子秤、水分儀、變頻器、ET200S站、ET200M站、As-I總線、智能儀表，As-I總線通過As-I總線網(wǎng)關(guān)與Profibus-DP接口連接，智能儀表通過DP/PA轉(zhuǎn)換器與PROFIBUS-DP接口連接，上述其它設(shè)備直接與PROFIBUS-DP接口連接。
四、結(jié)論
隨著總線系統(tǒng)的不斷發(fā)展，采用Profibus總線接口的成型產(chǎn)品愈來愈多，其應(yīng)用愈來愈廣。由于PROFIBUS總線前面所述種種優(yōu)點(diǎn)，我們?cè)趯?duì)制絲線等產(chǎn)品的電控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一般采用帶有PROFIBUS-DP接口的PLC、工控機(jī)、觸摸屏、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、I/O模塊等器件構(gòu)成PROFIBUS總線網(wǎng)絡(luò)。通過近幾年P(guān)ROFIBUS總線的應(yīng)用以及天水卷煙廠制絲線的設(shè)計(jì)調(diào)試來看，PROFIBUS總線有著無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。首先，PROFIBUS總線將采集和檢測(cè)到的信息就地處理并就地應(yīng)用，減少數(shù)據(jù)處理時(shí)間，因而網(wǎng)絡(luò)傳輸速度高，抗干擾能力強(qiáng)；；其次，采用開放性的通訊結(jié)構(gòu)，可兼顧產(chǎn)品的兼容性，有利于提高系統(tǒng)的靈活性和可移植性；再次，將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備分散控制，采集到的故障信息分散處理，增加了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，因而具有智能化人性化的優(yōu)點(diǎn)；最后，采用PROFIBUS總線即能確保系統(tǒng)在國內(nèi)處于一定的領(lǐng)先地位，又使設(shè)備具有可擴(kuò)充性，無論任何一個(gè)工程，都應(yīng)本著長遠(yuǎn)的觀點(diǎn)，使系統(tǒng)可擴(kuò)展、容量可擴(kuò)充，有較大的擴(kuò)展余地，系統(tǒng)可通過軟件升級(jí)保持系統(tǒng)的先進(jìn)性，以適應(yīng)未來發(fā)展。
參考文獻(xiàn)：
1]《二OO三年煙草機(jī)械學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集 》中國煙草學(xué)會(huì)工業(yè)專業(yè)委員會(huì)煙機(jī)學(xué)組
[2] 《西門子工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)》西門子（中國）有限公司自動(dòng)化系統(tǒng)部
[3] 《Profibus-PA應(yīng)用技術(shù)手冊(cè)》西門子（中國）有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)
[4]《工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)及現(xiàn)場(chǎng)總線部件》西門子（中國）有限公司
Profibus是目前國際上通用的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之一，以其獨(dú)有的特點(diǎn)、嚴(yán)格的認(rèn)證范圍、開放的標(biāo)準(zhǔn)和不斷發(fā)展的應(yīng)用行規(guī)，已成為最重要的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)[1]。廣泛應(yīng)用在制造業(yè)自動(dòng)化、過程自動(dòng)化和樓宇自動(dòng)化中。根據(jù)需要，有三種主要類型的現(xiàn)場(chǎng)總線：
1、Profibus-DP：主站和從站之間采用輪循的通訊方式，主要應(yīng)用于制造業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)間的通訊，采用DP協(xié)議。特點(diǎn)是少量數(shù)據(jù)的高速通信和高性能系統(tǒng)的可用性，最高可達(dá)12Mbit/s。
2、Profibus-FMS：主要用于自動(dòng)化系統(tǒng)中系統(tǒng)級(jí)和車間級(jí)的過程數(shù)據(jù)交換，用于不同供應(yīng)商的自動(dòng)化系統(tǒng)之間的傳輸數(shù)據(jù)，采用FMS令牌協(xié)議。
3、Profibus-PA：以PROFIBUS-DP為基礎(chǔ)，主要應(yīng)用于制造業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通訊，PROFIBUS-PA儀表有兩種類型，一種應(yīng)用于普通區(qū)域，一種應(yīng)用于危險(xiǎn)區(qū)域，和PROFIBUS-DP通訊協(xié)議相同。
卷煙廠制絲車間是一個(gè)龐大的車間，設(shè)備多而分散，隨著技術(shù)改造的逐步深入，現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的應(yīng)用日益普遍。原因之一是：現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字和模擬輸入/輸出模塊、智能信號(hào)裝置和過程調(diào)節(jié)裝置與可編程邏輯控制器（PLC）和PC之間的數(shù)據(jù)傳輸，把I/O通道分散到實(shí)際需要的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備附近，使安裝和布線的費(fèi)用開銷減少到最小，從而使成本費(fèi)用大大地節(jié)省。原因之二是：標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)場(chǎng)總線具有“開放”的通信接口，允許用戶選用不同制造商生產(chǎn)的分散I/O裝置和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。
二、Profibus網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成
制絲車間設(shè)備控制層主要應(yīng)用Profibus-DP和PROFIBUS-PA兩種總線控制方式。
1、Profibus-DP
Profibus-DP具有開放性，可連接不同廠商的控制元件（帶DP口），形成一個(gè)兼容、完善的控制系統(tǒng)，有利于提高系統(tǒng)的靈活性和可移植性，是業(yè)界用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)最快的總線標(biāo)準(zhǔn)。其主要特點(diǎn)如下：
①Profibus-DP通訊速率最高可達(dá)12Mbit/s。
②Profibus-DP采用主-從方式進(jìn)行工作。PLC級(jí)為主站,現(xiàn)場(chǎng)分布I/O等為從站.
③Profibus-DP使用基于RS485標(biāo)準(zhǔn)的物理層，是一個(gè)兩線時(shí)差分系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力。
④最多可連接125個(gè)節(jié)點(diǎn)，即125個(gè)帶DP口的設(shè)備、儀器儀表等，每個(gè)總線段最多32個(gè)節(jié)點(diǎn)。
⑤傳輸距離可達(dá)23.8km。對(duì)于Profibus-DP而言，最大允許的總線長度，亦稱為段長度，取決于傳輸速率（見表一）。
天水卷煙廠主站PLC采用S7-400，通過西門子光纖工業(yè)以太網(wǎng)專題">工業(yè)以太網(wǎng)連接各PLC，實(shí)現(xiàn)主站之間的數(shù)據(jù)交換。設(shè)備控制層采用西門子Profibus-DP和PROFIBUS-PA現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，其中分布式I/O從站、AS-I總線系統(tǒng)、變頻器、電子秤、水分儀等通過PROFIBUS-DP接口與主站（S7-400）進(jìn)行信息通訊，執(zhí)行主站下達(dá)的指令；電磁流量計(jì)、電氣閥門定位器等儀器儀表通過PROFIBUS-PA總線技術(shù)轉(zhuǎn)換，連接到PROFIBUS-DP總線上。運(yùn)用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳輸信息數(shù)字化，提高信號(hào)采集的精度，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能控制。
根據(jù)使用情況，列出Profibus-DP所用器件：
①ET200S分布式I/O：ET200S 分布式I/O系統(tǒng)是西門子的一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，它的離散式結(jié)構(gòu)確保了它的靈活性?，F(xiàn)場(chǎng)7.5Kw以下除變頻器軟啟動(dòng)器控制以外的電機(jī)均采用ET200S電機(jī)啟動(dòng)器控制。安裝方式快速、便捷，所有電子模塊及負(fù)載饋電器模塊都插入在純機(jī)械的端子模塊內(nèi)，這些端子模塊包括了所有的接線，并可安裝在35x15mm或35x7.5mmDIN導(dǎo)軌上，減小了接線成本及時(shí)間，部件的高度集成性，大大縮小了安裝空間。與Profibus-DP通訊采用IM151 PROFIBUS-DP接口模塊，其型號(hào)為6ES7 151-1AA03-0AB0。
②ET200M：ET200M是模塊化I/O站，保護(hù)等級(jí)為IP20。由IM153接口模塊和S7-300 I/O模塊組成。IM153接口模塊用于與Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線連接，通過IM153接口模塊可以與主站PLC間進(jìn)行通訊及數(shù)據(jù)處理等。
③As-I總線：As-I（Actuator-Sensor Interface）是執(zhí)行器-傳感器接口的英文縮寫。它是一種用于控制器（主站、Master）和傳感器/執(zhí)行器（從站、Slave）之間雙向交換信息、主從結(jié)構(gòu)的總線網(wǎng)絡(luò)。使靠近現(xiàn)場(chǎng)的傳感器、執(zhí)行器和操作員終端等能夠連成最底層控制系統(tǒng)，這是自動(dòng)化技術(shù)中一種最簡單、成本最低的解決方案。天水卷煙廠制絲線設(shè)備中的貯柜大多采用As-I總線控制方式，將貯柜上的光電開關(guān)、接近開關(guān)等檢測(cè)元件接入P+F的總線輸入端子，然后經(jīng)過網(wǎng)關(guān)與Profibus-DP接口連接，網(wǎng)關(guān)型號(hào)為VAG-PB-KF-R4。
AS-I總線，采用簡單的兩芯總線電纜，把現(xiàn)場(chǎng)所有的I/O模塊連接起來，這樣，既節(jié)約用線量，又節(jié)約了接線時(shí)間，它還具有以下特點(diǎn)：
① 高實(shí)時(shí)性：一個(gè)AS-I總線系統(tǒng)可以帶62個(gè)從站，最大輪循時(shí)間為10毫秒[2]。
② 絕緣穿刺技術(shù)：AS-I電纜已成為AS-I總線的一個(gè)標(biāo)志數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸與電源共用一根導(dǎo)線，由于采用一種特殊的穿刺安裝方法把線壓在連接件上，連接簡單，安裝迅速，并可防極性翻轉(zhuǎn)。
③ 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：AS-I總線網(wǎng)絡(luò)可以象常規(guī)電氣安裝一樣進(jìn)行組態(tài)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括總線型、星形、或樹形結(jié)構(gòu)。本現(xiàn)場(chǎng)所用典型結(jié)構(gòu)如圖一：
網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖>圖一 AS-I總線典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
貯柜上沒有執(zhí)行元件，故模塊全部選用總線輸入端子。
由于Profibus-DP總線的應(yīng)用，煙廠根據(jù)需要能夠很方便地組建信息化管理網(wǎng)絡(luò)。
基于上述原因，Profibus-DP總線深受廣大設(shè)計(jì)者和煙廠用戶的歡迎。
2、Profibus-PA
Profibus-PA以PROFIBUS-DP為基礎(chǔ)，覆蓋工業(yè)自動(dòng)化的整個(gè)過程。PROFIBUS-PA使用位同步協(xié)議和電壓模式以及速率為31.25Kbit/s的直流信號(hào)傳輸方式[3]，該標(biāo)準(zhǔn)可滿足過程領(lǐng)域的特殊要求。其主要特點(diǎn)如下：
①Profibus-PA現(xiàn)場(chǎng)總線通過轉(zhuǎn)換器件可連到電氣的RS485或使用光纖傳輸?shù)腜ROFIBUS-DP系統(tǒng)中。
②僅使用兩根導(dǎo)線同時(shí)實(shí)現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)以及對(duì)PA總線上的設(shè)備、儀表進(jìn)行供電。
③使用段耦合器進(jìn)行Profibus-DP和PA的轉(zhuǎn)換。
下面是一種典型的Profibus-PA總線結(jié)構(gòu)：
圖二 典型的Profibus-PA現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)圖
Profibus-PA所用器件：
①、耦合器：是一臺(tái)多功能的集成化設(shè)備，有兩大類，分別應(yīng)用于一般區(qū)域和危險(xiǎn)防爆場(chǎng)合，其主要功能是：
轉(zhuǎn)換異步和同步數(shù)據(jù)的格式和通訊速率。
通過電纜向總線儀表和設(shè)備提供電能。
使用隔離電路限制信號(hào)的能量、實(shí)現(xiàn)本安要求。
匹配RS485和IEC61158-2的電氣信號(hào)。
DP/PA耦合器在Profibus-DP上的傳輸速率是一定的，速率也比較低。如果系統(tǒng)規(guī)模較小，僅使用幾臺(tái)儀表，同時(shí)在PROFIBUS-DP一方的速率要求不高，則可以僅使用耦合器[3]；如果系統(tǒng)規(guī)模較大，同時(shí)PROFIBUS-DP一方要求速率較高，則要考慮鏈接器+耦合器的使用方法。煙廠制絲車間環(huán)境一般，故本次項(xiàng)目中所選耦合器類型為一般應(yīng)用區(qū)域，型號(hào)為6ES7 157-0AC81 0XA0。
②、鏈接器：是一種專門處理通訊任務(wù)的智能卡件，不僅包括專用的通訊處理芯片，還集成了RAM、ROM、內(nèi)總線等部件。鏈接器的任務(wù)是協(xié)調(diào)耦合器與控制系統(tǒng)（CPU）之間的數(shù)據(jù)通訊工作。當(dāng)上層總線Profibus-DP要求速率高，或儀表數(shù)量超過十臺(tái)時(shí)，需要使用鏈接器，在STEP7中硬件組態(tài)時(shí)鏈接器作為DP的一個(gè)從站，而耦合器是沒有站址的，一個(gè)鏈接器最多可以帶5個(gè)耦合器，一條PA總線上最多可接28塊帶PA口的儀表，本次項(xiàng)目中采用鏈接器+耦合器的工作方式。鏈接器型號(hào)為6ES7 157-0AA81 0XA0。
③、T型頭和終端電阻：T型頭專門用于連接PA總線上的儀表和執(zhí)行器，一條PA總線末端要有終端電阻，安裝在PA總線末端儀表所用的T型頭上，將T型頭的頭部換成終端電阻既可。終端電阻的目的是為了吸收總線上多余的反射能量。
④、PA儀表：Profibus-PA接口的現(xiàn)場(chǎng)儀表包括變送器、流量計(jì)、電氣閥門定位器等。
⑤、傳輸介質(zhì)：本項(xiàng)目選用的傳輸介質(zhì)是橫截面積為0.8mm2、回路電阻44Ω/km、最大傳輸延遲為1.7微秒/公里的雙芯屏蔽電纜。
鏈接器和耦合器設(shè)備安裝在控制柜內(nèi)，執(zhí)行器/傳感器等設(shè)備安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，理論上最多能連接32臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，實(shí)際應(yīng)用中可以連接大約28臺(tái)設(shè)備[4]，當(dāng)總線長度不夠時(shí)最多可用4個(gè)中繼器進(jìn)行擴(kuò)展。
三、制絲車間設(shè)備的構(gòu)成
以天水卷煙廠制絲車間為例，簡要說明制絲車間的設(shè)備構(gòu)成。
網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖>圖三 天水卷煙廠制絲線設(shè)備網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
制絲車間是卷煙生產(chǎn)的第一道工序，包括葉絲生產(chǎn)線和梗絲生產(chǎn)線，其目的是將復(fù)烤廠加工后的煙葉及煙梗分別進(jìn)行回潮、加料、加香、切絲、烘絲、膨化，然后將加工后的煙絲按照工藝要求進(jìn)行摻配，生產(chǎn)出適用于卷煙的成品煙絲。
本著便于管理操作、故障處理方便、運(yùn)行方式靈活等特點(diǎn)，各個(gè)工藝段既能互相連在一起進(jìn)行整線運(yùn)行、參數(shù)統(tǒng)一調(diào)整，又能分段獨(dú)立運(yùn)行，滿足生產(chǎn)工藝需要，設(shè)備控制層劃分為葉片預(yù)處理段、葉片處理段、葉絲處理段、煙梗處理段、梗絲處理段、混絲加香段、貯絲及風(fēng)力喂絲段、風(fēng)送除塵段等九個(gè)子系統(tǒng)，其中高溫管道式葉絲膨脹機(jī)組為獨(dú)立單機(jī)控制系統(tǒng)，共十個(gè)主控站對(duì)各工藝段分別進(jìn)行控制。每個(gè)主控站的設(shè)備層包括：電子秤、水分儀、變頻器、ET200S站、ET200M站、As-I總線、智能儀表，As-I總線通過As-I總線網(wǎng)關(guān)與Profibus-DP接口連接，智能儀表通過DP/PA轉(zhuǎn)換器與PROFIBUS-DP接口連接，上述其它設(shè)備直接與PROFIBUS-DP接口連接。
四、結(jié)論
隨著總線系統(tǒng)的不斷發(fā)展，采用Profibus總線接口的成型產(chǎn)品愈來愈多，其應(yīng)用愈來愈廣。由于PROFIBUS總線前面所述種種優(yōu)點(diǎn)，我們?cè)趯?duì)制絲線等產(chǎn)品的電控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一般采用帶有PROFIBUS-DP接口的PLC、工控機(jī)、觸摸屏、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、I/O模塊等器件構(gòu)成PROFIBUS總線網(wǎng)絡(luò)。通過近幾年P(guān)ROFIBUS總線的應(yīng)用以及天水卷煙廠制絲線的設(shè)計(jì)調(diào)試來看，PROFIBUS總線有著無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。首先，PROFIBUS總線將采集和檢測(cè)到的信息就地處理并就地應(yīng)用，減少數(shù)據(jù)處理時(shí)間，因而網(wǎng)絡(luò)傳輸速度高，抗干擾能力強(qiáng)；；其次，采用開放性的通訊結(jié)構(gòu)，可兼顧產(chǎn)品的兼容性，有利于提高系統(tǒng)的靈活性和可移植性；再次，將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備分散控制，采集到的故障信息分散處理，增加了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，因而具有智能化人性化的優(yōu)點(diǎn)；最后，采用PROFIBUS總線即能確保系統(tǒng)在國內(nèi)處于一定的領(lǐng)先地位，又使設(shè)備具有可擴(kuò)充性，無論任何一個(gè)工程，都應(yīng)本著長遠(yuǎn)的觀點(diǎn)，使系統(tǒng)可擴(kuò)展、容量可擴(kuò)充，有較大的擴(kuò)展余地，系統(tǒng)可通過軟件升級(jí)保持系統(tǒng)的先進(jìn)性，以適應(yīng)未來發(fā)展。
參考文獻(xiàn)：
1]《二OO三年煙草機(jī)械學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集 》中國煙草學(xué)會(huì)工業(yè)專業(yè)委員會(huì)煙機(jī)學(xué)組
[2] 《西門子工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)》西門子（中國）有限公司自動(dòng)化系統(tǒng)部
[3] 《Profibus-PA應(yīng)用技術(shù)手冊(cè)》西門子（中國）有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)
[4]《工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)及現(xiàn)場(chǎng)總線部件》西門子（中國）有限公司
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